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

I matematik är fraktaler mängder som består av element som liknar mängden som helhet. Bästa exemplet: Om du tittar noga på linjen på en ellips blir den rak. En fraktal – oavsett hur nära du zoomar in – bilden förblir komplex och liknar den allmänna vyn. Elementen är arrangerade på ett bisarrt sätt. Följaktligen anser vi att koncentriska cirklar är det enklaste exemplet på en fraktal. Oavsett hur nära du kommer så dyker nya cirklar upp. Det finns många exempel på fraktaler. Till exempel ger Wikipedia en teckning av romanescokål, där kålhuvudet består av kottar som exakt liknar det ritade kålhuvudet. Läsare förstår nu att det inte är lätt att tillverka fraktala antenner. Men det är intressant.

Varför behövs fraktala antenner?

Syftet med en fraktal antenn är att fånga mer med mindre. I västerländska videor är det möjligt att hitta en paraboloid, där sändaren kommer att vara en bit fraktaltejp. De gör redan delar av mikrovågsapparater av folie som är mer effektiva än vanliga. Vi visar dig hur du kompletterar en fraktalantenn och hanterar matchningen ensam med SWR-mätaren. Låt oss nämna att det finns en hel webbplats, naturligtvis utländsk, där motsvarande produkt marknadsförs i kommersiella syften, 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 en video från webbplatsen fractenna.com, 1897 av Oliver Lodge. Titta inte på Wikipedia. Jämfört med en konventionell dipol ger ett par trianglar istället för en vibrator en bandexpansion på 20 %. Genom att skapa periodiska repeterande strukturer var det möjligt att montera miniatyrantenner som inte var sämre än deras större motsvarigheter. Du hittar ofta en bikonisk antenn i form av två ramar eller konstigt formade plattor.

I slutändan kommer detta att göra det möjligt för fler tv-kanaler att tas emot.

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

Stjärnorna är sammankopplade i hörnen med en matare. Parvis efter kolumner. Signalen tas från linjen, exakt i mitten av varje tråd. Strukturen monteras med 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 och det horisontella avståndet (avståndet mellan matarens två trådar) är en tum. Stjärnorna har vinklar på 60 grader vid sina hörn, nu kommer läsaren att rita något liknande i form av en mall, så att han senare kan göra en fraktalantenn själv. Vi gjorde en arbetsskiss, men skalan uppfylldes inte. Vi kan inte garantera att stjärnorna kom ut exakt, Microsoft Paint utan större förmåga att producera korrekta ritningar. Titta bara på bilden för att strukturen på fraktalantennen blir tydlig:

1. Den bruna rektangeln visar det dielektriska substratet. Fraktalantennen som visas i figuren har ett symmetriskt strålningsmönster. Om sändaren är skyddad 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 nät med en sida på en kvarts tum räcker, glöm inte att ansluta skärmen till kabelflätan.
2. En matare med en karakteristisk impedans på 75 Ohm kräver koordination. Hitta eller gör en transformator som omvandlar 300 ohm till 75 ohm. Det är bättre att fylla på med en SWR-mätare och välja de nödvändiga parametrarna inte genom beröring, utan genom att använda enheten.
3. Fyra stjärnor, böj från koppartråd. Vi kommer att rengöra lackisoleringen i korsningen med mataren (om någon). Antennens interna matning består av två parallella stycken tråd. Det är en bra idé att placera antennen i en låda för att skydda den mot dåligt väder.

Montering av fraktalantenn för digital-tv

Efter att ha läst denna recension till slutet kan vem som helst göra fraktala antenner. Vi kom så djupt in i designen att vi glömde att prata om polarisering. Vi antar att den är linjär och horisontell. Detta beror på överväganden:

