Fraktalantenner för TV. Fraktal ultrabredbandsantenn baserad på en cirkulär monopol. Sedan riktades en plan elektromagnetisk våg till den designade fraktalantennen, och programmet beräknade fältutbredningen före och efter

Inom matematiken kallas mängder fraktal, bestående av element som liknar mängden som helhet. bästa exemplet: Om du tittar noga på ellipsens linje blir den rak. Fractal - oavsett hur nära - bilden kommer att förbli komplex och lik den allmänna uppfattningen. Elementen är arrangerade på ett bisarrt sätt. Därför anser vi att koncentriska cirklar är det enklaste exemplet på en fraktal. Oavsett hur nära så dyker nya cirklar upp. Det finns många exempel på fraktaler. Till exempel ger Wikipedia en bild av romanescokål, där kålhuvudet består av kottar, som exakt liknar ett målat kålhuvud. Nu förstår läsarna att det inte är lätt att göra fraktala antenner. Men det är intressant.

Varför fraktala antenner behövs

Syftet med fraktalantennen är att fånga fler med färre offer. I västerländska videor - det är möjligt att hitta en paraboloid, där ett segment av ett fraktalt band kommer att fungera som en sändare. De gör redan delar av mikrovågsapparater av folie, mer effektiva än vanliga. Vi kommer att visa hur man gör en fraktal antenn till slutet, och hantera koordination ensam med en SWR-mätare. Vi nämner att det finns en hel sida, naturligtvis, utländsk, där motsvarande produkt marknadsförs för kommersiella ändamål, det finns inga ritningar. Vår hemgjorda fraktalantenn är enklare, den största fördelen är att du kan göra designen med dina egna händer.

De första fraktala antennerna - bikoniska - dök upp, enligt videon från sajten fractenna.com, 1897 av Oliver Lodge. Sök inte på Wikipedia. Jämfört med en konventionell dipol ger ett par trianglar istället för en vibrator en bandförlängning på 20 %. Genom att skapa periodiska repeterande strukturer var det möjligt att montera miniatyrantenner inte värre än stora motsvarigheter. Ofta hittar du en bikonisk antenn i form av två ramar eller bisarrt formade plattor.

Detta kommer så småningom att göra det möjligt för fler TV-kanaler att tas emot.

Om du skriver en begäran på YouTube visas en video om tillverkningen av fraktala antenner. Du kommer bättre att förstå hur det fungerar om du föreställer dig den sexuddiga stjärnan i den israeliska flaggan, där hörnet skars av tillsammans med axlarna. Det visade sig att tre hörn återstod, två hade en sida på plats, den andra inte. Den sjätte kurvan saknas helt. Låt oss nu placera två liknande stjärnor vertikalt, med centrala vinklar mot varandra, slitsar till vänster och höger, ovanför dem - ett liknande par. Resultatet blev en antennuppsättning - den enklaste fraktala antennen.

Stjärnorna runt hörnen är förbundna med en matare. Parvisa kolumner. Signalen tas från linjen, exakt i mitten av varje tråd. Strukturen är monterad på bultar på ett dielektriskt (plast) substrat av lämplig storlek. Stjärnans sida är exakt en tum, avståndet mellan stjärnornas hörn vertikalt (matarens längd) är fyra tum, horisontellt (avståndet mellan matarens två trådar) är en tum. Stjärnorna har vinklar på 60 grader vid sina hörn, nu kommer läsaren att rita en liknande i form av en mall, så att de senare kan göra en fraktalantenn på egen hand. Vi gjorde en arbetsskiss, skalan observeras inte. Vi kan inte garantera att stjärnorna kom ut exakt, Microsoft Paint utan stora möjligheter att göra korrekta ritningar. Det räcker med att titta på bilden för att göra fraktalantennens enhet uppenbar:

1. Den bruna rektangeln visar det dielektriska substratet. Fraktalantennen som visas i figuren har ett symmetriskt strålningsmönster. Om du skyddar sändaren från störningar placeras skärmen på fyra stolpar bakom substratet på en tums avstånd. Vid frekvenser finns det inget behov av att placera en solid metallplåt, ett kvartstumsnät räcker, glöm inte att ansluta skärmen till kabelmanteln.
2. Matare med en karakteristisk impedans på 75 ohm kräver godkännande. Hitta eller gör en transformator som omvandlar 300 ohm till 75 ohm. Bättre fylla på med en SWR-mätare och välj de önskade parametrarna inte genom beröring, utan genom enheten.
3. Fyra stjärnor, böj ut av koppartråd. Vi rengör lackisoleringen på platsen för dockning med mataren (om någon). Antennens inre matare består av två parallella trådar. Det är en bra idé att placera antennen i en låda för att skydda mot dåligt väder.

