Зробити фрактальну антену із друкованої плати. Фрактальні антени. антена решітка фрактальна

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Антенною називається радіотехнічний пристрій, призначений для випромінювання або прийому електромагнітних хвиль. Антена є одним із найважливіших елементів будь-якої радіотехнічної системи, пов'язаної з випромінюванням або прийомом радіохвиль. До таких систем відносять: системи радіозв'язку, радіомовлення, телебачення, радіоуправління, радіорелейного зв'язку, радіолокації, радіоастрономії, радіонавігації та ін.

У конструктивному відношенні антена є дроти, металеві поверхні, діелектрики, магнітодіелектрики. Призначення антени пояснюється спрощеною схемою радіолінії. Електромагнітні коливання високої частоти, модульовані корисним сигналом і створювані генератором, перетворюються антеною, що передає, в електромагнітні хвилі і випромінюються в простір. Зазвичай електромагнітні коливання підводять від передавача до антени безпосередньо, а з допомогою лінії живлення (лінія передачі електромагнітних хвиль, фідер).

При цьому вздовж фідера поширюються пов'язані з ним електромагнітні хвилі, які перетворюються антеною на електромагнітні хвилі вільного простору, що розходяться.

Приймальна антена вловлює вільні радіохвилі і перетворює їх у зв'язані хвилі, що підводяться за допомогою фідера до приймача. Відповідно до принципу оборотності антени властивості антени, що працює в режимі передачі, не змінюються під час роботи цієї антени в приймальному режимі.

Пристрої, аналогічні антенам, застосовують також для збудження електромагнітних коливаньв різних типаххвилеводів та об'ємних резонаторів.

1. Основні характеристики антен

1.1 Короткі відомості основних параметрів антен

При виборі антен порівнюють основні характеристики: діапазон робочих частот (смуга пропускання), коефіцієнт посилення, діаграма спрямованості, вхідний опір, поляризація. Кількісно коефіцієнт посилення антени Ga показує, у скільки разів потужність сигналу, прийнятого даною антеною, більше потужностісигналу, прийнятого найпростішою антеною - напівхвильовим вібратором (ізотропним випромінювачем), поміщеним ту саму точку простору. Коефіцієнт посилення виявляється у децибелах dB чи дБ. Слід розрізняти коефіцієнт посилення, визначений вище, що позначається dB або dBd (щодо диполя або напівхвильового вібратора), і коефіцієнт посилення щодо ізотропного випромінювача, що позначається ISO або dBi. У кожному разі необхідно порівнювати однотипні величини. Бажано мати антену з великим посиленням, проте збільшення посилення вимагає, як правило, ускладнення її конструкції та габаритів. Не буває простих малогабаритних антен із великим коефіцієнтом посилення. Діаграма спрямованості (ДН) антени показує, як антена приймає сигнали з різних напрямків. При цьому необхідно обов'язково розглядати ДН антени як у горизонтальній, так і вертикальній площинах. Ненаправлені антени в будь-якій площині мають ДН у формі кола, тобто антена може приймати сигнали з усіх боків однаково, наприклад, діаграма спрямованості вертикального штиря в горизонтальній площині. Спрямована антена характеризується наявністю однієї чи кількох пелюстків ДН, найбільший у тому числі називається головним. Зазвичай крім головного є задній і бічні пелюстки, рівень яких значно менше головної пелюстки, що погіршують роботу антени, через що прагнуть максимально зменшити їх рівень.

Вхідним опором антени вважають відношення миттєвих значень напруги до струму сигналу в точках живлення антени. Якщо напруга і струм сигналу при цьому збігаються по фазі, то відношення є справжньою величиною і вхідний опір є чисто активним. При зрушенні фаз крім активної складової з'являється реактивна - індуктивна або ємнісна залежно від того, чи відстає по фазі струм від напруги або випереджає його. Вхідний опір залежить від частоти сигналу. Крім перерахованих основних характеристик антени мають ряд інших важливих параметрів, таких як коефіцієнт стоячої хвилі КСВ (SWR - Standing Wave Ratio), рівень крос-поляризації, діапазон робочих температур, вітрові навантаження тощо.

1.2 Класифікація антен

Антени можна класифікувати за різними ознаками: за ДШ-пазонним принципом, характером випромінюючих елементів (антени з лінійними струмами, або вібраторні антени, антени, що випромінюють через розкрив - апертурні антени, антени поверхневих волі); на вигляд радіотехнічної системи, у якій використовується антена (антени для радіозв'язку, для радіомовлення, телевізійні та інших.). Дотримуватимемося діапазонної класифікації. Хоча в різних діапазонах хвиль дуже часто застосовують антени з однаковими (за типом) випромінюючими елементами, проте конструктивне виконання їх різне; значно відрізняються також параметри цих антен і вимоги до них.