• Videon är uppenbarligen av amerikanskt ursprung, samtalet handlar om HDTV. Därför kan vi anta modet i det angivna landet.
• Som ni vet sänder få länder 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, vi tror att båda länderna strategiskt valde vad och hur de skulle överföra, andra länder utgick från rent praktiska överväganden. Cirkulär polarisering introducerades specifikt för spionsatelliter (som rör sig konstant i förhållande till observatören). Det finns därför anledning att tro att det finns likheter i tv- och radiosändningar.
• Antennstrukturen säger att den är linjär. Det finns helt enkelt ingenstans att få cirkulär eller elliptisk polarisering. Därför - om inte bland våra läsare det finns proffs som äger MMANA - om antennen inte fångar i det accepterade läget, rotera 90 grader i sändarens plan. Polarisationen kommer att ändras till vertikal. Förresten, många kommer att kunna fånga FM om måtten är inställda 4 gånger större. Det är bättre att ta en tjockare tråd (till exempel 10 mm).

Vi hoppas att vi förklarade för läsarna hur man använder en fraktalantenn. Ett par tips för enkel montering. Så försök hitta tråd med lackerat skydd. Böj formerna som visas på bilden. Sedan skiljer sig designerna åt, vi rekommenderar att du gör så här:

1. Skala av stjärnorna och matarledningarna vid kopplingspunkterna. Fäst matarledningarna vid öronen med bultar på baksidan i mitten. För att utföra åtgärden korrekt, mät en tum i förväg och rita två parallella linjer med en penna. Det ska finnas ledningar längs dem.
2. Löd en enda struktur, kontrollera noggrant avstånden. Författarna till videon rekommenderar att man gör emittern så att stjärnorna ligger platt på matarna med sina hörn och vilar med sina motsatta ändar på kanten av substratet (var och en på två ställen). För en ungefärlig stjärna är platserna markerade med blått.
3. För att uppfylla villkoret, dra åt varje stjärna på ett ställe med en bult med en dielektrisk klämma (till exempel PVA-trådar gjorda av cambric och liknande). I figuren visas monteringsplatserna i rött för en stjärna. Bulten är schematiskt ritad med en cirkel.

Strömkabeln går (tillval) från 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. Låt oss påminna dig om hur detta går till. Du behöver en generator på frekvensen för programmet du tittar på, till exempel 500 MHz, och dessutom en högfrekvent voltmeter som inte ger upp signalen.

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

Det är nu möjligt att tillverka transformatorn efter behov. Det är svårt att hitta det du behöver på Internet; för dem som gillar att fånga radiosändningar hittade vi ett färdigt svar http://www.cqham.ru/tr.htm. Det står skrivet och ritat på hemsidan hur man matchar belastningen med en 50 Ohm kabel. Observera att frekvenserna motsvarar HF-området, SW passar delvis här. Den karakteristiska impedansen för antennen bibehålls i intervallet 50 – 200 ohm. Det är svårt att säga hur mycket stjärnan kommer att ge. Om du har en enhet på din gård för att mäta vågimpedansen för en linje, låt oss påminna dig: om längden på mataren är en multipel av en fjärdedel av våglängden, överförs antennimpedansen till utgången utan ändringar. För små och stora räckvidder är det omöjligt att tillhandahålla sådana förhållanden (kom ihåg att särskilt fraktala antenner också inkluderar ett utökat räckvidd), men för mätändamål används det nämnda faktum överallt.

Nu vet läsarna allt om dessa fantastiska transceiver-enheter. En sådan ovanlig form tyder på att mångfalden av universum inte passar in i typiska gränser.