Montering av fraktalantenn för digital-tv

Efter att ha läst recensionen till slutet kommer fraktala antenner att göras av vem som helst. Så snabbt fördjupade sig i designen att de glömde att prata om polarisering. Vi tror att den är linjär och horisontell. Detta beror på övervägandena:

• Videon är uppenbarligen av amerikanskt ursprung, vi pratar om HDTV. Därför kan vi acceptera modet i det angivna landet.
• Som ni vet sänder få stater på planeten från satelliter med cirkulär polarisering, bland dem Ryska federationen och USA. Därför tror vi att andra tekniker för informationsöverföring är liknande. Varför? Det var ett kallt krig tror vi, båda länderna valde strategiskt vad och hur de skulle överföra, andra länder utgick från rent praktiska överväganden. Cirkulär polarisering implementeras specifikt för spionsatelliter (som rör sig konstant i förhållande till observatören). Det finns därför anledning att tro att det finns en likhet i tv- och radiosändningar.
• Strukturen på antennen säger att den är linjär. Det finns helt enkelt ingenstans att ta cirkulär eller elliptisk polarisering. Därför - om inte våra läsare är proffs som känner till MMANA - om antennen inte hakar i det accepterade läget, rotera 90 grader i radiatorns plan. Polarisationen kommer att ändras till vertikal. Förresten, många kommer att kunna fånga FM också, om måtten är inställda mer än 4 gånger. Det är bättre att ta en tjockare tråd (till exempel 10 mm).

Vi hoppas att vi har förklarat för läsarna hur man använder fraktalantennen. Ett par tips för enkel montering. Så försök hitta en tråd med lackerat skydd. Böj formerna som visas på bilden. Sedan avviker konstruktörerna, vi rekommenderar att du gör så här:

1. Skala av stjärnorna och matarledningarna vid dockningspunkterna. Fäst matartrådarna vid öronen med bultar på underlaget i mitten. För att utföra åtgärden korrekt, mät en tum i förväg och rita två parallella linjer med en penna. Ledningar ska ligga längs dem.
2. Löd en enda struktur, kontrollera noggrant avstånden. Författarna till videon rekommenderar att man gör en sändare så att stjärnorna ligger platt på matarna med sina hörn, och de motsatta ändarna vilar på kanten av substratet (var och en på två ställen). För en exemplarisk stjärna var platser markerade med blått.
3. För att uppfylla villkoret, dra varje stjärna på ett ställe med en bult med en dielektrisk klämma (till exempel PVA-trådar från cambric och liknande). I figuren visas fästpunkterna i rött för en stjärna. Bulten är schematiskt ritad som en cirkel.

Matningskabeln löper (valfritt) med baksidan. Borra hål på plats. SWR justeras genom att ändra avståndet mellan matarledningarna, men i denna design är detta en sadistisk metod. Vi rekommenderar att helt enkelt mäta antennens impedans. Kom ihåg hur detta görs. Du behöver en generator för frekvensen på programmet du tittar på, till exempel 500 MHz, dessutom en högfrekvent voltmeter som inte sparar framför signalen.

Sedan mäts spänningen som produceras av generatorn, för vilken den stänger till en voltmeter (parallellt). Från ett variabelt motstånd med extremt låg självinduktans och en antenn monterar vi en resistiv delare (vi ansluter i serie efter generatorn, först resistansen, sedan antennen). Vi mäter spänningen med en voltmeter variabelt motstånd, samtidigt som märkvärdet justeras tills generatorns avläsningar utan belastning (se stycket ovan) blir dubbelt så mycket ström. Detta innebär att värdet på det variabla motståndet har blivit lika med antennens vågimpedans vid en frekvens på 500 MHz.

Nu är det möjligt att göra transformatorn på önskat sätt. Det är svårt att hitta rätt på nätet, för de som gillar att fånga radiosändningar hittade de ett färdigt svar http://www.cqham.ru/tr.htm. Sajten säger och ritar hur man matchar belastningen med en 50-ohms kabel. Observera att frekvenserna motsvarar HF-bandet, MW passar delvis här. Den karakteristiska impedansen för antennen bibehålls i intervallet 50 - 200 ohm. Det är svårt att säga hur mycket en stjärna kommer att ge. Om det finns en anordning på gården för att mäta linjens vågimpedans, minns vi: om matarens längd är en multipel av en fjärdedel av våglängden, sänds antennimpedansen till utgången oförändrad. Det är omöjligt att tillhandahålla sådana förhållanden för ett litet och ett stort räckvidd (vi minns att ett utökat räckvidd också ingår i funktionerna hos fraktala antenner), men för mätningar används det nämnda faktum överallt.

Läsare vet nu allt om dessa fantastiska sändtagare. En sådan ovanlig form antyder att mångfalden av universum inte passar in i den typiska ramen.