Розглядаються антени наступних хвильових діапазонів (назви діапазонів даються відповідно до рекомендацій «Регламенту радіозв'язку»; у дужках вказуються назви, широко поширені в літературі з антенно-фідерних пристроїв): світіаметрові (наддовгі) хвилі (); кілометрові (довгі) хвилі (); гектометрові (середні) хвилі (); декаметрові (короткі) хвилі (); метрові хвилі (); дециметрові хвилі (); сантиметрові хвилі (); міліметрові хвилі (). Останні чотири діапазони іноді об'єднують загальною назвою ультракороткі хвилі (УКХ).

1.2.1 Діапазони антен

В останні роки на ринку радіозв'язку та мовлення з'явилася велика кількість нових систем зв'язку різного призначення, що мають різні характеристики. З точки зору користувачів, при виборі системи радіозв'язку або мовної системи в першу чергу звертається увага на якість зв'язку (мовлення), а також на зручність користування цією системою (терміналом користувача), що визначається габаритами, вагою, простотою управління, переліком додаткових функцій. Всі ці параметри істотно визначаються типом і конструкцією антенних пристроїв і елементів антенно-фідерного тракту системи, що розглядається, без яких здійснення радіозв'язку немислимо. У свою чергу, визначальним фактором конструкції та ефективності антен є діапазон їх робочих частот.

Відповідно до прийнятої класифікації діапазонів частот виділяють і кілька великих класів (груп) антен, що принципово різняться між собою: антени наддовгохвильового (СДВ) і довгохвильового (ДВ) діапазонів; антени середньохвильового (СВ) діапазону; антени короткохвильового (КВ) діапазону; антени ультракороткохвильового (УКХ) діапазону; антени надвисокочастотного (НВЧ) діапазону.

Найбільш затребуваними останніми роками з погляду надання послуг персонального зв'язку, радіо- та телемовлення є радіосистеми КВ, УКХ та НВЧ діапазону, антенні пристрої яких і будуть розглянуті нижче. При цьому необхідно помітити, що, незважаючи на неможливість винаходу нового в антенній справі, в останні роки на основі нових технологій і принципів зроблено суттєві вдосконалення класичних антен і розроблені нові антени, що принципово відрізняються від раніше існуючих конструкцією, розмірами, основними характеристиками і т.д. п., що призвело до значного збільшення кількості типів антенних пристроїв, що застосовуються в сучасних радіосистемах.

У будь-якій системі радіозв'язку можуть існувати антенні пристрої, призначені тільки для передачі, для прийому або тільки для прийому.

Для кожного з діапазонів частот необхідно також розрізняти антенні системи радіопристроїв спрямованої та неспрямованої (всеспрямованої) дії, що у свою чергу визначається призначенням пристрою (зв'язку, мовлення і т.д.), завданнями, що вирішуються пристроєм (повідомлення, зв'язок, мовлення тощо). д.). У загальному випадку для збільшення спрямованості антен (для звуження діаграми спрямованості) можуть використовуватися антенні грати, що складаються з елементарних випромінювачів (антен), які за певних умов їх фазування можуть забезпечити необхідні зміни напряму променя антени в просторі (забезпечити управління положенням діаграми спрямованості антени). У межах кожного діапазону також можна виділити антенні пристрої, що працюють тільки на певній частоті (одночастотні або вузькодіапазонні), і антени, що працюють у досить широкому діапазоні частот (широкосмугові або широкодіапазонні).

1.3 Випромінювання антенних решіток

Для отримання високої спрямованості випромінювання, часто необхідної на практиці, можна використовувати систему слабко спрямованих антен, таких як вібратори, щілини, відкриті кінці хвилеводів, та інших, які певним чином розташовані в просторі і збуджуються струмами з необхідним співвідношенням амплітуд і фаз. У цьому випадку загальна спрямованість, особливо при великій кількості випромінювачів, визначається в основному габаритними розмірами всієї системи та значно меншою мірою - індивідуальними спрямованими властивостями окремих випромінювачів.

До таких систем відносять антенні решітки (АР). Зазвичай АР називається система ідентичних випромінюючих елементів, однаково орієнтованих у просторі та розташованих за певним законом. Залежно від розташування елементів розрізняють лінійні, поверхневі та об'ємні грати, серед яких найбільш поширені прямолінійні та плоскі АР. Іноді випромінюючі елементи розташовуються по дузі кола або криволінійних поверхнях, що збігаються з формою об'єкта, на якому розташована АР (конформна АР).

