Drôtové technológie na výrobu fraktálnych antén. Ako vyrobiť anténu pre televízor vlastnými rukami z hliníkového drôtu alebo kábla: jednoduchý dizajn na príjem televízneho signálu. Minkowského fraktál je konštruovaný podobne ako Kochova krivka a má rovnaké vlastnosti

Prvá vec, o ktorej by som chcel napísať, je malý úvod do histórie, teórie a použitia fraktálnych antén. Nedávno boli objavené fraktálne antény. Prvýkrát ich vynašiel Nathan Cohen v roku 1988, potom publikoval svoj výskum o tom, ako vyrobiť televíznu anténu z drôtu a patentoval si ju v roku 1995.

Fraktálna anténa má niekoľko jedinečných vlastností, ako je napísané na Wikipédii:

„Fraktálna anténa je anténa, ktorá používa fraktálny, samoopakujúci sa dizajn na maximalizáciu dĺžky alebo zväčšenie obvodu (na vnútorných plochách alebo vonkajšej štruktúre) materiálu, ktorý môže prijímať alebo vysielať elektromagnetické signály v rámci daného celkového povrchu alebo objemu. .“

Čo to presne znamená? No, musíte vedieť, čo je fraktál. Tiež z Wikipédie:

"Fraktál je zvyčajne hrubý alebo fragmentovaný geometrický tvar, ktorý možno rozdeliť na časti, pričom každá časť je menšou kópiou celku - vlastnosť nazývaná sebepodobnosť."

Fraktál je teda geometrický útvar, ktorý sa stále dokola opakuje bez ohľadu na veľkosť jednotlivých častí.

Zistilo sa, že fraktálne antény sú približne o 20 % efektívnejšie ako bežné antény. To môže byť užitočné najmä vtedy, ak chcete, aby vaša televízna anténa prijímala digitálne video alebo video s vysokým rozlíšením, zvýšila mobilný dosah, dosah Wi-Fi, FM alebo AM rádia atď.

Väčšina mobilných telefónov už má fraktálne antény. Možno ste si to všimli, pretože mobilné telefóny už nemajú na vonkajšej strane antény. Je to preto, že vo vnútri majú fraktálne antény vyleptané do dosky plošných spojov, čo im umožňuje prijímať lepší signál a zachytávať viac frekvencií, ako je Bluetooth, Cellular a Wi-Fi, z jednej antény.

Wikipedia:

„Odozva fraktálnej antény sa výrazne líši od tradičných návrhov antén v tom, že je schopná pracovať s dobrým výkonom na rôznych frekvenciách súčasne. Frekvencia štandardných antén sa musí znížiť, aby bolo možné prijímať iba túto frekvenciu. Preto je fraktálna anténa, na rozdiel od bežnej antény, vynikajúcim dizajnom pre širokopásmové a viacpásmové aplikácie.“

Trik je navrhnúť vašu fraktálnu anténu tak, aby rezonovala na konkrétnej strednej frekvencii, ktorú chcete. To znamená, že anténa bude vyzerať inak v závislosti od toho, čo chcete dosiahnuť. Na to musíte použiť matematiku (alebo online kalkulačku).

V mojom príklade to urobím jednoduchá anténa, ale môžete to urobiť zložitejším. Čím komplexnejšie, tým lepšie. Na výrobu antény použijem cievku 18-žilového drôtu s pevným jadrom, ale môžete si prispôsobiť svoje vlastné dosky plošných spojov tak, aby vyhovovali vašej estetike, aby boli menšie alebo zložitejšie s väčším rozlíšením a rezonanciou.

Idem si vyrobiť TV anténu na príjem digitálnej TV alebo TV s vysokým rozlíšením. S týmito frekvenciami sa ľahšie pracuje a ich dĺžka sa pohybuje od približne 15 cm do 150 cm pre polovičnú vlnovú dĺžku. Pre jednoduchosť a nízku cenu dielov ju umiestnim na bežnú dipólovú anténu, bude zachytávať vlny v rozsahu 136-174 MHz (VHF).

Pre príjem UHF vĺn (400-512 MHz) môžete pridať direktívu alebo reflektor, ale vďaka tomu bude príjem viac závislý od smeru antény. VHF je tiež smerové, ale namiesto toho, aby ste v UHF inštalácii smerovali priamo na TV stanicu, budete musieť namontovať VHF uši kolmo na TV stanicu. To bude vyžadovať trochu viac úsilia. Chcem urobiť dizajn čo najjednoduchší, pretože toto je už dosť zložitá vec.

Hlavné komponenty:

• Montážna plocha, ako je plastový kryt (20 cm x 15 cm x 8 cm)
• 6 skrutiek. Použil som skrutky z oceľového plechu
• Transformátor s odporom od 300 Ohm do 75 Ohm.
• 18 AWG (0,8 mm) montážny drôt
• RG-6 koaxiálny kábel s terminátormi (a s gumeným plášťom, ak bude inštalácia prebiehať vonku)
• Hliník pri použití reflektora. Jeden bol v prílohe vyššie.
• Jemná fixka
• Dva páry malých klieští
• Pravítko nie je kratšie ako 20 cm.
• Dopravník na meranie uhla
• Dva vrtáky, jeden o niečo menší priemer ako vaše skrutky
• Malá rezačka drôtu
• Skrutkovač alebo skrutkovač

Poznámka: Spodná časť antény z hliníkového drôtu je na pravej strane obrázka, kde trčí transformátor.

Krok 1: Pridanie reflektora

Namontujte kryt s reflektorom pod plastový kryt

Krok 2: Vŕtanie otvorov a inštalácia montážnych bodov

V týchto polohách vyvŕtajte malé výstupné otvory na opačnej strane reflektora a umiestnite vodivú skrutku.

Krok 3: Zmerajte, odrežte a odizolujte drôty

Odstrihnite štyri 20 cm kúsky drôtu a položte ich na korpus.

Krok 4: Meranie a označovanie drôtov

Pomocou značky označte na drôte každých 2,5 cm (na týchto miestach budú ohyby)

Krok 5: Vytváranie fraktálov

Tento krok sa musí opakovať pre každý kus drôtu. Každý ohyb by mal mať presne 60 stupňov, pretože pre fraktál budeme vytvárať rovnostranné trojuholníky. Použil som dva páry klieští a uhlomer. Každý ohyb je vyrobený na značke. Pred vytvorením záhybov si vizualizujte smer každého z nich. Na to použite priložený diagram.

Krok 6: Vytvorenie dipólov

Odrežte ďalšie dva kusy drôtu, ktoré sú dlhé aspoň 6 palcov. Obtočte tieto drôty okolo hornej a spodnej skrutky pozdĺž dlhej strany a potom ich omotajte okolo stredových skrutiek. Potom odrežte prebytočnú dĺžku.

Krok 7: Inštalácia dipólov a inštalácia transformátora

Zaistite každý z fraktálov na rohové skrutky.

Pripevnite transformátor vhodnej impedancie k dvom stredovým skrutkám a utiahnite ich.

Montáž dokončená! Pozrite si to a užívajte si to!

Krok 8: Viac iterácií/experimentov

Urobil som niekoľko nových prvkov pomocou papierovej šablóny z GIMPu. Použil som malý pevný telefónny drôt. Bol dostatočne malý, pevný a ohybný, aby sa ohýbal do zložitých tvarov potrebných pre stredovú frekvenciu (554 MHz). Toto je priemer digitálny signál UHF pre kanály terestriálnej televízie v mojej oblasti.

Foto priložené. Môže byť ťažké vidieť medené drôty pri slabom osvetlení oproti lepenke a páske na vrchu, ale máte nápad.

Pri tejto veľkosti sú prvky dosť krehké, takže s nimi treba zaobchádzať opatrne.

Pridal som aj šablónu vo formáte png. Ak chcete vytlačiť požadovanú veľkosť, musíte ju otvoriť v editore fotografií, ako je GIMP. Šablóna nie je dokonalá, pretože som ju vyrobil ručne pomocou myši, ale je dostatočne pohodlná pre ľudské ruky.

Drôtové fraktálne antény študované v tejto práci boli vyrobené ohnutím drôtu podľa vytlačenej papierovej šablóny. Keďže drôt bol ohýbaný ručne pomocou pinzety, presnosť vytvorenia „ohybov“ antény bola asi 0,5 mm. Preto sa na výskum použili najjednoduchšie geometrické fraktálne formy: Kochova krivka a Minkowského „bipolárny skok“.

Je známe, že fraktály umožňujú zmenšiť veľkosť antén, pričom rozmery fraktálnej antény sa porovnávajú s rozmermi symetrického polvlnového lineárneho dipólu. V ďalšom výskume v práci budú drôtové fraktálne antény porovnávané s lineárnym dipólom s /4-ramennými rovnými 78 mm s rezonančnou frekvenciou 900 MHz.

Drôtové fraktálne antény založené na Kochovej krivke

Práca poskytuje vzorce na výpočet fraktálnych antén na základe Kochovej krivky (obrázok 24).

A) n= 0 b) n= 1 c) n = 2

Obrázok 24 - Kochova krivka rôznych iterácií n

Rozmer D zovšeobecnený Kochov fraktál sa vypočíta podľa vzorca:

Ak do vzorca (35) dosadíme štandardný uhol ohybu Kochovej krivky = 60, dostaneme D = 1,262.

Závislosť prvej rezonančnej frekvencie Kochovho dipólu f K z fraktálnej dimenzie D, iteračné čísla n a rezonančná frekvencia priameho dipólu f D rovnakej výšky ako Kochova prerušovaná čiara (v extrémnych bodoch) je určená vzorcom:

Pre obrázok 24, b at n= 1 a D= 1,262 zo vzorca (36) dostaneme:

f K= f D 0,816, f K = 900 MHz 0,816 = 734 MHz. (37)

Pre obrázok 24, c s n = 2 a D = 1,262, zo vzorca (36) získame:

f K= f D 0,696, f K = 900 MHz 0,696 = 626 MHz. (38)

Vzorce (37) a (38) nám umožňujú vyriešiť inverzný problém - ak chceme, aby fraktálne antény pracovali na frekvencii f K = 900 MHz, potom priame dipóly musia pracovať pri nasledujúcich frekvenciách:

pre n = 1 f D = f K / 0,816 = 900 MHz / 0,816 = 1102 MHz, (39)

pre n = 2 fD = fK / 0,696 = 900 MHz / 0,696 = 1293 MHz. (40)

Pomocou grafu na obrázku 22 určíme dĺžky /4-ramien priameho dipólu. Budú rovné 63,5 mm (pre 1102 MHz) a 55 mm (pre 1293 MHz).

Na základe Kochovej krivky boli teda vyrobené 4 fraktálne antény: dve so 4-ramennými rozmermi 78 mm a dve s menšími rozmermi. Obrázky 25-28 ukazujú obrázky obrazovky RK2-47, z ktorej možno experimentálne určiť rezonančné frekvencie.