Världen är inte utan bra människor :-)
Valery UR3CAH: "God eftermiddag, Egor. Jag tror att den här artikeln (nämligen avsnittet "Fraktalantenner: less is more") motsvarar temat på din webbplats och kommer att vara av intresse för dig:) 73!"
Ja, visst är det intressant. Vi har redan berört detta ämne i viss utsträckning när vi diskuterade hexabims geometri. Även där fanns ett dilemma med att ”packa” den elektriska längden i geometriska dimensioner :-). Så tack, Valery, så mycket för att du skickade materialet.
Fraktalantenner: less is more
Under det senaste halvseklet har livet snabbt börjat förändras. De flesta av oss accepterar prestationer modern teknik för givet. Man vänjer sig väldigt snabbt vid allt som gör livet bekvämare. Sällan ställer någon frågorna "Var kom detta ifrån?" och "Hur fungerar det?" En mikrovågsugn värmer upp frukosten – jättebra, en smartphone ger dig möjlighet att prata med en annan person – jättebra. Detta verkar vara en självklar möjlighet för oss.
Men livet kunde ha varit helt annorlunda om en person inte hade sökt en förklaring till att händelserna utspelade sig. Ta mobiltelefoner till exempel. Kommer du ihåg de infällbara antennerna på de första modellerna? De störde, ökade storleken på enheten och till slut gick de ofta sönder. Vi tror att de har sjunkit i glömska för alltid, och en del av anledningen till detta är... fraktaler.
Fraktalmönster fascinerar med sina mönster. De liknar definitivt bilder av kosmiska objekt - nebulosor, galaxhopar och så vidare. Det är därför helt naturligt att när Mandelbrot uttryckte sin teori om fraktaler väckte hans forskning 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, fick idén praktisk applikation förvärvade kunskaper. Det är sant att han gjorde detta 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, bestod av att öka dess geometriska dimensioner. Ägaren till fastigheten i centrala Boston som Nathan hyrde var dock kategoriskt emot att installera stora enheter på taket. Sedan började Nathan experimentera med olika antennformer och försökte få maximalt resultat med den minsta storleken. Inspirerad av idén om fraktala former gjorde Cohen, som de säger, slumpmässigt en av de mest kända fraktalerna från tråd - "Koch-snöflingan". Den svenska matematikern Helge von Koch kom med denna kurva redan 1904. Det erhålls genom att dela ett segment 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 i figuren är allt tydligt och enkelt.
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 gör antennens form i form av en fraktalkurva det möjligt att avsevärt minska de geometriska dimensionerna. Nathan Cohen kom till och med på ett teorem som bevisade att man skulle skapa bredbandsantenn det räcker för att ge den formen av en självliknande fraktalkurva.

Författaren patenterade sin upptäckt och grundade ett företag för utveckling och design av fraktala antenner, Fractal Antenna Systems, med rätta att tro att mobiltelefoner i framtiden, tack vare hans upptäckt, kommer att kunna bli av med skrymmande antenner och bli mer kompakta. I princip var det så här. Sant, till denna dag är Nathan engagerad i en juridisk strid med stora företag, som illegalt använder sin upptäckt för att producera kompakta kommunikationsenheter. Några kända tillverkare Mobil enheter, som Motorola, har redan nått ett fredsavtal med uppfinnaren av fraktalantennen. Originalkälla

Under de senaste åren har jag regelbundet ställts inför utmaningarna med att utveckla UWB (ultra-wideband) mikrovågsmoduler och funktionella enheter. Och hur tråkigt det än är för mig att säga detta, så får jag nästan all information om ämnet från utländska källor. Men för en tid sedan, på jakt efter den information jag behövde, stötte jag på en som lovade en lösning på alla mina problem. Jag vill berätta hur problemen inte löstes.

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

1. Överensstämmelse 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 med att gå under 1 GHz i frekvens. Jag fick generellt intrycket att 1 GHz-frekvensen har någon form av mystisk kraft - du kan komma nära den, 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 att få människor nu behöver en vågledarhornsantenn av enorm storlek. Alla vill ha en antenn som är liten, lätt och kompakt så att den kan skjutas in i ett hus. bärbar enhet. Men vid komprimering av antennen blir det mycket svårt att följa paragraf 1 i kraven för antennen, eftersom Den minsta frekvensen för driftområdet är nära relaterad till antennens maximala storlek. Någon kommer att säga att man kan göra en antenn på ett dielektrikum med en hög relativ dielektricitetskonstant... Och de 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 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 antennen vid tillverkningsstadiet tryckt kretskort tenderade till 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 vid skapandet av olika sensorer med hjälp av UWB-teknik (här måste det klargöras att vi pratar om om lågeffektapplikationer där varje dBm räknas). Och detta krav anger att strålningsmönstret (DP) för den designade antennen bör bildas i endast en halvklot. Vad är det för? För att antennen bara ska "lysa" i en riktning, utan att försvinna dyrbar kraft i "återgången". Detta gör att du också kan förbättra 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 begränsningar och förbud som han måste 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 framkallar 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 går djärvt igång och matar strukturen som föreslagits av artikelförfattaren till simulatorn. Simulatorn morrar gutturalt 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. Jag får tårar i ögonen för... återigen krockade dina barndoms luftiga drömmar med gjutjärn...verkligheten. Det finns ingen koordination 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 växlingspunkten börjar, olika variationer med topologin, men allt är förgäves - det är dött!