Найпростішою є лінійна АР, в якій випромінюючі елементи розташовуються вздовж прямої, званої віссю ґрат, на рівних відстанях один від одного (еквідистантна АР). Відстань між фазовими центрами випромінювачів називають кроком решітки. Лінійна АР, крім самостійного значення, є часто основою при аналізі інших типів АР.

2 . Аналіз перспективних антенних структур

2.1 Антени КВ та УКХ діапазонів

Малюнок 1 - Антена базових станцій

У КВ та УКХ діапазонахв даний час працює велика кількість радіосистем різного призначення: зв'язку (радіорелейного, стільникового, транкінгового, супутникового тощо), радіомовлення, телевізійного мовлення. За конструкцією та характеристиками всі антенні пристрої цих систем можна розділити на дві основні групи - антени стаціонарних та антени рухомих пристроїв. До стаціонарних можна віднести антени базових станцій зв'язку, приймальні телевізійні антени, антени радіорелейних ліній зв'язку, а до рухомих - антени терміналів користувачів персонального зв'язку, автомобільні антени, антени (портативних) радіостанцій.

Антени базових станцій в основному є неспрямованими в горизонтальній площині, оскільки забезпечують зв'язок переважно з рухомими об'єктами. Найбільшого поширення набули штирьові антени вертикальної поляризації типу «Ground Plane» («GP») через простоту своєї конструкції та достатню ефективність. Така антена являє собою вертикальний штир довжиною L, що вибирається відповідно до робочої довжини хвилі л, з трьома або більше противагами, що встановлюються, як правило, на щоглі (рисунок 1).

Довжина штирів L становить величини л/4, л/2 і 5/8л, а противаг - у межах від 0.25л до 0.1л. Вхідний опір антени залежить від кута між противагою і щоглою: що менше цей кут (що більше противаги притиснуті до щогли), то більший опір. Зокрема, для антени з L = л/4 вхідний опір 50 Ом досягається при куті, що дорівнює 30є ... 45є. Діаграма спрямованості такої антени у вертикальній площині має максимум під кутом 30є до горизонту. Коефіцієнт посилення антен дорівнює коефіцієнту посилення вертикального напівхвильового диполя. У такій конструкції, однак, відсутнє з'єднання штиря з щоглою, що вимагає додаткового використаннякороткозамкнутого шлейфу з кабелю довжиною л/4 для захисту антени від грози та статичної електрики.

Антена довжиною L = л/2 не потребує противаг, роль яких грає щогла, та її ДН у вертикальній площині сильніше притиснута до горизонту, що підвищує її дальність дії. В цьому випадку для зниження вхідного опору використовується високочастотний трансформатор, а основа штиря з'єднується із заземленою щоглою через узгоджуючий трансформатор, що автоматично вирішує проблему грозозахисту та статичної електрики. Посилення антени проти напівхвильовим диполем становить близько 4 дБ.

Найбільш ефективною з антен «GP» для телекомунікації є антена з L = 5/8л. Вона трохи довша за напівхвильову антену, а кабель фідера підключається до узгоджувальної індуктивності, розташованої в основі вібратора. Противаги (не менше 3-х) розташовуються в горизонтальній площині. Посилення такої антени становить 5-6 dB, максимум ДН розташований під кутом 15є до горизонту, а сам штир заземляється на щоглу через котушку, що узгоджує. Ці антени вузькосмугові напівхвильові, у зв'язку з чим вимагають більш ретельного налаштування.

Малюнок 2 - Антена напівхвильового вібратора

Малюнок 3 - Ромбічна антена напівхвильового вібратора

Більшість базових антен встановлюється на дахах будинків, що може сильно впливати на їх характеристики, тому необхідно враховувати таке:

Основу антени бажано розташовувати не нижче 3-х метрів від площини даху;

Поблизу антени не повинно бути металевих предметів та конструкцій (телевізійних антен, проводів тощо);

Встановлювати антени бажано якомога вище;

Робота антени має створювати перешкоди іншим базовим станціям.

Істотну роль при встановленні стійкого радіозв'язку грає поляризація сигналу, що приймається (випромінюваного); тому що при дальньому поширенні поверхнева хвилявідчуває значно менше загасання при горизонтальній поляризації, то для далекого радіозв'язку, а також при передачі телебачення застосовуються антени з горизонтальною поляризацією (вібратори розташовані горизонтально).

Найпростіший із спрямованих антен є напівхвильовий вібратор. У симетричного напівхвильового вібратора загальна довжина двох однакових плеч приблизно дорівнює л/2 (0.95 л/2), діаграма спрямованості має вигляд вісімки в горизонтальній площині і кола - у вертикальній. Коефіцієнт посилення, як зазначено вище, прийнято за одиницю виміру.