Tabuľka 2 sumarizuje vypočítané a experimentálne údaje, z ktorých je zrejmé, že teoretické početnosti f T sa líšia od experimentálnych f E nie viac ako 4-9%, a to je celkom dobrý výsledok.

Obrázok 25 - Obrazovka RK2-47 pri meraní antény s Kochovou krivkou iterácie n = 1 s /4 ramenami rovnými 78 mm. Rezonančná frekvencia 767 MHz

Obrázok 26 - Obrazovka RK2-47 pri meraní antény s Kochovou krivkou iterácie n = 1 s /4 ramenami rovnými 63,5 mm. Rezonančná frekvencia 945 MHz

Obrázok 27 - Obrazovka RK2-47 pri meraní antény s Kochovou krivkou iterácie n = 2 s /4 ramenami rovnými 78 mm. Rezonančná frekvencia 658 MHz

Obrázok 28 - Obrazovka RK2-47 pri meraní antény s Kochovou krivkou iterácie n = 2 s /4 ramenami rovnými 55 mm. Rezonančná frekvencia 980 MHz

Tabuľka 2 - Porovnanie vypočítaných (teoretických fT) a experimentálnych fE rezonančných frekvencií fraktálnych antén na základe Kochovej krivky

Drôtové fraktálne antény založené na „bipolárnom skoku“. Smerový vzor

V práci sú popísané fraktálne čiary typu „bipolárny skok“, avšak vzorce na výpočet rezonančnej frekvencie v závislosti od veľkosti antény v práci uvedené nie sú. Preto bolo rozhodnuté určiť rezonančné frekvencie experimentálne. Pre jednoduché fraktálne čiary 1. iterácie (obrázok 29, b) boli vyrobené 4 antény - s dĺžkou /4 ramena rovnajúcou sa 78 mm, s polovičnou dĺžkou a dvoma medzidĺžkami. Pre ťažko vyrobiteľné fraktálne čiary 2. iterácie (obrázok 29, c) boli vyrobené 2 antény so 4 ramenami dĺžky 78 a 39 mm.

Obrázok 30 zobrazuje všetky vyrobené fraktálne antény. Obrázok 31 ukazuje vzhľad experimentálneho usporiadania s fraktálnou anténou 2. iterácie „bipolárneho skoku“. Obrázky 32-37 ukazujú experimentálne určenie rezonančných frekvencií.

A) n= 0 b) n= 1 c) n = 2

Obrázok 29 - Minkowského krivka „bipolárny skok“ rôznych iterácií n

Obrázok 30 - Vzhľad všetky vyrábané drôtové fraktálne antény (priemer drôtu 1 a 0,7 mm)

Obrázok 31 - Experimentálne usporiadanie: panoramatický VSWR a merač útlmu RK2-47 s fraktálnou anténou typu „bipolárny skok“, 2. iterácia

Obrázok 32 - Obrazovka RK2-47 pri meraní „bipolárnej skokovej“ antény iterácie n = 1 s /4 ramenami rovnými 78 mm.

Rezonančná frekvencia 553 MHz

Obrázok 33 - Obrazovka RK2-47 pri meraní „bipolárnej skokovej“ antény iterácie n = 1 s /4 ramenami rovnými 58,5 mm.

Rezonančná frekvencia 722 MHz

Obrázok 34 - Obrazovka RK2-47 pri meraní „bipolárnej skokovej“ antény iterácie n = 1 s /4 ramenami rovnými 48 mm. Rezonančná frekvencia 1012 MHz

Obrázok 35 - Obrazovka RK2-47 pri meraní „bipolárnej skokovej“ antény iterácie n = 1 s /4 ramenami rovnými 39 mm. Rezonančná frekvencia 1200 MHz

Obrázok 36 - Obrazovka RK2-47 pri meraní „bipolárnej skokovej“ antény iterácie n = 2 s /4 ramenami rovnými 78 mm.

Prvá rezonančná frekvencia je 445 MHz, druhá 1143 MHz

Obrázok 37 - Obrazovka RK2-47 pri meraní „bipolárnej skokovej“ antény iterácie n = 2 s /4 ramenami rovnými 39 mm.

Rezonančná frekvencia 954 MHz

Ako ukázali experimentálne štúdie, ak vezmeme symetrický polvlnový lineárny dipól a fraktálnu anténu rovnakej dĺžky (obrázok 38), potom fraktálne antény typu „bipolárneho skoku“ budú pracovať pri nižšej frekvencii (o 50 a 61 %) a fraktálne antény vo forme krivky Koch pracujú pri frekvenciách o 73 a 85 % nižších ako pri lineárnom dipóle. Preto skutočne môžu byť fraktálne antény vyrobené v menších veľkostiach. Obrázok 39 ukazuje rozmery fraktálnych antén pre rovnaké rezonančné frekvencie (900-1000 MHz) v porovnaní s ramenom bežného polvlnného dipólu.

Obrázok 38 - „Konvenčné“ a fraktálne antény rovnakej dĺžky

Obrázok 39 - Veľkosti antén pre rovnaké rezonančné frekvencie

5. Meranie vyžarovacích diagramov fraktálnych antén

Typy žiarenia antény sa zvyčajne merajú v „bezodrazových“ komorách, ktorých steny absorbujú žiarenie, ktoré na ne dopadá. V tejto diplomovej práci boli merania realizované v bežnom laboratóriu FZF a odrazený signál od kovových puzdier nástrojov a železných stojanov vniesol do meraní určitú chybu.

Ako zdroj mikrovlnného signálu bol použitý vlastný generátor panoramatického VSWR a merača útlmu RK2-47. Ako prijímač žiarenia z fraktálnej antény bol použitý hladinomer. elektromagnetického poľa ATT-2592, umožňujúci meranie vo frekvenčnom rozsahu od 50 MHz do 3,5 GHz.

Predbežné merania ukázali, že vyžarovací diagram symetrického polvlnového lineárneho dipólu výrazne skresľuje žiarenie z vonkajšej strany koaxiálneho kábla, ktorý bol priamo (bez zodpovedajúcich zariadení) pripojený k dipólu. Jedným zo spôsobov potlačenia vyžarovania prenosového vedenia je použitie monopólu namiesto dipólu spolu so štyrmi navzájom kolmými /4 „protizávažiami“, ktoré zohrávajú úlohu „zem“ (obrázok 40).

Obrázok 40 - /4 monopólová a fraktálna anténa s „protizávažiami“

Obrázky 41 - 45 ukazujú experimentálne namerané vyžarovacie diagramy skúmaných antén s „protizávažiami“ (rezonančná frekvencia žiarenia sa pri prechode z dipólu na monopól prakticky nemení). Merania hustoty toku výkonu mikrovlnného žiarenia v mikrowattoch na meter štvorcový boli realizované v horizontálnej a vertikálnej rovine v intervaloch 10. Merania boli realizované vo „vzdialenej“ zóne antény vo vzdialenosti 2.

Prvou skúmanou anténou bol priamočiary /4-vibrátor. Z vyžarovacieho diagramu tejto antény je zrejmé (obrázok 41), že sa líši od teoretického. Je to spôsobené chybami merania.

Chyby merania pre všetky skúmané antény môžu byť nasledovné:

Odraz žiarenia od kovových predmetov vo vnútri laboratória;

Nedostatok prísnej vzájomnej kolmosti medzi anténou a protizávažiami;

Nie je úplné potlačenie žiarenia z vonkajšieho plášťa koaxiálneho kábla;

Nepresné čítanie uhlových hodnôt;

Nepresné „zacielenie“ merača ATT-2592 na anténu;

Rušenie z mobilných telefónov.

Pre tých, ktorí nevedia, čo to je a kde sa to používa, môžem povedať, že sledujte videofilmy o fraktáloch. A takéto antény sa v dnešnej dobe používajú všade, napríklad v každom mobilnom telefóne.

Takže koncom roka 2013 nás prišiel navštíviť môj svokor a svokra a potom nás svokra v predvečer novoročného sviatku požiadala o anténu pre ňu malý televízor. Môj svokor sleduje televíziu cez satelit a zvyčajne robí niečo vlastné, ale moja svokra chcela pokojne sledovať novoročné programy bez toho, aby obťažovala môjho svokra.

Dobre, dali sme jej našu slučkovú anténu (330x330 mm štvorec), cez ktorú manželka občas pozerala televíziu.

A vtedy sa blížil čas otvorenia zimných olympijských hier v Soči a manželka povedala: Urobte anténu.

Nie je pre mňa problém vyrobiť ďalšiu anténu, pokiaľ to má účel a zmysel. Sľúbil, že to urobí. A teraz nadišiel ten čas...no myslel som si, že tesať ďalšiu slučkovú anténu je nejaká nuda, veď predsa 21. storočie je na dvore a vtedy som si spomenul, že najprogresívnejšie v konštrukcii antén sú EH-antény. , HZ-antény a fraktálové- antény. Keď som zistil, čo je pre moje podnikanie najvhodnejšie, rozhodol som sa pre fraktálnu anténu. Našťastie som už dávno videl všelijaké filmy o fraktáloch a stiahol všemožné fotografie z internetu. Chcel som teda preniesť myšlienku do materiálnej reality.

Fotografie sú jedna vec, konkrétna implementácia určitého zariadenia druhá. Dlho som sa neobťažoval a rozhodol som sa postaviť anténu na základe obdĺžnikového fraktálu.

Vytiahol som medený drôt s priemerom asi 1 mm, vzal kliešte a začal vyrábať veci... prvý projekt bol plnohodnotný s mnohými fraktálmi. Zo zvyku som to robil dlho, za chladných zimných večerov som to konečne urobil, nalepil celý povrch fraktálu na drevovláknitú dosku pomocou tekutého polyetylénu, priamo prispájkoval kábel v dĺžke asi 1 m, začal som skúšať. Ojoj! A táto anténa prijímala televízne kanály oveľa jasnejšie ako rámová anténa... Tento výsledok ma potešil, čo znamená, že nie nadarmo som pri ohýbaní drôtu do fraktálneho tvaru bojoval a odieral si mozoly.

Prešiel asi týždeň a dostal som názor, že veľkosť novej antény je takmer rovnaká ako rámová anténa, nie je tam žiadna zvláštna výhoda, pokiaľ neberiete do úvahy mierne zlepšenie príjmu. A tak som sa rozhodol namontovať novú fraktálovú anténu s použitím menšieho počtu fraktálov, a teda menšej veľkosti.

Fraktálna anténa. Prvá možnosť

V sobotu 2.8.2014 som vytiahol malý kúsok medeného drôtu, ktorý zostal z prvej fraktálnej antény a celkom rýchlo, asi pol hodiny, som namontoval novú anténu...