Världen är inte utan bra människor :-)
Valery UR3CAH: "God eftermiddag, Egor. Jag tror att den här artikeln (nämligen avsnittet "Fraktala antenner: mindre är bättre") motsvarar temat på din webbplats och kommer att vara av intresse för dig:) 73!"
Ja, visst är det intressant. Till viss del har vi redan berört detta ämne när vi diskuterade hexabims geometri. Även där fanns ett dilemma med "packningen" av den elektriska längden i geometriska dimensioner :-). Så tack, Valery, så mycket för det skickade materialet.
Fraktalantenner: mindre är bättre, men bättre
Under det senaste halvseklet har livet förändrats snabbt. De flesta av oss accepterar prestation modern teknik för givet. Allt som gör livet mer bekvämt vänjer man sig vid väldigt snabbt. Sällan ställer någon frågorna "Var kom detta ifrån?" och "Hur fungerar det?". En mikrovågsugn värmer upp frukosten - bra, en smartphone låter dig prata med en annan person - bra. Detta verkar vara en självklar möjlighet för oss.
Men livet skulle kunna bli helt annorlunda om en person inte letade efter en förklaring till händelserna. Ta till exempel mobiltelefoner. Kommer du ihåg de infällbara antennerna på de första modellerna? De störde, ökade storleken på enheten, till slut gick de ofta sönder. Vi tror att de har sjunkit i glömska för alltid, och delvis på grund av detta ... fraktaler.
Fraktalteckningar fascinerar med sina mönster. De liknar definitivt bilder av rymdobjekt - nebulosor, galaxhopar och så vidare. Därför är det ganska naturligt att när Mandelbrot uttryckte sin teori om fraktaler väckte hans forskning ett ökat intresse bland dem som studerade astronomi. En av dessa amatörer vid namn Nathan Cohen, efter att ha deltagit i en föreläsning av Benoit Mandelbrot i Budapest, fattade eld med idén praktisk applikation förvärvade kunskaper. Det är sant att han gjorde det intuitivt, och slumpen spelade en viktig roll i hans upptäckt. Som radioamatör försökte Nathan skapa en antenn med högsta möjliga känslighet.
Det enda sättet att förbättra parametrarna för antennen, som var känd vid den tiden, var att öka dess geometriska dimensioner. Ägaren till Nathans lägenhet i centrala Boston var dock bestämt emot att installera stora takanordningar. Sedan började Nathan experimentera med olika former av antenner och försökte få maximalt resultat med den minsta storleken. Bränd med idén om fraktala former gjorde Cohen, som de säger, slumpmässigt en av de mest kända fraktalerna av tråd - "Koch-snöflingan". Den svenska matematikern Helge von Koch kom med denna kurva redan 1904. Det erhålls genom att dela segmentet i tre delar och ersätta mittsegmentet med en liksidig triangel utan att en sida sammanfaller med detta segment. Definitionen är lite svår att förstå, men figuren är tydlig och enkel.
Det finns också andra varianter av "Koch-kurvan", men den ungefärliga formen på kurvan förblir liknande.

När Nathan kopplade in antennen till radiomottagaren blev han mycket förvånad – känsligheten ökade dramatiskt. Efter en rad experiment insåg den blivande professorn vid Boston University att en antenn gjord enligt ett fraktalt mönster har hög effektivitet och täcker ett mycket bredare frekvensområde jämfört med klassiska lösningar. Dessutom kan formen på antennen i form av en fraktal kurva avsevärt minska de geometriska dimensionerna. Nathan Cohen kom till och med på ett teorem som bevisade det för att skapa bredbandsantenn det räcker för att ge den formen av en självliknande fraktalkurva.

Författaren patenterade sin upptäckt och grundade företaget för utveckling och design av fraktala antenner Fractal Antenna Systems, med rätta att tro att i framtiden, tack vare hans upptäckt, kommer mobiltelefoner att kunna bli av med skrymmande antenner och bli mer kompakta. I grund och botten är det vad som hände. Det är sant, till denna dag är Nathan i en rättegång med stora företag som illegalt använder sin upptäckt för att producera kompakta kommunikationsenheter. Några välkända tillverkare Mobil enheter, som Motorola, har redan nått ett fredsavtal med uppfinnaren av fraktalantennen. originalkälla

Under de senaste åren har jag regelbundet ställts inför uppgifterna att utveckla UWB (ultra-wideband) mikrovågsmoduler och funktionella enheter. Och hur tråkigt det än är för mig att prata om det, hämtar jag nästan all information om ämnet från utländska källor. Men för en tid sedan, på jakt efter den information jag behövde, snubblade jag över en som lovade en lösning på alla mina problem. Jag vill prata om hur problemlösningen inte fungerade.

En av de ständiga "huvudvärken" i utvecklingen av UWB-mikrovågsenheter är utvecklingen av UWB-antenner, som måste ha en uppsättning specifika egenskaper. Bland dessa egenskaper finns följande:

1. Samordning i driftfrekvensbandet (till exempel från 1 till 4 GHz). Det händer dock när det är nödvändigt att komma överens i frekvensområdet från 0,5 GHz till 5 GHz. Och här uppstår problemet att gå ner i frekvens under 1 GHz. I allmänhet fick jag intrycket att frekvensen på 1 GHz har någon form av mystisk kraft - du kan komma nära det, men det är väldigt svårt att övervinna det, eftersom. i detta fall överträds ett annat krav för antennen, nämligen