Якщо кут між вібраторами такої антени становить величину б<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.

При з'єднанні двох антен типу V таким чином, щоб їх ДН підсумовувалися, отримують ромбічну антену, у якої спрямованість виражена значно сильніше (рисунок 3).

При підключенні до вершини ромба, протилежної точок живлення, опору навантаження Rn, що розсіює потужність, рівну половині потужності передавача, досягається придушення задньої пелюстки ДН на 15 ... 20 dB. Напрямок головної пелюстки в горизонтальній площині збігається з діагоналлю a. У вертикальній площині головна пелюстка орієнтована горизонтально.

Однією з кращих щодо простих спрямованих антен є рамкова антена типу «подвійний квадрат», коефіцієнт посилення якої становить 8…9 дБ, придушення задньої пелюстки ДН – не менше ніж 20 дБ, поляризація – вертикальна.

Малюнок 4 - Антена «хвильовий канал»

Найширше поширення, особливо в УКХ діапазоні, набули антени типу «хвильовий канал» (у зарубіжній літературі - антени Уда-Яги), оскільки вони досить компактні і забезпечують отримання більших значень Ga при порівняно невеликих габаритах. Антени цього типу є набором елементів: активних - вібратор і пасивних - рефлектор і кількох директорів, встановлених однією загальної стрілі (рисунок 4). Такі антени, особливо при великій кількості елементів, при виготовленні вимагають ретельного налаштування. Для триелементної антени (вібратор, рефлектор та один директор) основні характеристики можуть бути забезпечені без додаткового налаштування.

Складність антен цього типу полягає також і в тому, що вхідний опір антени залежить від кількості пасивних елементів і істотно залежить від налаштування антени, через що в літературі досить часто не вказується точно значення вхідного опору таких антен. Зокрема, при використанні як вібратора петлевого вібратора Пістолькорса, що володіє вхідним опором близько 300 Ом, при збільшенні кількості пасивних елементів вхідний опір антени зменшується і досягає значень 30-50 Ом, що призводить до неузгодженості з фідером і вимагає додаткового узгодження. Зі збільшенням числа пасивних елементів ДН антени звужується, а коефіцієнт підсилення зростає, наприклад для триелементної та п'ятиелементної антен коефіцієнти підсилення становлять 5…6 дБ та 8…9 дБ при ширині основної пелюстки ДН 70є та 50є відповідно.

Більш широкосмуговими порівняно з антенами типу «хвильовий канал» і не потребують налаштування є антени хвилі, що біжить (АБВ), у яких всі вібратори, розташовані на однаковій відстані один від одного, є активними і підключаються до збірної лінії (рисунок 5). Прийнята ними енергія сигналу складається в збірній лінії майже фазі і надходить у фідер. Коефіцієнт посилення таких антен визначається довжиною збірної лінії, пропорційний відношенню цієї довжини до довжини хвилі сигналу і залежить від спрямованих властивостей вібраторів. Зокрема, для АБВ з шістьма вібраторами різної довжини, що відповідають необхідному діапазону частот і розташованими під кутом 60є до збірної лінії, коефіцієнт посилення коливається від 4 дБ до 9 дБ в межах робочого діапазону, а рівень заднього випромінювання нижче на 14 дБ.

Малюнок 5 - Антена хвилі, що біжить

Малюнок 6 - Антена з логарифмічною періодичністю структури або логоперіодична антена

Спрямовані властивості розглянутих антен змінюються залежно від довжини хвилі сигналу, що приймається. Одним з найбільш поширених типів антен з незмінною формою ДН у широкому діапазоні частот є антени з логарифмічною періодичністю структури або логоперіодичні антени (ЛПА). Вони відрізняються широким діапазоном: максимальна довжина хвилі сигналу перевищує мінімальну більш ніж в 10 разів. При цьому у всьому робочому діапазоні забезпечується гарне узгодження антени з фідером, а коефіцієнт посилення практично не змінюється. Збірна лінія ЛПА зазвичай утворюється двома провідниками, розташованими один над одним, до яких горизонтально кріпляться плечі вібраторів по черзі через один (рисунок 6, вид зверху).

Вібратори ЛПА виявляються вписаними в рівнобедрений трикутник з кутом при вершині б і основою, що дорівнює найбільшому вібратору. Робоча смуга антени визначається розмірами найдовшого та найкоротшого вібраторів. Для логарифмічної структури полотна антени має бути виконане певне співвідношення між довжинами сусідніх вібраторів, а також між відстанями від них до вершини структури. Це співвідношення називається періодом структури ф:

B2? B1 = B3? B2 = A2? A1 = A3? A2=…=ф

Таким чином, розміри вібраторів та відстані до них від вершини трикутника зменшуються у геометричній прогресії. Характеристики антени визначаються величиною ф та б. Чим менший кут б і чим більше б (б завжди менше 1), тим більший коефіцієнт посилення антени і менше рівень заднього та бічних пелюсток ДН. Однак при цьому збільшується кількість вібраторів, зростають габарити та маса антени. Оптимально вибирають значення кута б у межах 3є...60є, а ф - 0,7...0,9.