Fraktálna anténa. Druhá možnosť

Potom som prispájkoval kábel z prvého a ukázalo sa, že je to kompletné zariadenie. Fraktálna anténa. Druhá možnosť s káblom

Začal som kontrolovať výkon... Páni, sakra! Áno, tento funguje ešte lepšie a prijíma až 10 kanálov vo farbe, čo predtým nebolo možné dosiahnuť pomocou slučkovej antény. Zisk je významný! Ak tiež venujete pozornosť skutočnosti, že moje podmienky príjmu sú úplne nedôležité: druhé poschodie, náš dom je úplne blokovaný od televízneho centra výškovými budovami, nie je tam žiadna priama viditeľnosť, potom je zisk pôsobivý ako na príjme, tak aj na vo veľkosti.

Na internete sú fraktálne antény vyrobené leptaním na sklolaminátovú fóliu... Myslím, že nezáleží na tom, čo robiť a pri televíznej anténe by sa v rámci možností práce na kolene nemali striktne dodržiavať rozmery.

Svet nie je bez dobrých ľudí :-)
Valery UR3CAH: "Dobrý deň, Egor. Myslím si, že tento článok (konkrétne časť "Fraktálne antény: menej je viac") zodpovedá téme vašej stránky a bude vás zaujímať:) 73!"
Áno, samozrejme, je to zaujímavé. Tejto témy sme sa už do istej miery dotkli pri diskusii o geometrii hexabimov. Aj tam bola dilema s “nabalením” elektrickej dĺžky do geometrických rozmerov :-). Takže ďakujem, Valery, veľmi pekne za zaslanie materiálu.
Fraktálne antény: menej je viac
Za posledné polstoročie sa život začal rýchlo meniť. Väčšina z nás akceptuje úspechy moderné technológie za samozrejmosť. Veľmi rýchlo si zvyknete na všetko, čo robí život pohodlnejším. Málokedy si niekto kladie otázku „Odkiaľ to prišlo? a "Ako to funguje?" Mikrovlnná rúra ohrieva raňajky – skvelé, smartfón vám dáva možnosť rozprávať sa s inou osobou – skvelé. Zdá sa nám to ako jasná možnosť.
Ale život mohol byť úplne iný, keby človek nehľadal vysvetlenie udalostí, ktoré sa dejú. Vezmi si napr. Mobilné telefóny. Pamätáte si vysúvacie antény na prvých modeloch? Prekážali, zväčšovali zariadenie a nakoniec sa často rozbili. Veríme, že navždy upadli do zabudnutia a jedným z dôvodov sú... fraktály.
Fraktálne vzory fascinujú svojimi vzormi. Určite pripomínajú obrázky kozmických objektov – hmlovín, kopy galaxií a pod. Je preto celkom prirodzené, že keď Mandelbrot vyjadril svoju teóriu fraktálov, jeho výskum vzbudil zvýšený záujem medzi tými, ktorí študovali astronómiu. Jeden z týchto amatérov menom Nathan Cohen po tom, čo sa zúčastnil prednášky Benoita Mandelbrota v Budapešti, dostal nápad praktické uplatnenie nadobudnuté vedomosti. Je pravda, že to urobil intuitívne a náhoda zohrala v jeho objave dôležitú úlohu. Ako rádioamatér sa Nathan snažil vytvoriť anténu s čo najvyššou citlivosťou.
Jediná cesta zlepšiť parametre antény, ktorá bola v tom čase známa, spočívala vo zväčšení jej geometrických rozmerov. Majiteľ nehnuteľnosti v centre Bostonu, ktorú si Nathan prenajal, bol však kategoricky proti inštalácii veľkých zariadení na strechu. Potom Nathan začal experimentovať s rôznymi tvarmi antén a snažil sa dosiahnuť maximálny výsledok s minimálnou veľkosťou. Inšpirovaný myšlienkou fraktálnych foriem, Cohen, ako sa hovorí, náhodne vyrobil jeden z najznámejších fraktálov z drôtu - „Kochovu snehovú vločku“. S touto krivkou prišiel už v roku 1904 švédsky matematik Helge von Koch. Získa sa rozdelením segmentu na tri časti a nahradením stredného segmentu rovnostranným trojuholníkom bez toho, aby sa strana zhodovala s týmto segmentom. Definícia je trochu náročná na pochopenie, ale na obrázku je všetko jasné a jednoduché.
Existujú aj iné variácie Kochovej krivky, ale približný tvar krivky zostáva podobný.

Keď Nathan pripojil anténu k rádiovému prijímaču, bol veľmi prekvapený – citlivosť sa dramaticky zvýšila. Po sérii experimentov si budúci profesor Bostonskej univerzity uvedomil, že anténa vyrobená podľa fraktálneho vzoru má vysokú účinnosť a pokrýva oveľa širší frekvenčný rozsah v porovnaní s klasickými riešeniami. Navyše tvar antény vo forme fraktálnej krivky umožňuje výrazne zmenšiť geometrické rozmery. Nathan Cohen dokonca prišiel s vetou, ktorá dokazuje, že vytvoriť širokopásmová anténa stačí mu dať tvar sebepodobnej fraktálnej krivky.

Autor si svoj objav nechal patentovať a založil spoločnosť na vývoj a dizajn fraktálnych antén Fractal Antenna Systems, oprávnene veril, že v budúcnosti sa vďaka jeho objavu budú môcť mobilné telefóny zbaviť objemných antén a stať sa kompaktnejšími. V zásade sa tak stalo. Je pravda, že dodnes vedie Nathan právnu bitku veľké korporácie, ktorí svoj objav nelegálne využívajú na výrobu kompaktných komunikačných zariadení. Niektorí známi výrobcovia mobilné zariadenia, ako napríklad Motorola, už uzavreli mierovú dohodu s vynálezcom fraktálnej antény. Pôvodný zdroj

Odoslanie dobrej práce do databázy znalostí je jednoduché. Použite nižšie uvedený formulár

Študenti, postgraduálni študenti, mladí vedci, ktorí pri štúdiu a práci využívajú vedomostnú základňu, vám budú veľmi vďační.

Uverejnené na http://www.allbest.ru/

Úvod

Anténa je rádiové zariadenie určené na vysielanie alebo príjem elektromagnetické vlny. Anténa je jedným z najdôležitejších prvkov akéhokoľvek rádiotechnického systému spojeného s vysielaním alebo príjmom rádiových vĺn. Medzi takéto systémy patria: rádiové komunikačné systémy, rádiové vysielanie, televízia, rádiové ovládanie, rádioreléová komunikácia, radar, rádioastronómia, rádiová navigácia atď.

Konštrukčne sa anténa skladá z drôtov, kovových povrchov, dielektrík a magnetodielektrík. Účel antény ilustruje zjednodušená schéma rádiového spojenia. Vysokofrekvenčné elektromagnetické kmity, modulované užitočným signálom a vytvárané generátorom, sú premieňané vysielacou anténou na elektromagnetické vlny a vyžarované do priestoru. Elektromagnetické vlny sa zvyčajne nedodávajú z vysielača do antény priamo, ale pomocou elektrického vedenia (vedenie na prenos elektromagnetických vĺn, napájač).

V tomto prípade sa pozdĺž napájača šíria s ním spojené elektromagnetické vlny, ktoré sú anténou premieňané na rozbiehavé elektromagnetické vlny voľného priestoru.

Prijímacia anténa zachytáva voľné rádiové vlny a premieňa ich na spojené vlny, ktoré sú privádzané cez napájač do prijímača. V súlade s princípom reverzibility antény sa vlastnosti antény pracujúcej vo vysielacom režime nemenia, keď táto anténa pracuje v režime príjmu.

Na budenie sa používajú aj zariadenia podobné anténam elektromagnetické vibrácie V rôzne druhy vlnovody a objemové rezonátory.

1. Hlavné charakteristiky antén

1.1 Stručné informácie o hlavných parametroch antén

Pri výbere antén sa porovnávajú ich hlavné charakteristiky: prevádzkový frekvenčný rozsah (šírka pásma), zisk, vyžarovací diagram, vstupná impedancia, polarizácia. Kvantitatívne zisk antény Ga ukazuje, koľkokrát je výkon signálu prijímaný danou anténou viac energie signál prijímaný najjednoduchšou anténou - polvlnovým vibrátorom (izotropným žiaričom) umiestneným v rovnakom bode v priestore. Zisk je vyjadrený v decibeloch dB alebo dB. Je potrebné rozlišovať medzi ziskom definovaným vyššie, označeným dB alebo dBd (vo vzťahu k dipólovému alebo polvlnovému vibrátoru) a ziskom vzhľadom na izotropný žiarič, označeným dBi alebo dB ISO. V každom prípade je potrebné porovnávať podobné hodnoty. Je žiaduce mať anténu s vysokým ziskom, ale zvýšenie zisku zvyčajne vyžaduje zvýšenie zložitosti jej konštrukcie a rozmerov. Neexistujú jednoduché malé antény s vysokým ziskom. Vyžarovací diagram (RP) antény ukazuje, ako anténa prijíma signály rôznymi smermi. V tomto prípade je potrebné zvážiť vzor antény v horizontálnej aj vertikálnej rovine. Všesmerové antény v akejkoľvek rovine majú vzor v tvare kruhu, to znamená, že anténa môže prijímať signály zo všetkých strán rovnako, napríklad vyžarovací diagram zvislej tyče v horizontálnej rovine. Smerová anténa je charakterizovaná prítomnosťou jedného alebo niekoľkých vzorových lalokov, z ktorých najväčší sa nazýva hlavný. Zvyčajne sú to okrem hlavného laloku aj zadné a bočné laloky, ktorých úroveň je výrazne nižšia ako u hlavného laloku, čo však zhoršuje výkon antény, preto sa snažia ich úroveň čo najviac znížiť. .

Vstupná impedancia antény sa považuje za pomer okamžitých hodnôt napätia k prúdu signálu v napájacích bodoch antény. Ak je napätie a prúd signálu vo fáze, potom je pomer skutočnou hodnotou a vstupný odpor je čisto aktívny. Pri posune fáz sa okrem aktívnej zložky objavuje aj zložka jalová - indukčná alebo kapacitná, podľa toho, či fáza prúdu zaostáva za napätím alebo ho posúva dopredu. Vstupná impedancia závisí od frekvencie prijímaného signálu. Okrem uvedených hlavných charakteristík majú antény množstvo ďalších dôležitých parametrov, ako je SWR (Standing Wave Ratio), úroveň krížovej polarizácie, rozsah prevádzkových teplôt, zaťaženie vetrom atď.