2. Kompakthet. Det är trots allt ingen hemlighet för någon att nu är det få som behöver en vågledarhornsantenn av enorma dimensioner. Alla vill att antennen ska vara liten, lätt och kompakt så att den kan stoppas in i ett fodral. bärbar enhet. Men med komprimeringen av antennen blir det mycket svårt att uppfylla paragraf 1 i kraven för antennen, eftersom driftområdets lägsta frekvens är nära relaterad till antennens maximala storlek. Någon kommer att säga att du kan göra en antenn på ett dielektrikum med ett högt värde på relativ permittivitet ... Och han kommer att ha rätt, men detta motsäger nästa punkt på vår lista, som säger att

3. Antennen ska vara så billig som möjligt och tillverkad på basis av de mest tillgängliga och billiga materialen (till exempel FR-4). För ingen vill betala mycket, mycket pengar för en antenn, även om den är tre gånger briljant. Alla vill ha kostnaden för en antenn på tillverkningsstadiet tryckt kretskort dras mot noll. För det här är vår värld...

4. Det finns ytterligare ett krav som uppstår när man löser olika problem i samband med till exempel lokalisering på kort räckvidd, samt med skapandet av olika sensorer med hjälp av UWB-teknik (här bör det förtydligas att vi pratar lågeffektapplikationer där varje dBm räknas). Och detta krav anger att strålningsmönstret (DN) för den designade antennen bör bildas i endast en halvklot. Vad är det för? För att antennen ska "lysa" i endast en riktning, utan att försvinna dyrbar kraft i "retur". Det förbättrar också ett antal indikatorer för systemet där en sådan antenn används.

Varför skriver jag allt detta..? För att den nyfikna läsaren ska förstå att utvecklaren av en sådan antenn står inför många restriktioner och förbud som han behöver övervinna heroiskt eller kvickt.

Och plötsligt, som en uppenbarelse, dyker det upp en artikel som lovar en lösning på alla ovanstående problem (liksom de som inte nämndes). Att läsa den här artikeln orsakar en lätt känsla av eufori. Även om första gången du inte helt förstår vad som står, låter det magiska ordet "fraktal" mycket lovande, eftersom. Den euklidiska geometrin har redan uttömt sina argument.

Vi tar djärvt upp frågan och matar den struktur som föreslagits av artikelförfattaren till simulatorn. Simulatorn stönar som en datorkylare, tuggar gigabyte med siffror och spottar ut det smälta resultatet... När du tittar på simuleringsresultaten känner du dig som en liten lurad pojke. Tårarna rinner upp i mina ögon, för. återigen kom dina barndoms luftdrömmar över en gjutjärn... verklighet. Det finns ingen överenskommelse i frekvensområdet 0,1 GHz - 24 GHz. Även i intervallet 0,5 GHz - 5 GHz finns det inget liknande.

Det finns fortfarande ett blygt hopp om att du inte förstod något, gjorde något fel ... Sökandet efter inkluderingspunkten börjar, olika variationer med topologin, men allt förgäves - den är död!

Det tråkigaste i den här situationen är att du till sista stund letar efter orsaken till misslyckande i dig själv. Tack till kamraterna i butiken, som förklarade att allt stämmer – det ska inte fungera.

P.S. Jag hoppas mitt fredagsinlägg fick dig att le.
Moralen i berättelsen är denna - var försiktig!
(Och jag ville också verkligen skriva en ANTI-artikel om detta, för de lurade mig).

Det första jag skulle vilja skriva om är en liten introduktion till fraktala antenners historia, teori och användning. Fraktalantenner har nyligen upptäckts. De uppfanns först av Nathan Cohen 1988, sedan publicerade han sin forskning om hur man gör en TV-antenn av tråd och patenterade den 1995.

Fraktalantennen har flera unika egenskaper, som skrivits på Wikipedia:

"En fraktalantenn är en antenn som använder en fraktal, självupprepande design för att maximera längden eller öka omkretsen (på interna platser eller extern struktur) av ett material som kan ta emot eller sända elektromagnetiska signaler inom en given total yta eller volym ."

Vad exakt betyder detta? Tja, du måste veta vad en fraktal är. Även från Wikipedia:

"En fraktal är vanligtvis en grov eller fragmenterad geometrisk form som kan delas upp i bitar, var och en av bitarna är en kopia av det hela - en egenskap som kallas självlikhet."

En fraktal är alltså en geometrisk form som upprepar sig om och om igen, oavsett storleken på de enskilda delarna.

Fraktalantenner har visat sig vara cirka 20 % effektivare än konventionella antenner. Detta kan vara användbart särskilt om du vill att din TV-antenn ska ta emot digital eller högupplöst video, öka mobilräckvidden, Wi-Fi-räckvidden, FM- eller AM-radiomottagning etc.

Mest mobiltelefoner det finns redan fraktala antenner. Du kanske har märkt detta pga Mobiltelefoner har inte längre antenner utanför. Detta beror på att de har fraktalantenner etsade in i kretskortet inuti dem, vilket gör att de kan ta emot en bättre signal och fånga upp fler frekvenser, som Bluetooth, cellulär och Wi-Fi från en antenn.