Det tråkigaste i den här situationen är att du till sista stund letar efter orsaken till misslyckande hos dig själv. Tack till mina arbetskamrater som förklarade att allt var korrekt - det borde inte fungera.

P.S. Jag hoppas att mitt fredagsinlägg väckte ett leende på läpparna.
Moralen i denna presentation är denna: var vaksam!
(Och jag ville verkligen skriva en ANTI-artikel om detta, för jag blev lurad).

Det första jag skulle vilja skriva om är en liten introduktion till fraktala antenners historia, teori och användning. Fraktalantenner upptäcktes nyligen. 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 inre områden 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 delar, där varje del är en mindre kopia av helheten - 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 ungefär 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.

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

Wikipedia:

"Fraktalantennens svar skiljer sig märkbart 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 den frekvensen. Därför är en fraktalantenn, till skillnad från en konventionell antenn, 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 uppnå. För att göra detta måste du använda matematik (eller en onlineräknare).

I mitt exempel ska jag göra enkel antenn, men du kan göra det mer komplicerat. Ju mer komplex desto bättre. Jag kommer att använda en spole av 18-tråds solid kärntråd för att göra antennen, men du kan anpassa dina egna kretskort för att passa din estetik, göra den mindre eller mer komplex med större 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 varierar i längd från cirka 15 cm till 150 cm för halv våglängd. För enkelhetens skull och till låg kostnad för delar kommer jag att 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 du lägga till en regissör eller reflektor, men detta kommer att göra mottagningen mer beroende av antennens riktning. VHF är också riktad, men istället för att peka direkt på TV-stationen i en UHF-installation kommer du behöva montera VHF-öronen vinkelrätt mot TV-stationen. Detta kommer att kräva lite mer ansträngning. Jag vill göra designen så enkel som möjligt, för det här är redan en ganska komplex sak.

Huvudkomponenter:

• Monteringsyta, såsom ett plasthölje (20 cm x 15 cm x 8 cm)
• 6 skruvar. Jag använde stålplåtsskruvar
• Transformator med motstånd från 300 Ohm till 75 Ohm.
• 18 AWG (0,8 mm) monteringstråd
• RG-6 koaxialkabel med terminatorer (och med en gummimantel om installationen ska ske 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 borr, en något mindre i diameter än dina skruvar
• Liten trådskärare
• Skruvmejsel eller skruvmejsel

Notera: Undersidan av aluminiumtrådantennen är på höger sida av bilden där transformatorn sticker ut.

Steg 1: Lägga till en reflektor

Montera huset med reflektorn under plastkåpan

Steg 2: Borra hål och installera monteringspunkter

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

Steg 3: Mät, klipp och skala ledningar

Klipp fyra stycken 20 cm tråd och lägg dem på kroppen.

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 punkter)

Steg 5: Skapa fraktaler

Detta steg måste upprepas för varje bit tråd. Varje böj bör 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 ett märke. Innan du gör veck, visualisera riktningen för var och en av dem. Använd det bifogade diagrammet för detta.

Steg 6: Skapa dipoler

Klipp ytterligare två bitar av tråd som är minst 6 tum långa. Linda dessa trådar runt de övre och nedre skruvarna längs långsidan och linda dem sedan runt mittskruvarna. Klipp sedan bort överskottslängden.

Steg 7: Installation av dipoler och installation av transformator

Fäst var och en av fraktalerna på hörnskruvarna.