1.2 Klasifikácia antén

Antény je možné klasifikovať podľa rôznych kritérií: podľa širokopásmového princípu, podľa povahy vyžarujúcich prvkov (antény s lineárnymi prúdmi, resp. vibračné antény, antény vyžarujúce cez apertúru - apertúrne antény, povrchové antény); podľa typu rádiotechnického systému, v ktorom sa anténa používa (antény pre rádiokomunikáciu, pre rozhlasové vysielanie, televíziu atď.). Budeme dodržiavať klasifikáciu sortimentu. Hoci sa antény s rovnakými (typovými) vyžarovacími prvkami veľmi často používajú v rôznych vlnových rozsahoch, ich konštrukcia je odlišná; Výrazne sa líšia aj parametre týchto antén a požiadavky na ne.

Do úvahy sa berú antény s nasledujúcimi vlnovými rozsahmi (názvy rozsahov sú uvedené v súlade s odporúčaniami „Radio Regulations“; názvy, ktoré sú široko používané v literatúre o zariadeniach s anténnym napájačom, sú uvedené v zátvorkách): myriameter (ultra -dlhé) vlny (); kilometrové (dlhé) vlny (); hektometrové (priemerné) vlny (); dekametrové (krátke) vlny (); meterwaves(); decimetrové vlny (); centimeterwaves(); milimetrové vlny (). Posledné štyri pásma sú niekedy kombinované pod spoločným názvom „ultra-short waves“ (VHF).

1.2.1 Anténne pásma

V posledných rokoch sa na trhu rádiovej komunikácie a vysielania objavilo veľké množstvo nových komunikačných systémov na rôzne účely s rôznymi charakteristikami. Z pohľadu používateľov sa pri výbere rádiokomunikačného systému alebo vysielacieho systému v prvom rade dbá na kvalitu komunikácie (vysielania), ako aj na jednoduchosť používania tohto systému (používateľský terminál), ktorá je daná rozmery, hmotnosť, jednoduchosť obsluhy a zoznam doplnkových funkcií. Všetky tieto parametre sú výrazne determinované typom a prevedením anténnych zariadení a prvkov anténno-napájacej cesty uvažovaného systému, bez ktorých je rádiová komunikácia nemysliteľná. Rozhodujúcim faktorom pri konštrukcii a účinnosti antén je ich prevádzkový frekvenčný rozsah.

V súlade s akceptovanou klasifikáciou frekvenčných rozsahov sa rozlišuje niekoľko veľkých tried (skupín) antén, ktoré sa navzájom zásadne líšia: antény rozsahov ultradlhých vĺn (VLF) a dlhých vĺn (LW); stredovlnné (MF) antény; krátkovlnné (HF) antény; antény s ultrakrátkymi vlnami (VHF); mikrovlnné antény.

Najpopulárnejšie v posledných rokoch z hľadiska poskytovania osobných komunikačných služieb, rozhlasového a televízneho vysielania sú HF, VHF a mikrovlnné rádiové systémy, ktorých anténne zariadenia budú uvedené nižšie. Je potrebné poznamenať, že napriek zdanlivej nemožnosti vynájsť niečo nové v anténnom biznise sa v posledných rokoch na základe nových technológií a princípov výrazne zlepšili klasické antény a vyvinuli sa nové antény, ktoré sa zásadne líšia od doterajších existujúce v dizajne, rozmeroch, základných charakteristikách atď. atď., čo viedlo k výraznému zvýšeniu počtu typov anténnych zariadení používaných v moderných rádiových systémoch.

V akomkoľvek rádiovom komunikačnom systéme môžu byť anténne zariadenia určené len na vysielanie, na vysielanie a príjem alebo len na príjem.

Pre každý z frekvenčných rozsahov je tiež potrebné rozlišovať medzi anténnymi systémami rádiových zariadení so smerovým a nesmerovým (všesmerovým) pôsobením, ktoré je zase určené účelom zariadenia (komunikácia, vysielanie atď.) , úlohy riešené zariadením (notifikácia, komunikácia, vysielanie atď.). d.). Vo všeobecnosti možno na zvýšenie smerovosti antén (na zúženie vyžarovacieho diagramu) použiť anténne polia pozostávajúce z elementárnych žiaričov (antén), ktoré za určitých podmienok ich fázovania dokážu zabezpečiť potrebné zmeny smeru vyžarovania. lúč antény v priestore (poskytujú kontrolu polohy vyžarovacieho diagramu antény). V rámci každého rozsahu je tiež možné rozlíšiť anténne zariadenia, ktoré pracujú len na určitej frekvencii (jednofrekvenčné alebo úzkopásmové) a antény, ktoré pracujú v pomerne širokom rozsahu frekvencií (širokopásmové alebo širokopásmové).

1.3 Žiarenie z anténnych polí

Na získanie vysokej smerovosti žiarenia, často požadovanej v praxi, môžete použiť sústavu slabo smerových antén, ako sú vibrátory, štrbiny, otvorené konce vlnovodov a iné, umiestnené určitým spôsobom v priestore a vybudené prúdmi s požadovaným pomer amplitúdy a fázy. V tomto prípade je celková smerovosť, najmä pri veľkom počte žiaričov, daná najmä celkovými rozmermi celého systému a v oveľa menšej miere individuálnymi smerovými vlastnosťami jednotlivých žiaričov.

Takéto systémy zahŕňajú anténne polia (AR). Typicky je AR systém identických vyžarujúcich prvkov, identicky orientovaných v priestore a umiestnených podľa určitého zákona. V závislosti od usporiadania prvkov sa rozlišujú lineárne, povrchové a objemové mriežky, medzi ktorými sú najbežnejšie priamočiare a ploché AR. Niekedy sú vyžarujúce prvky umiestnené pozdĺž kruhového oblúka alebo na zakrivených plochách, ktoré sa zhodujú s tvarom objektu, na ktorom sa nachádza AR (konformný AR).

Najjednoduchšie je lineárne pole, v ktorom sú vyžarujúce prvky umiestnené pozdĺž priamky, nazývanej os poľa, v rovnakých vzdialenostiach od seba (ekvidistantné pole). Vzdialenosť d medzi fázovými stredmi žiaričov sa nazýva rozstup mriežky. Lineárna AR, okrem jej nezávislého významu, je často základom pre analýzu iných typov AR.

2 . Analýza perspektívnych anténnych štruktúr

2.1 HF a VHF antény

Obrázok 1 - Anténa základňovej stanice

V HF a VHF pásma V súčasnosti je v prevádzke veľké množstvo rádiových systémov na rôzne účely: komunikácie (rádiové relé, mobilné, trunkové, satelitné atď.), rozhlasové vysielanie, televízne vysielanie. Podľa konštrukcie a charakteristík možno všetky anténne zariadenia týchto systémov rozdeliť do dvoch hlavných skupín - antény stacionárnych zariadení a antény mobilných zariadení. Stacionárne antény zahŕňajú antény základných komunikačných staníc, prijímacie televízne antény, antény rádioreléových komunikačných liniek a mobilné antény zahŕňajú antény osobných komunikačných užívateľských terminálov, automobilové antény, antény pre nositeľné (prenosné) rádiové stanice.

Antény základňových staníc sú väčšinou všesmerové v horizontálnej rovine, keďže zabezpečujú komunikáciu najmä s pohyblivými objektmi. Najpoužívanejšie vertikálne polarizačné bičové antény sú typu „Ground Plane“ („GP“) kvôli jednoduchosti ich konštrukcie a dostatočnej účinnosti. Takáto anténa je vertikálna tyč dĺžky L, zvolená v súlade s prevádzkovou vlnovou dĺžkou l, s tromi alebo viacerými protizávažiami, zvyčajne inštalovaná na stožiari (obrázok 1).

Dĺžka kolíkov L je l/4, l/2 a 5/8l a protizávažia sa pohybujú od 0,25l do 0,1l. Vstupná impedancia antény závisí od uhla medzi protizávažím a stožiarom: čím menší je tento uhol (čím viac sú protizávažia pritlačené k stožiaru), tým väčší je odpor. Najmä pre anténu s L = l/4 sa dosiahne vstupná impedancia 50 Ohmov pri uhle 30°...45°. Vyžarovací diagram takejto antény vo vertikálnej rovine má maximum pod uhlom 30° k horizontu. Zisk antény sa rovná zisku vertikálneho polvlnného dipólu. V tomto prevedení však neexistuje spojenie medzi čapom a stožiarom, čo si vyžaduje dodatočné využitie skratovaný kábel s dĺžkou kábla l/4 na ochranu antény pred búrkami a statickou elektrinou.

Anténa s dĺžkou L = l/2 nepotrebuje protizávažia, ktorých úlohu zohráva stožiar a jej vzor vo vertikálnej rovine je viac pritlačený k horizontu, čím sa zväčší jej dosah. V tomto prípade sa na zníženie vstupnej impedancie používa vysokofrekvenčný transformátor a základňa kolíka je pripojená k uzemnenému stožiaru cez zodpovedajúci transformátor, ktorý automaticky rieši problém ochrany pred bleskom a statickej elektriny. Zisk antény v porovnaní s polvlnným dipólom je asi 4 dB.

Najúčinnejšia z „GP“ antén pre komunikáciu na veľké vzdialenosti je anténa s L = 5/8l. Je o niečo dlhšia ako polvlnová anténa a napájací kábel je pripojený k zodpovedajúcej indukčnosti umiestnenej na základni vibrátora. Protizávažia (najmenej 3) sú umiestnené v horizontálnej rovine. Zisk takejto antény je 5-6 dB, maximálny DP je umiestnený pod uhlom 15° k horizontále a samotný kolík je uzemnený k stožiaru cez zodpovedajúcu cievku. Tieto antény sú užšie ako polvlnové antény, a preto vyžadujú starostlivejšie ladenie.

Obrázok 2 - Polvlnná vibračná anténa

Obrázok 3 - Kosoštvorcová anténa polvlnového vibrátora

Väčšina základných antén je inštalovaná na strechách, čo môže výrazne ovplyvniť ich výkon, takže je potrebné zvážiť nasledujúce:

Základňu antény je vhodné umiestniť nie nižšie ako 3 metre od roviny strechy;

V blízkosti antény by nemali byť žiadne kovové predmety ani konštrukcie ( televízne antény, drôty atď.);

Odporúča sa inštalovať antény čo najvyššie;

Prevádzka antény by nemala rušiť iné základňové stanice.

Významnú úlohu pri vytváraní stabilnej rádiovej komunikácie zohráva polarizácia prijímaného (emitovaného) signálu; keďže s šírením na veľké vzdialenosti povrchová vlna dochádza k výrazne menšiemu útlmu pri horizontálnej polarizácii, potom sa pre diaľkovú rádiovú komunikáciu, ako aj pre televízny prenos používajú antény s horizontálnou polarizáciou (vibrátory sú umiestnené horizontálne).

Najjednoduchšia zo smerových antén je polvlnový vibrátor. Pre symetrický polvlnový vibrátor je celková dĺžka jeho dvoch rovnakých ramien približne rovná l/2 (0,95 l/2), vyžarovací diagram má v horizontálnej rovine tvar osmičky a vo zvislej kružnici. lietadlo. Zisk, ako je uvedené vyššie, sa berie ako jednotka merania.