Wikipedia:

"Responsen hos en fraktalantenn skiljer sig markant från traditionella antennkonstruktioner genom att den kan fungera med bra prestanda vid olika frekvenser samtidigt. Frekvensen på standardantenner måste skäras för att bara kunna ta emot denna frekvens. Därför är en fraktalantenn, till skillnad från en konventionell, en utmärkt design för bredbands- och multibandsapplikationer."

Tricket är att designa din fraktalantenn så att den ger resonans vid den specifika mittfrekvens du vill ha. Det gör att antennen kommer att se olika ut beroende på vad du vill ta emot. För att göra detta måste du tillämpa matematik (eller en onlineräknare).

I mitt exempel ska jag göra en enkel antenn, men du kan göra den mer komplex. Ju svårare desto bättre. Jag kommer att använda en spole med 18 trådar med solid kärna för att göra antennen, men du kan anpassa dina egna kretskort för att passa din estetik, göra den mindre eller mer komplex med mer upplösning och resonans.

Jag ska göra en tv-antenn för att ta emot digital-tv eller tv hög upplösning. Dessa frekvenser är lättare att arbeta med och sträcker sig i längd från cirka 15 cm till 150 cm för en halv våglängd. För enkelhetens skull och för billiga delar, tänker jag placera den på en vanlig dipolantenn, den kommer att fånga vågor i intervallet 136-174 MHz (VHF).

För att ta emot UHF-vågor (400-512 MHz) kan man lägga till en regissör eller reflektor, men på så sätt blir mottagningen mer beroende av antennens riktning. VHF beror också på riktningen, men istället för att direkt peka på TV-stationen vid en UHF-installation måste du ställa in VHF-öronen vinkelrätt mot TV-stationen. Det är här du behöver anstränga dig lite mer. Jag vill göra konstruktionen så enkel som möjligt, för det är redan en ganska komplicerad sak.

Huvudkomponenter:

• Monteringsyta, t ex plasthölje (20 cm x 15 cm x 8 cm)
• 6 skruvar. Jag använde stålplåtsskruvar
• Transformator med motstånd från 300 ohm till 75 ohm.
• Monteringsvajer 18 AWG (0,8 mm)
• RG-6 koaxialkabel med terminatorer (och med en gummimantel om installationen är utomhus)
• Aluminium vid användning av reflektor. Det fanns en i bilagan ovan.
• Fin markör
• Två par små tänger
• Linjalen är inte kortare än 20 cm.
• Transportör för vinkelmätning
• Två borrar, en något mindre än dina skruvar
• Liten trådskärare
• Skruvmejsel eller skruvmejsel

Obs: undersidan av antennen är gjord av aluminiumtråd finns till höger i bilden där transformatorn sticker ut.

Steg 1: Lägga till en reflektor

Montera huset med reflektorn under plastkåpan

Steg 2: Borra hål och installera fästpunkter

Borra små tapphål på motsatt sida av reflektorn i dessa positioner och placera en ledande skruv.

Steg 3: Mät, klipp och skala ledningarna

Klipp fyra 20 cm bitar av tråd och lägg på fodralet.

Steg 4: Mätning och märkning av ledningar

Använd en markör och markera var 2,5 cm på tråden (det kommer att bli böjar på dessa ställen)

Steg 5: Skapa fraktaler

Detta steg måste upprepas för varje bit tråd. Varje böj måste vara exakt 60 grader, eftersom vi kommer att göra liksidiga trianglar för fraktalen. Jag använde två tång och en gradskiva. Varje böj är gjord på en etikett. Innan du gör vecken, visualisera riktningen för var och en av dem. Använd bifogade diagram för detta.

Steg 6: Skapa dipoler

Klipp ytterligare två bitar av tråd som är minst 15 cm långa. Linda dessa trådar runt de övre och nedre skruvarna som löper längs långsidan och linda dem sedan till mitten. Klipp sedan bort överskottslängden.

Steg 7: Montera dipolerna och montera transformatorn

Fäst var och en av fraktalerna i hörnskruvarna.

Fäst en transformator med rätt impedans till de två mittskruvarna och dra åt dem.

Monteringen klar! Kolla in och njut!

Steg 8: Fler iterationer/experiment

Jag gjorde några nya element med hjälp av pappersmallen från GIMP. Jag använde en liten solid telefontråd. Den var tillräckligt liten, stark och formbar nog att böjas in i de komplexa former som krävs för mittfrekvensen (554 MHz). Detta är genomsnittet digital signal UHF för kanaler on-air tv i mitt område.

Foto bifogat. Det kan vara svårt att se koppartrådarna i svagt ljus mot kartongen och tejpen över den, men du förstår.

I denna storlek är elementen ganska ömtåliga, så de måste hanteras försiktigt.

Jag har också lagt till en png-mall. För att skriva ut den storlek du vill ha måste du öppna den i en fotoredigerare som GIMP. Mallen är inte perfekt eftersom jag gjorde den för hand med en mus, men den är tillräckligt bekväm för människohänder.