Залежно від довжини хвилі сигналу, що приймається, в структурі антени збуджуються кілька вібраторів, розміри яких найбільш близькі до половини довжини хвилі сигналу, тому ЛПА за принципом дії подібна до кількох антен «хвильовий канал», з'єднаних разом, кожна з яких містить вібратор, рефлектор і директор . При певній довжині хвилі сигналу збуджується лише одна трійка вібраторів, а інші настільки засмучені, що не впливають на роботу антени. Тому коефіцієнт посилення ЛПА виявляється меншим, ніж коефіцієнт посилення антени «хвильовий канал» з таким самим числом елементів, зате смуга пропускання у ЛПА виявляється значно ширшою. Так, для ЛПА з десяти вібраторів і значення б = 45є, ф = 0,84 розрахунковий коефіцієнт посилення становить 6 дБ, який практично не змінюється у всьому діапазоні робочих частот.

Для радіорелейних ліній зв'язку дуже важливо мати вузьку ДН, щоб не створювати перешкоди іншим радіоелектронним засобам та забезпечувати якісний зв'язок. Для звуження ДН широко застосовуються антенні решітки (АР), що звужують ДН у різних площинах і забезпечують різні значення ширини головної пелюстки. Цілком зрозуміло, що геометричні розміри АР і характеристики ДН істотно залежать від діапазону робочих частот - чим вище частота, тим компактнішим буде АР і вже ДН, а, отже, більший коефіцієнт посилення. Для тих самих частот зі збільшенням розмірів АР (кількості елементарних випромінювачів) ДН звужуватися.

Для діапазону УКХ часто використовуються грати, що складаються з вібраторних антен (петлевих вібраторів), кількість яких може досягати кількох десятків, коефіцієнт посилення при цьому збільшується до 15 дБ і вище, а ширина ДН у будь-якій з площин може бути звужена до 10є, наприклад для 16 вертикально розташованих петлевих вібраторів у діапазоні частот 395...535 МГц ДН звужується у вертикальній площині до 10є.

Основним видом застосовуваних у користувальницьких терміналах антен є штирьові антени вертикальної поляризації, що мають кругову ДН в горизонтальній площині. Ефективність цих антен є досить низькою через малі значення коефіцієнтів посилення, а також через вплив на ДН навколишніх предметів, а також відсутність повноцінного заземлення та обмеження геометричних розмірів антен. Останнє вимагає якісного узгодження антени із вхідними ланцюгами радіопристрою. Типовими конструктивними варіантами узгодження є розподілена по довжині індуктивність та індуктивність на підставі антени. Для збільшення дальності радіозв'язку використовуються спеціальні подовжені антени завдовжки кілька метрів, ніж досягається значне підвищення рівня сигналу.

В даний час існує безліч типів автомобільних антен, різних на вигляд, конструкції, ціні. До цих антен пред'являються жорсткі вимоги щодо механічних, електричних, експлуатаційних та естетичних параметрів. Найкращі результати дальності зв'язку має повнорозмірна антена довжиною л/4, проте великі геометричні розміри не завжди зручні, тому використовуються різні методи укорочення антен без суттєвого погіршення їх характеристик. Для забезпечення стільникового зв'язкув автомобілях можуть застосовуватися мікросмужкові резонансні антени (одно-, дво- та тридіапазонні), що не вимагають монтажу зовнішніх деталей, так як прикріплюються на внутрішній бік скла автомобіля. Такі антени забезпечують прийом-передачу сигналів вертикальної поляризації діапазону частот 450...1900 МГц, мають коефіцієнт посилення до 2 дБ.

2.1.1 Загальна характеристика антен НВЧ-діапазону

У діапазоні НВЧ останніми роками також відзначається збільшення кількості систем зв'язку і мовлення як раніше існували, і знову розроблених. Для наземних систем – це системи радіорелейного зв'язку, радіо- та телемовлення, системи стільникового телебачення тощо, для супутникових систем – безпосереднього телевізійного мовлення, телефонного, факсимільного, пейджингового зв'язку, відеоконференцзв'язку, доступу до Інтернету тощо. Використовувані діапазони частот для зазначених видів зв'язку та мовлення відповідають виділеним для цього ділянкам частотного спектра, основними з яких є: 3,4 ... 4,2 ГГц; 5,6 ... 6,5 ГГц; 10,7 ... 11,7 ГГц; 13,7 ... 14,5 ГГц; 17,7 ... 19,7 ГГц; 21,2 ... 23,6 ГГц; 24,5 ... 26,5 ГГц; 27,5 ... 28,5 ГГц; 36...40 ГГц. Іноді в технічній літературі до діапазону НВЧ відносять системи, що працюють на частотах понад 1 ГГц, хоча цей діапазон починається з 3 ГГц.