Ak je uhol medzi vibrátormi takejto antény rovný b<180є, то получают антенну типа V, у которой ДН складывается из ДН составных её частей, причём угол раскрыва зависит от длины вибратора (рисунок 2). Так, например, при L =л получаем б=100є, а при L = 2л, б =70є, а усиление равно 3,5 дБ и 4,5 дБ, входное сопротивление - 100 и 120 Ом соответственно.

Keď sú dve antény typu V spojené takým spôsobom, že ich vzory sú sčítané, získa sa kosoštvorcová anténa, v ktorej je smerovosť oveľa výraznejšia (obrázok 3).

Pri pripojení k hornej časti diamantu oproti napájacím bodom sa dosiahne záťažový odpor Rn, rozptylový výkon rovnajúci sa polovici výkonu vysielača, potlačenie zadného laloku vzoru o 15...20 dB. Smer hlavného laloka v horizontálnej rovine sa zhoduje s uhlopriečkou a. Vo vertikálnej rovine je hlavný lalok orientovaný horizontálne.

Jednou z najlepších relatívne jednoduchých smerových antén je slučková anténa „double square“, ktorej zisk je 8...9 dB, potlačenie zadného laloku vzoru nie je menšie ako 20 dB, polarizácia je vertikálna.

Obrázok 4 - Anténa s vlnovým kanálom

Najrozšírenejšie, najmä v oblasti VHF, sú antény typu „vlnový kanál“ (v zahraničnej literatúre - antény Uda-Yagi), pretože sú pomerne kompaktné a poskytujú veľké hodnoty Ga s relatívne malými rozmermi. Antény tohto typu sú súborom prvkov: aktívny - vibrátor a pasívny - reflektor a niekoľko riaditeľov inštalovaných na jednom spoločnom ramene (obrázok 4). Takéto antény, najmä tie s veľkým počtom prvkov, vyžadujú starostlivé ladenie pri výrobe. Pre trojprvkovú anténu (vibrátor, reflektor a jeden direktor) možno základné charakteristiky dosiahnuť bez dodatočnej konfigurácie.

Zložitosť antén tohto typu spočíva aj v tom, že vstupná impedancia antény závisí od počtu pasívnych prvkov a výrazne závisí od konfigurácie antény, preto literatúra často neuvádza presnú hodnotu vstupná impedancia takýchto antén. Najmä pri použití slučkového vibrátora Pistolkors, ktorý má vstupnú impedanciu asi 300 ohmov, ako vibrátora, s nárastom počtu pasívnych prvkov vstupná impedancia antény klesá a dosahuje hodnoty 30-50 Ohmy, čo vedie k nesúladu s podávačom a vyžaduje dodatočné prispôsobenie. S nárastom počtu pasívnych prvkov sa vzor antény zužuje a zisk sa zvyšuje, napríklad u trojprvkovej a päťprvkovej antény sú zisky 5...6 dB a 8...9 dB s šírka hlavného lúča vzoru 70º a 50º.

Väčšie širokopásmové pripojenie v porovnaní s anténami typu „vlnový kanál“ a nevyžadujúce ladenie sú antény s pohyblivou vlnou (AWA), v ktorých sú všetky vibrátory umiestnené v rovnakej vzdialenosti od seba navzájom aktívne a pripojené k zbernému vedeniu (obrázok 5). Energia signálu, ktorú prijímajú, sa sčítava v zbernom potrubí takmer vo fáze a vstupuje do podávača. Zisk takýchto antén je určený dĺžkou zberného vedenia, je úmerný pomeru tejto dĺžky k vlnovej dĺžke prijímaného signálu a závisí od smerových vlastností vibrátorov. Najmä pre ABC so šiestimi vibrátormi rôznych dĺžok zodpovedajúcimi požadovanému frekvenčnému rozsahu a umiestnenými pod uhlom 60° k zbernému vedeniu sa zisk pohybuje od 4 dB do 9 dB v rámci prevádzkového rozsahu a úroveň spätného žiarenia je o 14 dB nižšia.

Obrázok 5 - Anténa s pohyblivou vlnou

Obrázok 6 - Anténa so štruktúrou logaritmickej periodicity alebo logaritmickou periodickou anténou

Smerové vlastnosti uvažovaných antén sa líšia v závislosti od vlnovej dĺžky prijímaného signálu. Jedným z najbežnejších typov antén s konštantným tvarom obrazca v širokom frekvenčnom rozsahu sú antény s logaritmickou periodicitou štruktúry alebo logaritmicky periodické antény (LPA). Majú široký rozsah: maximálna vlnová dĺžka prijímaného signálu presahuje minimum viac ako 10-krát. Zároveň je zabezpečené dobré zladenie antény s napájačom v celom prevádzkovom rozsahu a zisk zostáva prakticky nezmenený. Zberné vedenie LPA je zvyčajne tvorené dvoma nad sebou umiestnenými vodičmi, ku ktorým sú vodorovne pripevnené ramená vibrátorov, jeden po druhom (obrázok 6, pohľad zhora).

Ukázalo sa, že vibrátory LPA sú vpísané do rovnoramenného trojuholníka s uhlom vo vrchole b a základňou rovnajúcou sa najväčšiemu vibrátoru. Prevádzková šírka pásma antény je určená rozmermi najdlhších a najkratších vibrátorov. Pre logaritmickú štruktúru antény musí byť splnený určitý vzťah medzi dĺžkami susedných vibrátorov, ako aj medzi vzdialenosťami od nich k hornej časti konštrukcie. Tento vzťah sa nazýva obdobie štruktúry f:

B2? B1=B3? B2 = A2? A1=A3? A2=...=f

Veľkosť vibrátorov a vzdialenosť k nim od vrcholu trojuholníka sa teda exponenciálne zmenšujú. Charakteristiky antény sú určené hodnotami f a b. Čím menší je uhol b a čím väčšie b (b je vždy menšie ako 1), tým väčší je zisk antény a tým nižšia je úroveň zadného a bočného laloka vyžarovacieho diagramu. Zároveň sa však zvyšuje počet vibrátorov a zvyšujú sa rozmery a hmotnosť antény. Optimálne hodnoty pre uhol b sú zvolené v rozmedzí 3є…60є a φ - 0,7…0,9.

V závislosti od vlnovej dĺžky prijímaného signálu je v štruktúre antény vybudených niekoľko vibrátorov, ktorých veľkosti sa najviac približujú polovici vlnovej dĺžky signálu, preto je LPA v princípe podobná viacerým „vlnovým kanálom“ anténam, ktoré sú navzájom spojené. ktorý obsahuje vibrátor, reflektor a direkt . Pri určitej vlnovej dĺžke signálu je vybudená iba jedna trojica vibrátorov a ostatné sú tak rozladené, že neovplyvňujú činnosť antény. Preto sa zisk LPA ukáže byť menší ako zisk „vlnovej kanálovej“ antény s rovnakým počtom prvkov, ale šírka pásma LPA sa ukáže byť oveľa širšia. Pre LPA pozostávajúcu z desiatich vibrátorov a hodnôt b = 45є, f = 0,84 je vypočítaný zisk 6 dB, čo sa prakticky nemení v celom rozsahu prevádzkových frekvencií.

Pre rádioreléové komunikačné linky je veľmi dôležité mať úzky vyžarovací diagram, aby nedochádzalo k rušeniu iných rádioelektronických zariadení a bola zabezpečená kvalitná komunikácia. Na zúženie vzoru sa široko používajú anténne polia (AR), ktoré zužujú vzor v rôznych rovinách a poskytujú rôzne hodnoty šírky hlavného laloka. Je celkom jasné, že geometrické rozmery anténneho poľa a charakteristiky vyžarovacieho diagramu výrazne závisia od rozsahu prevádzkových frekvencií - čím vyššia frekvencia, tým kompaktnejšie pole bude a tým užší vyžarovací diagram, a teda , tým väčší zisk. Pre rovnaké frekvencie sa so zvyšujúcou sa veľkosťou AR (počet elementárnych žiaričov) vzor zužuje.

Pre pásmo VHF sa často používajú polia pozostávajúce z vibračných antén (slučkových vibrátorov), ktorých počet môže dosiahnuť niekoľko desiatok, zisk sa zvyšuje na 15 dB a viac a šírka vzoru v akejkoľvek rovine sa môže zúžiť na 10º , napríklad pre 16 vertikálne umiestnených slučkových vibrátorov vo frekvenčnom rozsahu 395...535 MHz sa vzor zužuje vo vertikálnej rovine na 10º.

Hlavným typom antén používaných v užívateľských termináloch sú vertikálne polarizované bičové antény, ktoré majú kruhový vzor v horizontálnej rovine. Účinnosť týchto antén je pomerne nízka v dôsledku nízkych hodnôt zisku, ako aj v dôsledku vplyvu okolitých objektov na vyžarovací diagram, ako aj nedostatku správneho uzemnenia a obmedzení geometrických rozmerov antén. Ten vyžaduje kvalitné prispôsobenie antény vstupným obvodom rádiového zariadenia. Typickými možnosťami prispôsobenia dizajnu sú indukčnosť rozložená pozdĺž dĺžky a indukčnosť v spodnej časti antény. Na zvýšenie dosahu rádiovej komunikácie sa používajú špeciálne predĺžené antény dlhé niekoľko metrov, čím sa dosahuje výrazné zvýšenie úrovne prijímaného signálu.

V súčasnosti existuje veľa typov automobilových antén, ktoré sa líšia vzhľadom, dizajnom a cenou. Tieto antény podliehajú prísnym požiadavkám na mechanické, elektrické, prevádzkové a estetické parametre. Najlepšie výsledky z hľadiska komunikačného dosahu dosahuje anténa plnej veľkosti s dĺžkou l/4, avšak veľké geometrické rozmery nie sú vždy vyhovujúce, preto sa používajú rôzne spôsoby skracovania antén bez výrazného zhoršenia ich vlastností. Poskytnúť mobilné komunikácie V automobiloch je možné použiť mikropáskové rezonančné antény (jednopásmové, dvojpásmové a trojpásmové), ktoré nevyžadujú inštaláciu vonkajších dielov, pretože sú pripevnené k vnútornej strane skla auta. Takéto antény zabezpečujú príjem a vysielanie vertikálne polarizovaných signálov vo frekvenčnom rozsahu 450...1900 MHz a majú zisk až 2 dB.