UDC 621.396

fraktal ultrabredbandsantenn baserad på en cirkulär monopol

G.I. Abdrakhmanova

Ufa State Aviation Technical University,

Universita degli Studi di Trento

Anteckning.Artikeln tar upp problemet med att designa en ultrabredbandsantenn baserad på fraktalteknik. Resultaten av studier av förändringar i strålningsegenskaper beroende på skalfaktorns värde presenteras.och iterationsnivå. Parametrisk optimering av antenngeometrin för överensstämmelse med kraven för reflektionskoefficienten har utförts. Dimensionerna på den utvecklade antennen är 34 × 28 mm 2 och driftfrekvensområdet är 3,09 ÷ 15 GHz.

Nyckelord:ultrabredbandsradiokommunikation, fraktalteknik, antenner, reflektionskoefficient.

Abstrakt:Utvecklingen av en ny ultrabredbandsantenn på basis av fraktalteknologi beskrivs i tidningen. Forskningsresultaten om strålningsegenskaper förändras beroende på värdet på skalfaktor och iterationsnivå presenteras. Den parametriska optimeringen av antenngeometrin för att uppfylla reflektionskoefficientkraven tillämpades. Den utvecklade antennstorleken är 28 × 34 mm 2 och bandbredden är 3,09 ÷ 15 GHz.

nyckelord:ultrabredbandsradiokommunikation, fraktalteknik, antenner, reflektionskoefficient.

1. Introduktion

Idag är kommunikationssystem med ultrabredband (UWB) av stort intresse för utvecklare och tillverkare av telekommunikationsutrustning, eftersom de tillåter överföring av enorma dataströmmar med hög hastighet i ett ultrabrett frekvensband på licensfri basis. Funktioner hos de sända signalerna innebär frånvaron av kraftfulla förstärkare och komplexa signalbehandlingskomponenter som en del av mottagnings-sändningskomplexen, men begränsar räckvidden (5-10 m).

Avsaknaden av en lämplig elementbas som kan arbeta effektivt med ultrakorta pulser hindrar massintroduktionen av UWB-teknik.

Transceiverantenner är ett av nyckelelementen som påverkar kvaliteten på signalöverföring/mottagning. Huvudinriktningen för patent och forskning inom området för design av antennteknik för UWB-enheter är miniatyrisering och minskning av produktionskostnaderna samtidigt som man säkerställer de nödvändiga frekvens- och energiegenskaperna, såväl som användningen av nya former och strukturer.

Antenngeometrin är alltså uppbyggd på basis av en spline med en rektangulär U-formad slits i mitten, vilket gör det möjligt att arbeta i UWB-bandet med blockeringsfunktionen WLAN -band, antennmått - 45,6 × 29 mm 2. En asymmetrisk E-formad figur med måtten 28×10 mm 2 placerad på en höjd av 7 mm i förhållande till det ledande planet (50×50 mm 2) valdes som strålande element i . En plan monopolantenn (22×22 mm 2 ) utformad på basis av ett rektangulärt strålande element och en stegresonansstruktur på baksidan presenteras.

2 Problemformulering

På grund av det faktum att cirkulära strukturer kan ge en ganska bred bandbredd, förenkla designen, liten storlek och minska produktionskostnaderna, föreslår detta dokument att utveckla en UWB-antenn baserad på en cirkulär monopol. Erforderligt arbetsfrekvensområde - 3,1 ÷ 10,6 GHz vid nivån -10 dB reflektionskoefficient S11, (Fig. 1).

Ris. 1. Obligatorisk mask för reflektans S 11

För miniatyriseringsändamål kommer antenngeometrin att uppgraderas genom användning av fraktalteknik, vilket också gör det möjligt att studera strålningsegenskapernas beroende av skalfaktorns värde δ och iterationsnivå för fraktalen.

Därefter sattes uppgiften att optimera den utvecklade fraktala antennen för att utöka driftsområdet genom att ändra följande parametrar: längden på centralledaren (CPU) för den koplanära vågledaren (HF), längden på jordplanet (GZ) ) KV, avståndet "GZ KV - strålande element (IE)".

Antennmodellering och numeriska experiment utförs i miljön " CST mikrovågsstudio.

3 Val av antenngeometri

Som grundelement väljs en cirkulär monopol, vars dimensioner är en fjärdedel av våglängden för det erforderliga området:

Var L arär längden på antennens strålningselement, exklusive CPU;f L– lägre gränsfrekvens,f L = f min uwb = 3,1 109 Hz; Medär ljusets hastighet, Med = 3 10 8 m/s 2 .

Vi får L ar= 24,19 mm ≈ 24 mm. Med tanke på att en cirkel med en radie pår = L ar / 2 = 12 mm, och antar den ursprungliga CPU-längdenL f också lika r, erhåller vi nolliterationen (fig. 2).

Ris. 2. Noll iteration av antennen

Dielektriskt substrattjocklekTsoch med parametervärdenεs = 3,38, tg δ = 0,0025 används som bas, på vars framsida är placerade IE, CPU och ROM . Samtidigt avstånden PZ-CPU" Zv och "PZ-IE" Z H taget lika med 0,76 mm. Värdena för andra parametrar som används i simuleringsprocessen presenteras i tabell 1.