Fäst en transformator med lämplig 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 en pappersmall från GIMP. Jag använde en liten solid telefontråd. Den var liten, stark och tillräckligt böjlig för att böjas in i de komplexa former som krävs för mittfrekvensen (554 MHz). Detta är genomsnittet digital signal UHF för kanaler marksänd tv i mitt område.

Foto bifogat. Det kan vara svårt att se koppartrådarna i svagt ljus mot kartong och tejp ovanpå, men ni fattar.

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

Jag har även lagt till en mall i png-format. 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 hjälp av 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 diskuterar problemet med att designa en ultrabredbandsantenn baserad på fraktalteknik. Resultaten av studier av förändringar i strålningsegenskaper beroende på skalfaktor presenteras.och iterationsnivå. Parametrisk optimering av antenngeometrin utfördes för att möta kraven på reflektionskoefficienten. Dimensionerna på den utvecklade antennen är 34 × 28 mm 2, och driftsfrekvensområdet är 3,09 ÷ 15 GHz.

Nyckelord:ultrabredbandsradiokommunikation, fraktalteknik, antenner, reflektans.

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 gör det möjligt att sända enorma dataströmmar med höga hastigheter i ett ultrabrett frekvensband på licensfri basis. Särdragen hos de överförda signalerna innebär frånvaron av kraftfulla förstärkare och komplexa signalbehandlingskomponenter som en del av sändtagarekomplexen, men de begränsar räckvidden (5-10 m).

Avsaknaden av en lämplig elementbas som effektivt kan arbeta med ultrakorta pulser håller tillbaka massantagandet 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.

Således är antenngeometrin byggd på basis av en spline med en rektangulär U-formad slits i mitten, vilket gör att den kan arbeta i UWB-bandet med en blockeringsfunktion WLAN -band, antennmått - 45,6 × 29 mm 2. En asymmetrisk E-formad figur som mäter 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 monopol antenn (22x22mm2) designad baserad på ett rektangulärt strålande element och en stegresonansstruktur på baksidan presenteras.

2 Redogörelse för problemet

På grund av det faktum att cirkulära strukturer kan ge en ganska bred bandbredd, förenklad design, liten storlek och minskade produktionskostnader, föreslår detta dokument att utveckla en UWB-antenn baserad på en cirkulär monopol. Erforderligt arbetsfrekvensområde – 3,1 ÷ 10,6 GHz vid en nivå av -10 dB reflektionskoefficient S 11, (Fig. 1).

Ris. 1. Obligatorisk mask för reflektans S 11

För miniatyriseringsändamål kommer antennens geometri att moderniseras genom användning av fraktalteknik, vilket också gör det möjligt att studera strålningsegenskapernas beroende av skalfaktorns värde δ och nivån på fraktal iteration.

Därefter sattes uppgiften att optimera den utvecklade fraktalantennen för att utöka driftsområdet genom att ändra följande parametrar: längden på den centrala ledaren (CP) för den koplanära vågledaren (HF), längden på jordplanet (GP) ) av HF, avståndet "CP HF - strålningselement (E)".

Antennmodellering och numeriska experiment utförs i " CST Microwave Studio".

3 Välja antenngeometri

En cirkulär monopol valdes som grundelement, vars dimensioner är en fjärdedel av våglängden för det erforderliga området:

Var L ar– längden på antennens strålningselement utan att ta hänsyn till CPU;f L– undre gränsfrekvens,f L = f min uwb = 3,1·109 Hz; Med- ljusets hastighet, Med = 3·108 m/s2.

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 tar den ursprungliga CPU-längdenL f också lika r, får vi nolliterationen (fig. 2).