2.1.1 Všeobecné charakteristiky mikrovlnných antén

V oblasti mikrovlnných rúr sa v posledných rokoch zvýšil aj počet komunikačných a vysielacích systémov, či už predtým existujúcich alebo novo vyvinutých. Pre pozemné systémy - to sú rádiové reléové komunikačné systémy, rozhlasové a televízne vysielanie, systémy bunkovej televízie atď., Pre satelitné systémy - priame televízne vysielanie, telefón, fax, pagingová komunikácia, videokonferencie, prístup na internet atď. Frekvenčné rozsahy používané pre tieto typy komunikácií a vysielania zodpovedajú úsekom frekvenčného spektra prideleným na tieto účely, pričom hlavné sú: 3,4...4,2 GHz; 5,6...6,5 GHz; 10,7…11,7 GHz; 13,7…14,5 GHz; 17,7…19,7 GHz; 21,2…23,6 GHz; 24,5…26,5 GHz; 27,5…28,5 GHz; 36…40 GHz. Niekedy v technickej literatúre mikrovlnný rozsah zahŕňa systémy pracujúce pri frekvenciách nad 1 GHz, hoci tento rozsah striktne začína od 3 GHz.

Pre pozemné mikrovlnné systémy sú anténne zariadenia malorozmerné zrkadlové, klaksónové, rohovinové-šošovkové antény, inštalované na stožiaroch a chránené pred škodlivými atmosférickými vplyvmi. Smerové antény, v závislosti od ich účelu, dizajnu a frekvenčného rozsahu, majú širokú škálu charakteristík, a to: v zisku - od 12 do 50 dB, v šírke lúča (úroveň - 3 dB) - od 3,5 do 120 °. Okrem toho bunkové televízne systémy používajú bikónické všesmerové (v horizontálnej rovine) antény, ktoré pozostávajú z dvoch kovových kužeľov, ktorých vrcholy smerujú k sebe, dielektrickej šošovky inštalovanej medzi kužeľmi a budiaceho zariadenia. Takéto antény majú zisk 7...10 dB, šírka hlavného laloku vo vertikálnej rovine je 8...15є a úroveň bočných lalokov nie je horšia ako mínus 14 dB.

3. Analýza možných metód syntézy anténnych fraktálnych štruktúr

3.1 Fraktálne antény

Fraktálne antény sú relatívne novou triedou elektricky malých antén (EMA), ktoré sa svojou geometriou zásadne líšia od známych riešení. Tradičný vývoj antén bol v skutočnosti založený na euklidovskej geometrii, pracujúcej s objektmi celočíselnej dimenzie (čiara, kružnica, elipsa, paraboloid atď.). Hlavným rozdielom medzi fraktálnymi geometrickými formami je ich zlomková dimenzia, ktorá sa navonok prejavuje rekurzívnym opakovaním pôvodných deterministických alebo náhodných vzorov na rastúcej alebo klesajúcej škále. Fraktálne technológie sa rozšírili vo vývoji nástrojov na filtrovanie signálov, syntéze trojrozmerných počítačových modelov prírodnej krajiny a kompresie obrazu. Je celkom prirodzené, že fraktálna „móda“ neobišla ani teóriu antén. Navyše prototypom moderných fraktálových technológií v anténnej technike boli logaritmicky periodické a špirálové návrhy navrhnuté v polovici 60. rokov minulého storočia. Je pravda, že v prísnom matematickom zmysle nemali takéto štruktúry v čase vývoja žiadny vzťah k fraktálnej geometrii, v skutočnosti boli iba fraktálmi prvého druhu. V súčasnosti sa výskumníci, hlavne prostredníctvom pokusov a omylov, snažia využiť známe fraktály v geometrii v anténových riešeniach. Výsledkom simulačného modelovania a experimentov sa zistilo, že fraktálne antény umožňujú získať takmer rovnaký zisk ako konvenčné, ale s menšími rozmermi, čo je dôležité pre mobilné aplikácie. Uvažujme o výsledkoch získaných v oblasti vytvárania fraktálnych antén rôznych typov.

Výsledky štúdií charakteristík nového dizajnu antény publikované Cohenom pritiahli pozornosť špecialistov. Vďaka úsiliu mnohých výskumníkov sa dnes teória fraktálnych antén zmenila na nezávislý, pomerne vyvinutý prístroj na syntézu a analýzu EMA.

3.2 Vlastnostifraktálne antény

SFC môžu byť použité ako šablóny na výrobu monopólov a dipólových ramien, na vytváranie topológie tlačených antén, povrchov na výber frekvencie (FSS) alebo plášťov reflektorov, na vytváranie obrysov slučkových antén a profilov otvorov rohov, ako aj na frézovanie štrbín v štrbinových anténach.

Experimentálne údaje získané špecialistami z Cushcraft pre Kochovu krivku, štyri iterácie štvorcovej vlny a špirálovej antény nám umožňujú porovnať elektrické vlastnosti Kochovej antény s inými žiaričmi s periodickou štruktúrou. Všetky porovnávané žiariče mali multifrekvenčné vlastnosti, čo sa prejavilo prítomnosťou periodických rezonancií v impedančných grafoch. Pre viacpásmové aplikácie je však najvhodnejší Kochov fraktál, u ktorého s rastúcou frekvenciou vrcholové hodnoty reaktívnych a aktívnych odporov klesajú, zatiaľ čo pre meander a špirálu stúpajú.

Vo všeobecnosti je potrebné poznamenať, že je ťažké teoreticky si predstaviť mechanizmus interakcie medzi fraktálnou prijímacou anténou a elektromagnetickými vlnami, ktoré na ňu dopadajú, kvôli nedostatku analytického popisu vlnových procesov vo vodiči s komplexnou topológiou. V takejto situácii je vhodné určiť hlavné parametre fraktálnych antén matematickým modelovaním.

Príklad zostrojenia prvej sebepodobnej fraktálnej krivky predviedol v roku 1890 taliansky matematik Giuseppe Peano. V limite čiara, ktorú navrhol, úplne vypĺňa štvorec a prechádza okolo všetkých jeho bodov (obrázok 9). Následne sa našli ďalšie podobné objekty, ktoré dostali všeobecný názov „Peano curves“ po objaviteľovi ich rodiny. Je pravda, že kvôli čisto analytickému popisu krivky, ktorý navrhol Peano, došlo pri klasifikácii línií SFC k určitému zmätku. V skutočnosti by názov „Peano curves“ mal dostať iba pôvodné krivky, ktorých konštrukcia zodpovedá analytike publikovanej spoločnosťou Peano (obrázok 10).

Obrázok 9 - Iterácie Peanovej krivky: a) počiatočná čiara, b) prvá, c) druhá a d) tretia iterácia

Obrázok 10 - Iterácie lomenej čiary, ktorú navrhol Hilbert v roku 1891

Často sa interpretuje ako rekurzívna Peanova krivka

Preto, aby sme špecifikovali predmety uvažovanej anténnej techniky, pri popise tej či onej formy fraktálnej antény by sme mali, ak je to možné, uviesť mená autorov, ktorí navrhli zodpovedajúcu modifikáciu SFC. Je to o to dôležitejšie, že podľa odhadov sa počet známych odrôd SFC blíži k trom stovkám a toto číslo nie je limitné.

Treba poznamenať, že Peanova krivka (obrázok 9) vo svojej pôvodnej podobe je celkom vhodná na vytváranie štrbín v stenách vlnovodu, tlačených a iných apertúrových fraktálnych antén, ale nie je prijateľná na konštrukciu drôtovej antény, pretože sa dotýka oddielov. Preto špecialisti Fractus navrhli jeho modifikáciu s názvom „Peanodec“ (obrázok 11).

Obrázok 11 - Variant modifikácie Peanovej krivky („Peanodec“): a) prvá, b) druhá c) tretia iterácia

Sľubnou aplikáciou antén s topológiou Koch sú komunikačné systémy MIMO (komunikačné systémy s mnohými vstupmi a výstupmi). Na miniaturizáciu anténnych polí používateľských terminálov v takejto komunikácii navrhli špecialisti z Laboratória elektromagnetizmu Univerzity v Patrase (Grécko) fraktálnu podobnosť s invertovanou L-anténou (ILA). Podstata myšlienky spočíva v ohnutí vibrátora Koch o 90° v bode, ktorý ho rozdelí na segmenty s pomerom dĺžky 2:1. Pre mobilnú komunikáciu s nosnou frekvenciou ~2,4 Hz sú rozmery takto vytlačenej antény 12,33×10,16 mm (~L/10ChL/12), šírka pásma je ~20% a účinnosť je 93%.

Obrázok 12 - Príklad dvojpásmového (2,45 a 5,25 GHz) anténneho poľa

Azimutový vyžarovací diagram je takmer rovnomerný, zisk z hľadiska vstupu podávača je ~3,4 dB. Je pravda, ako je uvedené v článku, prevádzka takýchto tlačených prvkov ako súčasti mriežky (obrázok 12) je sprevádzaná znížením ich účinnosti v porovnaní s jedným prvkom. Pri frekvencii 2,4 GHz teda účinnosť Kochovho monopólu ohnutého o 90 ° klesá z 93 na 72% a pri frekvencii 5,2 GHz - z 90 na 80%. O niečo lepšia je situácia pri vzájomnom ovplyvňovaní antén vo vysokofrekvenčnom pásme: pri frekvencii 5,25 GHz je izolácia medzi prvkami tvoriacimi centrálny pár antén 10 dB. Čo sa týka vzájomného ovplyvňovania vo dvojici susediacich prvkov rôznych rozsahov, v závislosti od frekvencie signálu sa izolácia pohybuje od 11 dB (pri 2,45 GHz) do 15 dB (pri frekvencii 5,25 GHz). Dôvodom zhoršenia výkonu antény je vzájomné ovplyvňovanie tlačených prvkov.

Schopnosť výberu mnohých rôznych parametrov anténneho systému na základe Kochovej prerušovanej čiary teda umožňuje návrhu uspokojiť rôzne požiadavky na hodnotu vnútorného odporu a rozloženie rezonančných frekvencií. Keďže však vzájomnú závislosť rekurzívneho rozmeru a charakteristík antény možno získať len pre určitú geometriu, platnosť uvažovaných vlastností pre iné rekurzívne konfigurácie si vyžaduje ďalší výskum.

3.3 Charakteristika fraktálnych antén

Kochova fraktálna anténa znázornená na obrázku 13 alebo 20 je len jednou z možností, ktoré je možné realizovať pomocou rovnostranného iniciačného rekurzného trojuholníka, t.j. uhol a pri jeho základni (uhol vtlačenia alebo „uhol vtlačenia“) je 60°. Táto verzia Kochovho fraktálu sa zvyčajne nazýva štandardná. Je celkom prirodzené uvažovať, či je možné použiť modifikácie fraktálu s inými hodnotami tohto uhla. Vinoy navrhol zvážiť uhol pri základni iniciačného trojuholníka ako parameter charakterizujúci konštrukciu antény. Zmenou tohto uhla môžete získať podobné rekurzívne krivky rôznych rozmerov (obrázok 13). Krivky si zachovávajú vlastnosť vlastnej podobnosti, no výsledná dĺžka vedenia môže byť rôzna, čo ovplyvňuje charakteristiku antény. Vinoy ako prvý študoval koreláciu medzi vlastnosťami antény a rozmerom zovšeobecneného Kochovho fraktálu D, určeným vo všeobecnom prípade závislosťou

(1)

Ukázalo sa, že so zväčšujúcim sa uhlom sa zväčšuje aj rozmer fraktálu a pri u>90° sa približuje k 2. Treba poznamenať, že koncept rozmeru používaný v teórii fraktálnych antén trochu odporuje konceptom akceptovaným v geometrii. , kde je toto opatrenie aplikovateľné len na nekonečne rekurzívne objekty.