Tabell 1. Antennparametrar ( δ = 2)

namn	Beskrivning	Formel	Menande
L a	Antennens längd	2 ∙ r + L f	36 mm
Wa	Antennbredd	2 ∙ r	24 mm
L f	CPU-längd	r+ 0,1	12,1 mm
Wf	CPU-bredd		1,66 mm
Lg	PZ längd	r-Ts	11,24 mm
Ls	Substratlängd	L a + Gs	37 mm
Ws	Ryggbredd	Wa+ 2 ∙ Gs	26 mm
G s 1	Substrat vertikalt gap		1 mm
Gs 2	Horisontell baksida		1 mm
Tm	metalltjocklek		0,035 mm
Ts	Substrattjocklek		0,76 mm
r	Cirkelradie 0:e iteration		12 mm
r 1	Cirkelradien för den första iterationen	r /2	6 mm
r 2	Cirkelradie 2:a iterationen	r 1 /2	3 mm
r 3	Cirkelradie 3 iterationer	r 2 /2	1,5 mm
εs	Dielektricitetskonstanten		3,38

Antennen drivs av en vågledare i samma plan som består av en mittledare och jordplanet, SMA -kontakt och en koplanär vågledarport (CWP) placerad vinkelrätt mot den (fig. 3).

Var eff är den effektiva permittiviteten:

K – fullständig elliptisk integral av det första slaget;

	(5)

Fraktalitet i konstruktionen av en antenn består av ett speciellt sätt att packa element: efterföljande iterationer av antennen bildas genom att placera cirklar med en mindre radie i elementen i den föregående iterationen. I detta fall skalfaktorn δ bestämmer hur många gånger storleken på närliggande iterationer kommer att skilja sig åt. Denna process för fallet δ = 2 visas i fig. 2. 4.

Ris. 4. Den första, andra och tredje iterationen av antennen ( δ = 2)

Så den första iterationen erhålls genom att subtrahera två cirklar med en radier 1 från det ursprungliga elementet. Den andra iterationen bildas genom att placera metallcirklar reducerade till hälften med en radier 2 i varje cirkel av den första iterationen. Den tredje iterationen liknar den första, men radien är detr 3 . Tidningen överväger det vertikala och horisontella arrangemanget av cirklar.

3.1 Horisontellt arrangemang av element

Dynamiken för förändringen i reflektionskoefficienten beroende på nivån av iteration visas i Fig. . 5 för δ = 2 och i fig. 6 för δ = 3. Varje ny ordning motsvarar ytterligare en resonansfrekvens. Således motsvarar noll iterationen i det betraktade området 0 ÷ 15 GHz 4 resonanser, den första iterationen - 5, etc. I det här fallet, från och med den andra iterationen, blir förändringar i egenskapernas beteende mindre märkbara.

Ris. 5. Reflektionskoefficientens beroende av iterationsordningen ( δ = 2)

Kärnan i modellering ligger i det faktum att i varje steg, från de övervägda egenskaperna, väljs den som definieras som den mest lovande. Som ett resultat har följande regel införts:

Om överskottet (skillnaden) i intervallet där hyllorna är över -10 dB är litet, bör du välja egenskapen som har en lägre hylla i driftsområdet (under -10 dB), eftersom optimering, den första kommer att elimineras och den andra sjunka ännu lägre.

Ris. 6. Reflektionskoefficientens beroende av iterationsordningen ( δ = 3)

Baserat på mottagna uppgifter och i enlighet med denna regel för δ = 2 kurvan som motsvarar den första iterationen väljs för δ = 3 – den andra iterationen.

Därefter föreslås att man undersöker reflektionskoefficientens beroende av skalfaktorns värde. Överväg förändring δ i intervallet 2 ÷ 6 med steg 1 inom den första och andra iterationen (fig. 7, 8).

Ett intressant beteende hos graferna är att, med början från δ = 3, egenskaperna blir plattare och jämnare, antalet resonanser förblir konstant och tillväxten δ åtföljs av en ökning av S 11 i jämna intervall och minskning i udda.

Ris. 7. Reflektionskoefficientens beroende av skalfaktorn för den första iterationen ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

I det här fallet, för båda iterationerna, värdet δ = 6.

Ris. 8. Reflektionskoefficientens beroende av skalfaktorn för den andra iterationen ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

δ = 6, eftersom det kännetecknas av de lägsta hyllorna och djupa resonanser (fig. 9).

Ris. 9. Jämförelse S 11

3.2 Vertikalt arrangemang av element

Dynamiken för förändringen av reflektionskoefficienten beroende på iterationsnivån för fallet med ett vertikalt arrangemang av cirklar visas i fig. 10 för δ = 2 och i fig. 11 för δ = 3.

Ris. 10. Reflektionskoefficientens beroende av iterationsordningen ( δ = 2)

Baserat på mottagna uppgifter och i enlighet med regeln för δ = 2 och δ = 3 den kurva som motsvarar den tredje iterationen väljs.