Ris. 2. Noll iteration av antennen

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

Tabell 1. Antennparametrar ( δ = 2)

namn	Beskrivning	Formel	Menande
L a	Antennens längd	2 ∙ r + L f	36 mm
W a	Antennens bredd	2 ∙ r	24 mm
L f	CPU-längd	r + 0,1	12,1 mm
Wf	CPU bredd		1,66 mm
L g	PZ längd	r – T s	11,24 mm
L s	Substratlängd	L a + G s	37 mm
W s	Substratbredd	W a+ 2 ∙ G s	26 mm
G s 1	Vertikal substratspalt		1 mm
G s 2	Horisontell substratspalt		1 mm
Tm	Metalltjocklek		0,035 mm
T s	Substrattjocklek		0,76 mm
r	Radie för cirkeln för den 0:e iterationen		12 mm
r 1	Radie för cirkeln för den första iterationen	r /2	6 mm
r 2	Radie för cirkeln för den andra 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 central ledare och ett jordplan, SMA -kontakt och en koplanär vågledarport (CWP) placerad vinkelrätt mot den (fig. 3).

Var eff – effektiv dielektricitetskonstant:

K – fullständig elliptisk integral av det första slaget;

	(5)

Fraktalitet vid konstruktion av en antenn ligger i ett speciellt sätt att packa element: efterföljande iterationer av antennen bildas genom att placera cirklar med 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 tillfället δ = 2 visas i fig. 4.

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

Således erhölls den första iterationen genom att subtrahera två cirklar med en radier 1 från det ursprungliga elementet. Den andra iterationen bildas genom att placera metallcirklar halverade i radier 2 i varje cirkel av den första iterationen. Den tredje iterationen liknar den första, men radien är detr 3 . Verket undersöker det vertikala och horisontella arrangemanget av cirklar.

3.1 Horisontellt arrangemang av element

Dynamiken för förändringar i reflektionskoefficienten beroende på iterationsnivån presenteras i fig. 5 för δ = 2 och i fig. 6 för δ = 3. Varje ny ordning motsvarar ytterligare en resonansfrekvens. Således motsvarar nolliterationen i det betraktade området 0 ÷ 15 GHz 4 resonanser, den första iterationen – 5, etc. Dessutom, från och med den andra iterationen, blir förändringar i egenskapernas beteende mindre märkbara.

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

Kärnan i modellering är att i varje steg, från de egenskaper som övervägs, väljs den som bedöms vara den mest lovande. I detta avseende har följande regel införts:

Om överskottet (skillnaden) i intervallet där hyllan är över -10 dB är liten, bör du välja egenskapen som har en lägre hylla i driftsområdet (under -10 dB), eftersom som ett resultat av optimering den första kommer att elimineras, och den andra sjunker 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 – andra iteration.

Därefter föreslås att man studerar reflektionskoefficientens beroende av värdet på skalfaktorn. Tänk på förändringen 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 åtföljd av en höjning av nivån S 11 i jämna intervall och en minskning av udda.

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

I det här fallet är värdet som valts för båda iterationerna δ = 6.

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

δ = 6, eftersom den kännetecknas av de lägsta hyllorna och de djupaste resonanserna (fig. 9).

Ris. 9. Jämförelse av S 11

3.2 Vertikalt arrangemang av element

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

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

Baserat på inhämtade uppgifter och i enlighet med regeln för δ = 2 och δ = 3 är kurvan som motsvarar den tredje iterationen vald.

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 horisontellt arrangemang.

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

I det här fallet är värdet som valts för båda iterationerna δ = 6, vilket också representerarn-multipel fraktal, vilket betyder att den kan behöva kombinera funktioner 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 betraktade antenngeometrierna

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. Därefter kommer designen att moderniseras för att utveckla en antenn som fungerar i hela UWB-sortimentet.

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 i , och intervallen för deras förändringar finns i tabell 2.

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

I fig. 20 visar de egenskaper som återspeglar förändringens dynamik S 11 steg för steg och bevisa giltigheten av varje efterföljande åtgärd. Tabell 4 visar resonans- och gränsfrekvenser som används vidare för att beräkna ytströmmar och strålningsmönster.

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 antennytströmmar vid resonans- och gränsfrekvenserna för UWB-området visas i fig. 21, och strålningsmönstren är 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° g) 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 storlekarna på nyckelantennkomponenter på strålningsegenskaperna.

Det har fastställts att när iterationsordningen ökar, 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 nivåmässigt 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 professor 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.