Obrázok 13 - Konštrukcia Kochovej krivky s uhlom a) 30° ab) 70° pri základni trojuholníka v generátore fraktálov

Keď sa rozmer zväčšuje, celková dĺžka prerušovanej čiary sa zväčšuje nelineárne, čo je určené vzťahom:

(2)

kde L0 je dĺžka lineárneho dipólu, ktorého vzdialenosť medzi koncami je rovnaká ako vzdialenosť Kochovej prerušovanej čiary, n je iteračné číslo. Prechod z u = 60° na u = 80° pri šiestej iterácii umožňuje zväčšiť celkovú dĺžku prefraktálu viac ako štvornásobne. Ako by ste očakávali, existuje priamy vzťah medzi rekurzívnym rozmerom a takými vlastnosťami antény, ako je primárna rezonančná frekvencia, vnútorný odpor pri rezonancii a viacpásmové charakteristiky. Na základe počítačových výpočtov Vinoy získal závislosť prvej rezonančnej frekvencie Kochovho dipólu fk od rozmeru prefraktálu D, iteračného čísla n a rezonančnej frekvencie priamočiareho dipólu fD rovnakej výšky ako Kochova prerušovaná čiara ( v extrémnych bodoch):

(3)

Obrázok 14 - Efekt úniku elektromagnetických vĺn

Vo všeobecnom prípade pre vnútorný odpor Kochovho dipólu na prvej rezonančnej frekvencii platí nasledujúci približný vzťah:

(4)

kde R0 je vnútorný odpor lineárneho dipólu (D=1), ktorý sa v uvažovanom prípade rovná 72 Ohmom. Pomocou výrazov (3) a (4) možno určiť geometrické parametre antény s požadovanými hodnotami rezonančnej frekvencie a vnútorného odporu. Viacpásmové vlastnosti Kochovho dipólu sú tiež veľmi citlivé na hodnotu uhla u. S nárastom sa nominálne hodnoty rezonančných frekvencií približujú, a preto sa ich počet v danom spektrálnom rozsahu zvyšuje (obrázok 15). Navyše, čím vyššie je iteračné číslo, tým silnejšia je táto konvergencia.

Obrázok 15 - Vplyv zúženia intervalu medzi rezonančnými frekvenciami

Na Pensylvánskej univerzite sa skúmal ďalší dôležitý aspekt Kochovho dipólu – vplyv asymetrie jeho napájania na mieru, do akej sa vnútorný odpor antény blíži k 50 Ohmom. V lineárnych dipóloch je miesto napájania často umiestnené asymetricky. Rovnaký prístup je možné použiť pre fraktálnu anténu vo forme Kochovej krivky, ktorej vnútorný odpor je menší ako štandardné hodnoty. V tretej iterácii je teda vnútorný odpor štandardného Kochovho dipólu (u = 60°), bez zohľadnenia strát pri pripojení napájača v strede, 28 Ohmov. Presunutím podávača na jeden koniec antény možno dosiahnuť odpor 50 ohmov.

Všetky doteraz uvažované konfigurácie Kochovej prerušovanej čiary boli syntetizované rekurzívne. Ak však podľa Vina toto pravidlo porušíte, najmä špecifikovaním rôznych uhlov a? S každou novou iteráciou je možné meniť vlastnosti antény s väčšou flexibilitou. Pre zachovanie podobnosti je vhodné zvoliť bežnú schému zmeny uhla a. Zmeňte ho napríklad podľa lineárneho zákona иn = иn-1 - Di·n, kde n je iteračné číslo, Di? - prírastok uhla v základni trojuholníka. Variantom tohto princípu konštrukcie prerušovanej čiary je nasledujúca postupnosť uhlov: u1 = 20° pre prvú iteráciu, u2 = 10° pre druhú atď. Konfigurácia vibrátora v tomto prípade nebude striktne rekurzívna, avšak všetky jeho segmenty syntetizované v jednej iterácii budú mať rovnakú veľkosť a tvar. Preto je geometria takejto hybridnej prerušovanej čiary vnímaná ako sebepodobná. S malým počtom iterácií spolu so záporným prírastkom Di možno použiť kvadratickú alebo inú nelineárnu zmenu uhla un.

Uvažovaný prístup umožňuje nastaviť rozloženie rezonančných frekvencií antény a hodnoty jej vnútorného odporu. Preskupenie poradia meniacich sa hodnôt uhla v iteráciách však nedáva ekvivalentný výsledok. Pre rovnakú výšku prerušovanej čiary, rôzne kombinácie rovnakých uhlov, napríklad u1 = 20°, u2 = 60° a u1 = 60°, u2 = 20° (obrázok 16), dávajú rovnakú rozšírenú dĺžku prefraktálov. Ale na rozdiel od očakávania úplná zhoda parametrov nezabezpečuje identitu rezonančných frekvencií a identitu viacpásmových vlastností antén. Dôvodom je zmena vnútorného odporu segmentov prerušovanej čiary, t.j. Kľúčovú úlohu zohráva konfigurácia vodiča, nie jeho veľkosť.

Obrázok 16 - Generalizované Kochove prefraktály druhej iterácie so záporným prírastkom Dq (a), kladným prírastkom Dq (b) a tretej iterácie so záporným prírastkom Dq = 40°, 30°, 20° (c)

4. Príklady fraktálnych antén

4.1 Prehľad antény

Anténne témy sú jednou z najsľubnejších a najzaujímavejších v modernej teórii prenosu informácií. Táto túžba rozvíjať práve túto oblasť vedeckého rozvoja je spojená s neustále sa zvyšujúcimi požiadavkami na rýchlosť a spôsoby prenosu informácií v modernom technologickom svete. Každý deň, keď spolu komunikujeme, prenášame informácie pre nás prirodzeným spôsobom - vzduchom. Presne rovnakým spôsobom prišli vedci s nápadom naučiť komunikovať početné počítačové siete.

Výsledkom bol vznik noviniek v tejto oblasti, ich schválenie na trhu s výpočtovou technikou a neskôr prijatie štandardov pre bezdrôtový prenos informácií. Dnes sú už prenosové technológie ako BlueTooth a WiFi schválené a všeobecne akceptované. Vývoj sa však nekončí a nemôže zastaviť, objavujú sa nové požiadavky a nové želania trhu.

Prenosové rýchlosti, tak úžasne vysoké v dobe vývoja technológií, dnes už nespĺňajú požiadavky a želania používateľov tohto vývoja. Niekoľko popredných vývojových centier spustilo nový projekt WiMAX s cieľom zvýšiť rýchlosť na základe rozšírenia kanálov v existujúcom štandarde WiFi. Aké miesto má v tom všetkom téma antény?

Problém rozšírenia prenosového kanála možno čiastočne vyriešiť zavedením ešte väčšej kompresie, než je existujúca. Použitie fraktálnych antén tento problém vyrieši lepšie a efektívnejšie. Dôvodom je, že fraktálne antény a na nich založené frekvenčne selektívne povrchy a objemy majú jedinečné elektrodynamické vlastnosti, a to: širokopásmové pripojenie, opakovateľnosť šírok pásiem vo frekvenčnom rozsahu atď.

4.1.1 Konštrukcia Cayleyho stromu

Strom Cayley je jedným z klasických príkladov fraktálnych množín. Jeho nulová iterácia je len úsečka priamky danej dĺžky l. Prvá a každá nasledujúca nepárna iterácia pozostáva z dvoch segmentov presne rovnakej dĺžky l ako predchádzajúca iterácia, ktoré sú umiestnené kolmo na segment predchádzajúcej iterácie tak, že jej konce sú spojené so stredom segmentov.

Druhá a každá nasledujúca párna iterácia fraktálu sú dva segmenty l/2 polovičnej dĺžky predchádzajúcej iterácie, umiestnené ako predtým, kolmo na predchádzajúcu iteráciu.

Výsledky konštrukcie Cayleyho stromu sú znázornené na obrázku 17. Celková výška antény je 15/8l a šírka 7/4l.

Obrázok 17 - Stavba stromu Cayley

Výpočty a analýza antény „Cayley Tree“ Boli vykonané teoretické výpočty fraktálnej antény vo forme Cayley Tree 6. rádu. Na vyriešenie tohto praktického problému bol použitý pomerne výkonný nástroj na rigorózny výpočet elektrodynamických vlastností vodivých prvkov - program EDEM. Výkonné nástroje a užívateľsky prívetivé rozhranie tohto programu ho robia nevyhnutným pre túto úroveň výpočtov.

Autori stáli pred úlohou navrhnúť anténu, odhadnúť teoretické hodnoty rezonančných frekvencií príjmu a prenosu signálu a prezentovať problém v rozhraní programového jazyka EDEM. Navrhnutá fraktálna anténa založená na „Cayley Tree“ je znázornená na obrázku 18.

Potom sa do navrhnutej fraktálnej antény poslala rovinná elektromagnetická vlna a program vypočítal šírenie poľa pred a za anténou a vypočítal elektrodynamické charakteristiky fraktálnej antény.

Výsledky výpočtov fraktálnej antény „Cayley Tree“, ktoré vykonali autori, nám umožnili vyvodiť nasledujúce závery. Je ukázané, že séria rezonančných frekvencií sa opakuje približne na dvojnásobku predchádzajúcej frekvencie. Boli určené prúdové rozvody na povrchu antény. Študovali sa oblasti celkového prenosu a úplného odrazu elektromagnetického poľa.

Obrázok 18 - Cayleyho strom 6. rádu

4 .1.2 Multimediálna anténa

Miniaturizácia napreduje po celej planéte míľovými krokmi. Nástup počítačov veľkosti zrnka fazule je už za rohom, no medzičasom nám spoločnosť Fractus dáva do pozornosti anténu, ktorej rozmery sú menšie ako zrnko ryže (obrázok 19).

Obrázok 19 - Fraktálna anténa

Nový produkt s názvom Micro Reach Xtend pracuje na frekvencii 2,4 GHz a podporuje bezdrôtové technológie Wi-Fi a Bluetooth, ako aj niektoré ďalšie menej populárne štandardy. Zariadenie je založené na patentovaných technológiách fraktálnej antény a jeho plocha je len 3,7 x 2 mm. Maličká anténa podľa vývojárov umožní zmenšiť veľkosť multimediálnych produktov, v ktorých nájde v blízkej budúcnosti svoje využitie, alebo vtesnať do jedného zariadenia viac schopností.