Для наземних систем НВЧ-діапазону антени є дзеркальні, рупорні, рупорно-лінзові антени невеликих розмірів, що встановлюються на щоглах і захищені від шкідливих атмосферних впливів. Спрямовані антени залежно від призначення, конструкції та діапазону частот мають широкий розкид характеристик, а саме: за коефіцієнтом посилення – від 12 до 50 дБ, за шириною ДН (рівень – 3дБ) – від 3,5 до 120є. Крім того, в системах стільникового телебачення використовуються біконічні всеспрямовані (в горизонтальній площині) антени, що складаються з двох металевих конусів, спрямованих вершинами один до одного, діелектричної лінзи, встановленої між конусами, та пристрої збудження. Такі антени мають коефіцієнт посилення 7...10 дБ, ширину головної пелюстки у вертикальній площині 8...15є, а рівень бічних пелюсток - не гірший за мінус 14 дБ.

3. Аналіз можливих методів синтезу антенних фрактальних структур

3.1 Фрактальні антени

Фрактальні антени - відносно новий клас електрично малих антен (ЕМА), що принципово відрізняється своєю геометрією від відомих рішень. По суті, традиційна еволюція антен базувалася на евклідовій геометрії, що оперує об'єктами цілісної розмірності (лінія, коло, еліпс, параболоїд тощо). Головна відмінність фрактальних геометричних форм - їх дробова розмірність, що зовні проявляється у рекурсивному повторенні у зростаючому чи зменшуваному масштабах вихідних детермінованих чи випадкових шаблонів. Фрактальні технології набули поширення при формуванні засобів фільтрації сигналів, синтезі тривимірних комп'ютерних моделей природних ландшафтів, стиску зображень. Цілком природно, що фрактальна «мода» не оминула і теорію антен. Тим більше що прообразом сучасних фрактальних технологій в антеній техніці з'явилися запропоновані в середині 60-х років минулого століття логоперіодичні та спіральні конструкції. Правда, у строгому математичному сенсі такі конструкції на момент розробки не мали відношення до фрактальної геометрії, будучи по суті лише фракталами першого роду. Зараз дослідники, переважно методом спроб і помилок, намагаються використовувати відомі в геометрії фрактали в антенних рішеннях. В результаті імітаційного моделювання та експериментів встановлено, що фрактальні антени дозволяють отримати практично той самий коефіцієнт посилення, що й звичайні, але при менших габаритах, що важливо для мобільних додатків. Розглянемо результати, отримані в області створення фрактальних антен різних типів.

Опубліковані Коен результати досліджень характеристик нової антеної конструкції привернули увагу фахівців. Завдяки зусиллям багатьох дослідників сьогодні теорія фрактальних антен перетворилася на самостійний, досить розвинений апарат синтезу та аналізу ЕМА.

3.2 Властивостіфрактальних антен

SFC можуть застосовуватися як шаблони для виготовлення монополів і плечей диполів, формування топології друкованих антен, частотно-селективних поверхонь (Frequency Selection Surfaces, FSS) або обичок дзеркальних рефлекторів, побудови контурів рамкових антен і профілів апертури рупорів, а також фрезерів .

Експериментальні дані, отримані фахівцями компанії Cushcraft для кривої Коха, чотирьох ітерацій меандру та спіральної антени, дозволяють зіставити електричні властивості антени Коха з іншими випромінювачами з періодичною структурою. Всі зіставлені випромінювачі мали багаточастотні властивості, що виявилося в наявності періодичних резонансів на графіках імпедансів. Однак для багатодіапазонних додатків найбільше придатний фрактал Коха, у якого зі зростанням частоти пікові значення реактивних та активних опорів зменшуються, тоді як у меандра та спіралі вони зростають.

В цілому слід зазначити, що теоретично уявити механізм взаємодії фрактальної приймальної антени і електромагнітних хвиль, що падають на неї, складно через відсутність аналітичного опису хвильових процесів у провіднику зі складною топологією. У такій ситуації основні параметри фрактальних антен доцільно визначати за допомогою математичного моделювання.