Ris. 11. Reflektionskoefficientens beroende av iterationsordningen ( δ = 3)

Beaktande av reflektionskoefficientens beroende av värdet av skalfaktorn inom den första och andra iterationen (fig. 12, 13) avslöjar det optimala värdet δ = 6, som i fallet med ett horisontellt arrangemang.

Ris. 12. Reflektionskoefficientens beroende av skalfaktorn för den första iterationen ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

I det här fallet, för båda iterationerna, värdet δ = 6, vilket också representerarn-multipel fraktal, och därför kanske borde kombinera funktionerna δ = 2 och δ = 3.

Ris. 13. Reflektionskoefficientens beroende av skalfaktorn för den andra iterationen ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

Från de fyra jämförda alternativen valdes alltså kurvan som motsvarar den andra iterationen, δ = 6, som i föregående fall (fig. 14).

Ris. 14. Jämförelse S 11 för de fyra antenngeometrierna som övervägs

3.3 Jämförelse

Med tanke på de bästa alternativen för vertikala och horisontella geometrier som erhållits i de två föregående underavsnitten görs valet på den första (fig. 15), även om skillnaden mellan dessa alternativ inte är så stor i det här fallet. Driftsfrekvensområden: 3,825÷4,242 GHz och 6,969÷13,2 GHz. Vidare kommer designen att uppgraderas för att utveckla en antenn som fungerar i hela UWB-området.

Ris. 15. Jämförelse S 11 för att välja det sista alternativet

4 Optimering

Detta avsnitt diskuterar antennoptimering baserat på den andra iterationen av fraktalen med koefficientvärdet δ = 6. Variabelparametrar presenteras på , och intervallen för deras förändringar finns i tabell 2.

Ris. 20. Antennens utseende: a) framsidan; b) baksidan

På fig. 20 visar egenskaper som speglar förändringens dynamik S 11 steg för steg och bevisa giltigheten av varje efterföljande åtgärd. Tabell 4 visar resonans- och gränsfrekvenserna som används nedan för att beräkna ytströmmarna och strålningsmönstret.

Tabell 3. Beräknade antennparametrar

namn	Ingångsvärde, mm	Slutvärde, mm
∆ L f
Z H	Tabell 13,133208
6,195	27,910472
8,85	21,613615
10,6	12,503542
12,87	47,745235

Fördelningen av antennens ytströmmar vid resonans- och gränsfrekvenserna för UWB-området visas i Fig. . 21, och strålningsmönstren - i fig. 22.

a) 3,09 GHz b) 3,6 GHz

c) 6,195 GHz d) 8,85 GHz

e) 10,6 GHz f) 12,87 GHz

Ris. 21. Fördelning av ytströmmar

A) F(φ ), θ = 0° b) F(φ ), θ = 90°

V) F(θ ), φ = 0° d) F(θ ), φ = 90°

Ris. 22. Strålningsmönster i det polära koordinatsystemet

5 Slutsats

Denna artikel presenterar en ny metod för att designa UWB-antenner baserad på användningen av fraktalteknologi. Denna process omfattar två steg. Initialt bestäms antenngeometrin genom att välja lämplig skalfaktor och fraktal iterationsnivå. Därefter appliceras parametrisk optimering på den resulterande formen baserat på att studera inverkan av dimensionerna hos antennens nyckelkomponenter på strålningsegenskaperna.

Det har konstaterats att med en ökning av iterationsordningen ökar antalet resonansfrekvenser, och ökningen av skalfaktorn inom en iteration kännetecknas av ett plattare beteende S 11 och resonansbeständighet (med början från δ = 3).

Den utvecklade antennen ger högkvalitativ mottagning av signaler i frekvensbandet 3,09 ÷ 15 GHz m.t.t. S 11 < -10 дБ. Помимо этого антенна характеризуется малыми размерами 34×28 мм 2 , а следовательно может быть успешно применена в СШП приложениях.

6 Bekräftelser

Studien stöddes av ett bidrag från Europeiska unionen " Erasmus Mundus Action 2”, även A. G. I. tackar Prof. Paolo Rocca för nyttig diskussion.

Litteratur

1. L . Lizzi, G. Oliveri, P. Rocca, A. Massa. Plan enpolig UWB-antenn med UNII1/UNII2 WLAN-bandskårade egenskaper. Progress in Electromagnetics Research B, Vol. 25, 2010. - 277-292 s.

2. H. Malekpoor, S. Jam. Ultrabredbandiga kortslutna patchantenner matas av folded patch med multiresonanser. Progress in Electromagnetics Research B, Vol. 44, 2012. - 309-326 s.

3.R.A. Sadeghzaden-Sheikhan, M. Naser-Moghadasi, E. Ebadifallah, H. Rousta, M. Katouli, B.S. Virdee. Plan monopolantenn som använder stegformad resonansstruktur i bakplan för ultrabredbandsprestanda. IET Microwaves, Antennas and Propagation, Vol. 4, Iss. 9, 2010. - 1327-1335 s.

4. Revidering av del 15 av kommissionens regler angående ultrabredbandsöverföringssystem, Federal Communications Commission, FCC 02-48, 2002. - 118 sid.