Televízne stanice vysielajú signály v rozsahu 50-900 MHz, ktoré sú spoľahlivo prijímané na vzdialenosť mnohých kilometrov od vysielacej antény. Je známe, že vibrácie vyšších frekvencií prechádzajú cez budovy a rôzne prekážky horšie ako tie nízkofrekvenčné, ktoré sa okolo nich jednoducho ohýbajú. Preto Technológia Wi-Fi, používané v konvenčných systémoch bezdrôtová komunikácia a pracujúci na frekvenciách nad 2,4 GHz, poskytuje príjem signálu len na vzdialenosť nie viac ako 100 m. Takáto nespravodlivosť voči vyspelej Wi-Fi technológii bude čoskoro ukončená, samozrejme, bez ujmy pre spotrebiteľov TV. V budúcnosti budú zariadenia vytvorené na báze technológie Wi-Fi fungovať na frekvenciách medzi prevádzkovanými TV kanálmi, čím sa zvýši rozsah spoľahlivého príjmu. Aby nedošlo k narušeniu prevádzky televízie, každý z Wi-Fi systémov (vysielač a prijímač) bude neustále skenovať blízke frekvencie, čím zabráni kolíziám vo vzduchu. Pri prechode na širší frekvenčný rozsah je potrebné mať anténu, ktorá dokáže rovnako dobre prijímať signály z vysokých aj vysokých frekvencií. nízke frekvencie. Bežné bičové antény tieto požiadavky nespĺňajú, pretože V súlade so svojou dĺžkou selektívne prijímajú frekvencie určitej vlnovej dĺžky. Anténa vhodná na príjem signálov v širokom frekvenčnom rozsahu je takzvaná fraktálová anténa, ktorá má tvar fraktálu – štruktúry, ktorá vyzerá rovnako bez ohľadu na to, akým zväčšením ju pozorujeme. Fraktálna anténa sa správa tak, ako by sa správala štruktúra pozostávajúca z mnohých kolíkových antén rôznych dĺžok stočených dohromady.

4.1.3 „Zlomená“ anténa

Americký inžinier Nathan Cohen sa asi pred desiatimi rokmi rozhodol zostaviť si doma amatérsku rádiostanicu, no narazil na nečakaný problém. Jeho byt sa nachádzal v centre Bostonu a mestské úrady prísne zakázali umiestniť anténu mimo budovy. Nečakane sa našlo riešenie, ktoré obrátilo celý nasledujúci život rádioamatéra naruby.

Namiesto výroby tradične tvarovanej antény vzal Cohen kus hliníkovej fólie a vyrezal ho do tvaru matematického objektu známeho ako Kochova krivka. Táto krivka, ktorú v roku 1904 objavila nemecká matematička Helga von Koch, je fraktálom, prerušovanou čiarou, ktorá vyzerá ako séria nekonečne sa zmenšujúcich trojuholníkov vyrastajúcich jeden z druhého ako strecha viacstupňovej čínskej pagody. Ako všetky fraktály, aj táto krivka je „seba podobná“, to znamená, že na každom najmenšom segmente má rovnaký vzhľad, ktorý sa opakuje. Takéto krivky sú konštruované nekonečným opakovaním jednoduchej operácie. Čiara je rozdelená na rovnaké segmenty a na každom segmente je vytvorený ohyb vo forme trojuholníka (metóda von Koch) alebo štvorca (metóda Hermana Minkowského). Potom sa na všetkých stranách výsledného obrázku ohýbajú podobné štvorce alebo trojuholníky, ale menšej veľkosti. Pokračovaním v konštrukcii do nekonečna môžete získať krivku, ktorá je v každom bode „zlomená“ (obrázok 20).

Obrázok 20 - Konštrukcia Kochovej a Minkowského krivky

Konštrukcia Kochovej krivky - jeden z úplne prvých fraktálnych objektov. Na nekonečnej priamke sa rozlišujú segmenty dĺžky l. Každý segment je rozdelený na tri rovnaké časti a na strednej je zostrojený rovnostranný trojuholník so stranou l/3. Potom sa proces opakuje: trojuholníky so stranami l/9 sa postavia na segmenty l/3, trojuholníky so stranami l/27 atď. Táto krivka má vlastnú podobnosť alebo invarianciu mierky: každý z jej prvkov v redukovanej forme opakuje krivku samotnú.

Minkowského fraktál je konštruovaný podobne ako Kochova krivka a má rovnaké vlastnosti. Pri jeho konštrukcii sa namiesto sústavy trojuholníkov stavajú meandre na priamke - „obdĺžnikové vlny“ nekonečne sa zmenšujúcich veľkostí.

Pri konštrukcii Kochovej krivky sa Cohen obmedzil len na dva alebo tri kroky. Potom figúrku nalepil na malý kúsok papiera, pripevnil ju k prijímaču a s prekvapením zistil, že nefunguje o nič horšie ako bežné antény. Ako sa neskôr ukázalo, jeho vynález sa stal zakladateľom zásadne nového typu antén, teraz sériovo vyrábaných.

Tieto antény sú veľmi kompaktné: fraktálna anténa pre mobilný telefón zabudovaná v puzdre má veľkosť bežného sklíčka (24 x 36 mm). Okrem toho pracujú v širokom frekvenčnom rozsahu. Toto všetko bolo objavené experimentálne; Teória fraktálnych antén zatiaľ neexistuje.

Veľmi zaujímavým spôsobom sa menia parametre fraktálnej antény robenej sériou po sebe idúcich krokov pomocou Minkowského algoritmu. Ak je priama anténa ohnutá v tvare „štvorcovej vlny“ - meandru, jej zisk sa zvýši. Všetky následné meandre zosilnenia antény sa nemenia, ale rozsah frekvencií, ktoré prijíma, sa rozširuje a samotná anténa sa stáva oveľa kompaktnejšou. Je pravda, že iba prvých päť alebo šesť krokov je účinných: na ďalšie ohýbanie vodiča budete musieť zmenšiť jeho priemer, čo zvýši odpor antény a povedie k strate zisku.

Zatiaľ čo niektorí si lámu hlavu nad teoretickými problémami, iní vynález aktívne implementujú do praxe. Podľa Nathana Cohena, teraz profesora na Bostonskej univerzite a hlavného technického inšpektora Fractal Antenna Systems, „za pár rokov sa fraktálne antény stanú neoddeliteľnou súčasťou mobilných a rádiových telefónov a mnohých ďalších bezdrôtových komunikačných zariadení“.

fraktál anténneho poľa

4.2 Aplikácia fraktálnych antén

Medzi mnohými návrhmi antén, ktoré sa dnes používajú v komunikáciách, je typ antény uvedený v názve článku relatívne nový a zásadne odlišný od známych riešení. Prvé publikácie skúmajúce elektrodynamiku fraktálnych štruktúr sa objavili už v 80. rokoch 20. storočia. Je to začiatok praktické využitie Fraktálne smerovanie v anténovej technológii začal pred viac ako 10 rokmi americký inžinier Nathan Cohen, dnes profesor na Boaon University a hlavný technický inšpektor spoločnosti Fractal Antenna Systems. Žijúc v centre Bostonu, aby obišiel zákaz mestského úradu inštalovať vonkajšie antény, rozhodol sa zamaskovať anténu amatérskej rádiostanice za ozdobnú figúrku vyrobenú z hliníkovej fólie. Ako základ si zobral Kochovu krivku známu v geometrii (obrázok 20), ktorej popis navrhol v roku 1904 švédsky matematik Niels Fabian Helge von Koch (1870-1924).

Podobné dokumenty

Koncepcia a princíp činnosti vysielacích antén a ich vyžarovacie diagramy. Výpočet veľkostí a rezonančných frekvencií pre fraktálne antény. Návrh tlačenej mikropásikovej antény na základe Kochovho fraktálu a 10 prototypov drôtových antén.

práca, pridané 2.2.2015


Vývoj fraktálnych antén. Konštrukčné metódy a princípy fungovania fraktálnej antény. Konštrukcia Peanovej krivky. Vytvorenie fraktálnej pravouhlej zlomenej antény. Dvojpásmové anténne pole. Fraktálne frekvenčne selektívne povrchy.

práca, pridané 26.06.2015


Bloková schéma prijímacieho modulu aktívnych fázovaných antén. Výpočet relatívneho zníženia budenia na okraji antény. Energetický potenciál prijímacích fázovaných antén. Presnosť zarovnania lúča. Výber a výpočet žiariča.

kurzová práca, pridané 11.08.2014


Úvod do činnosti Antenna-Service LLC: inštalácia a uvedenie do prevádzky terestriálnych a satelitných anténnych systémov, projektovanie telekomunikačných sietí. všeobecné charakteristiky základné vlastnosti a oblasti použitia satelitných antén.

práca, pridané 18.05.2014


Typy a klasifikácia antén pre mobilné komunikačné systémy. technické údaje antény KP9-900. Hlavná strata účinnosti antény je v prevádzkovej polohe zariadenia. Metódy výpočtu antén pre mobilné komunikačné systémy. Charakteristika modelára antén MMANA.

kurzová práca, pridané 17.10.2014


Typy mikrovlnných zariadení v distribučných obvodoch anténnych polí. Návrh mikrovlnných zariadení založených na metóde rozkladu. Práca s programom "Model-S" pre automatizované a parametrické typy syntézy viacprvkových mikrovlnných zariadení.

test, pridaný 15.10.2011


Hlavné úlohy teórie antény a vlastnosti tohto zariadenia. Maxwellove rovnice. Elektrické dipólové pole v neobmedzenom priestore. Charakteristické rysy vibračné a apertúrne antény. Metódy riadenia amplitúdy mriežok.

návod, pridané 27.04.2013


Lineárne pole s cylindrickou špirálovou anténou ako žiaričom. Použitie anténnych polí na zabezpečenie vysokokvalitnej prevádzky antény. Návrh vertikálneho snímacieho anténneho poľa. Výpočet jedného žiariča.

kurzová práca, pridané 28.11.2010


Metódy tvorby efektívne antény. Lineárne anténne pole. Optimálna anténa s pohyblivou vlnou. Smerový koeficient. Ploché anténne polia. Vstupná impedancia vyžarovacieho prvku. Vlastnosti a použitie neekvidištantných mriežok.

kurzová práca, pridané 14.08.2015


Použitie antén na vyžarovanie aj príjem elektromagnetických vĺn. Existuje široká škála rôznych antén. Návrh lineárneho poľa tyčových dielektrických antén, ktoré je zostavené z tyčových dielektrických antén.