Приклад побудови першої самоподібної фрактальної кривої продемонстрував у 1890 році італійський математик Джузеппе Пеано (Peano). Запропонована ним лінія межі повністю заповнює квадрат, оббігаючи всі його точки (рисунок 9). Надалі були знайдені й інші подібні об'єкти, які отримали на ім'я першовідкривача їхнього сімейства узагальнюючу назву «криві Пеано». Щоправда, внаслідок суто аналітичного опису кривої, запропонованого Пеано, виникла певна плутанина у класифікації SFС-ліній. Насправді найменування «криві Пеано» слід було б давати лише оригінальним кривим, побудова яких відповідає аналітиці, опублікованій Пеано (рис. 10).

Малюнок 9 - Ітерації кривої Пеано: а) вихідна лінія, б) перша, в) друга та г) третя ітерації

Рисунок 10 - Ітерації ламаної, запропонованої Гільбертом у 1891 році

Нерідко сприймається як рекурсивна крива Пеано

Тому для конкретизації об'єктів антени, що розглядаються, при описі тієї чи іншої форми фрактальної антени слід, по можливості, згадувати і імена авторів, що запропонували відповідну модифікацію SFC. Це тим більше важливо, що згідно з підрахунками, кількість відомих різновидів SFC наближається до трьох сотень, причому ця цифра не є граничною.

Слід зазначити, що крива Пеано (малюнок 9) у вихідному вигляді цілком придатна для виготовлення щілин у стінках хвилеводу, друкованих та інших апертурних фрактальних антен, але не прийнятна для побудови дротяної антени, оскільки має ділянки, що стикаються. Тому фахівцями компанії Fractus була запропонована її модифікація, що отримала назву Peanodec (рисунок 11).

Малюнок 11 - Варіант модифікації кривої Пеано («Peanodec»): а) перша; б) друга; в) третя ітерації.

Перспективне застосування антен з топологією Коха - MIMO-системи зв'язку (системи зв'язку з багатьма входами та виходами). Для мініатюризації антенних ґрат абонентських терміналів у таких засобах комунікації фахівці Лабораторії електромагнетизму Університету Патраса (Греція) запропонували фрактальну подобу перевернутої L-антени (ILA). Суть ідеї зводиться до вигину вібратора Коха на 90° у точці, що ділить його на сегменти із співвідношенням довжин 2:1. Для мобільних засобів зв'язку з частотою несучої ~2,4 Гц габарити такої антени в друкованому виконанні становлять 12,33×10,16 мм (~л/10Чл/12), смуга пропускання – ~20% та ККД – 93%.

Малюнок 12 - Приклад дводіапазонної (2,45 та 5,25 ГГц) антеної решітки

Діаграма спрямованості азимуту майже рівномірна, коефіцієнт посилення в перерахунку до входу фідера становить ~3,4 дБ. Щоправда, як зазначено у статті, робота таких друкованих елементів у складі грат (рисунок 12) супроводжується зниженням їх ККД порівняно з одиничним елементом. Так, на частоті 2,4 ГГц ККД зігнутого на 90 ° монополя Коха знижується з 93 до 72%, а на частоті 5,2 ГГц - з 90 до 80%. Дещо краще справа з взаємним впливом антен високочастотної смуги: на частоті 5,25 ГГц розв'язка між елементами, що утворюють центральну пару антен, становить 10 дБ. Щодо взаємного впливу в парі сусідніх різнодіапазонних елементів, то залежно від частоти сигналу розв'язка змінюється від 11 дБ (на 2,45 ГГц) до 15 дБ (на частоті 5,25 ГГц). Причина погіршення ефективності роботи антен – взаємний вплив друкованих елементів.

Таким чином, можливість вибору безлічі різноманітних параметрів антеної системи на основі ламаної Коха дозволяє при проектуванні задовольняти різні вимоги до значення внутрішнього опору і розподілу резонансних частот. Однак, оскільки взаємозалежність рекурсивної розмірності та характеристик антени може бути отримана тільки для певної геометрії, справедливість розглянутих властивостей, для інших рекурсивних конфігурацій потребує додаткового дослідження.

3.3 Характеристики фрактальних антен

Представлена ​​малюнку 13 чи 20 антена по фракталу Коха - лише з варіантів, реалізований під час використання рівностороннього ініціюючого трикутника рекурсії, тобто. кут і за його підстави (indentation angle чи «кут поглиблення») дорівнює 60°. Такий варіант фракталу Коха прийнято називати стандартним. Цілком природно поставити питання, чи можна використовувати модифікації фрактала з іншими значеннями цього кута. Виною запропонував розглядати кут при підставі трикутника, що ініціює, як параметр, що характеризує антенну конструкцію. Змінюючи цей кут можна отримувати аналогічні рекурсивні криві різної розмірності (рисунок 13). Криві зберігають властивість самоподібності, проте результуюча довжина лінії може бути різною, що впливає на характеристики антени. Виною першим досліджував кореляцію між властивостями антени та розмірністю узагальненого фракталу Коха D, яка визначається в загальному випадку залежністю

(1)

Було показано, що в міру збільшення кута і розмірність фракталу також збільшується, і при і>90° наближається до 2. Слід зазначити, що поняття розмірності, що використовується в теорії фрактальних антен, кілька суперечить поняттям, прийнятим в геометрії, де ця міра застосовна тільки до нескінченно рекурсивних об'єктів.

Малюнок 13 - Побудова кривої Коха з кутом і а) 30° та б) 70° при основі трикутника в генераторі фракталу

Зі збільшенням розмірності нелінійно зростає і загальна довжина ламаної лінії, що визначається співвідношенням:

(2)

де L0 – довжина лінійного диполя, відстань між кінцями якого те саме, що й у ламаної Коха, n – номер ітерації. Перехід від і = 60° до = 80° на шостій ітерації дозволяє збільшити загальну довжину префрактала більш ніж у чотири рази. Як і слід було очікувати, між рекурсивною розмірністю та такими властивостями антени, як первинна резонансна частота, внутрішній опір на резонансі та багатодіапазонні характеристики, існує прямий зв'язок. На основі комп'ютерних розрахунків Виною отримав залежність першої резонансної частоти диполя Коха fk від розмірності префрактала D, номера ітерації n і резонансної частоти прямолінійного диполя fD тієї ж висоти, що і Коха ламана (по крайніх точках):

(3)

Малюнок 14 - Ефект «просочування» електромагнітної хвилі

У загальному випадку для внутрішнього опору диполя Коха на першій резонансній частоті справедливе наближене співвідношення:

(4)

де R0 - внутрішній опір лінійного диполя (D=1), яке в даному випадку дорівнює 72 Ом. Вирази (3) та (4) можна використовувати для визначення геометричних параметрів антени з необхідними значеннями резонансної частоти та внутрішнього опору. Багатосмугові властивості диполя Коха також дуже чутливі до значення кута. Зі збільшенням і номінали резонансних частот зближуються, отже, зростає їх кількість у заданому спектральному діапазоні (рисунок 15). При цьому чим вище номер ітерації, тим сильніше це зближення.

Рисунок 15 - Ефект звуження інтервалу між резонансними частотами

В Університеті штату Пенсільванія було досліджено ще один важливий аспект диполя Коха – вплив несиметричності його запитки на ступінь наближення внутрішнього опору антени до 50 Ом. У лінійних диполях точка живлення часто розташовується асиметрично. Цей же підхід може бути використаний і для фрактальної антени у вигляді кривої Коха, внутрішній опір якої менший за нормативні значення. Так, у третій ітерації внутрішній опір стандартного диполя Коха (= 60°) без урахування втрат при підключенні фідера в центрі становить 28 Ом. При переміщенні фідера до одного з кінців антени можна отримати опір 50 Ом.

Усі розглянуті досі зміни ламаної Коха синтезувалися рекурсивно. Однак, згідно з Виною, якщо порушити це правило, зокрема, задаючи різні кути і? на кожній новій ітерації властивості антени можна змінювати з більшою гнучкістю. Для збереження подібності доцільно вибрати регулярну схему зміни кута. Наприклад, змінювати його за лінійним законом іn = іn-1 - Ді n, де n - номер ітерації, Ді? - Збільшення кута в основі трикутника. Варіантом такого принципу побудови ламаної є наступна послідовність кутів: 1 = 20 ° для першої ітерації, 2 = 10 ° для другої і т.д. Конфігурація вібратора в цьому випадку не буде строго рекурсивною, проте всі його сегменти, синтезовані в одній ітерації, матимуть однакові розміри та форму. Тому геометрія такої гібридної ламаної сприймається як самоподібна. При малому числі ітерацій поруч із негативним збільшенням Ді? може застосовуватися квадратичне чи інше нелінійне зміна кута иn.

Розглянутий підхід дозволяє задавати розподіл резонансних частот антени та значення її внутрішнього опору. Однак перестановка порядку зміни значень кутів та в ітераціях не дає еквівалентного результату. Для однієї й тієї ж висоти ламаної лінії різні комбінації однакових кутів, наприклад і1 = 20°, и2 = 60° і и1= 60°, и2 = 20° (рисунок 16), дають однакову розгорнуту довжину префракталів. Але, проти очікування, повний збіг параметрів не забезпечує тотожності резонансних частот та ідентичність багатосмугових властивостей антен. Причина - зміна внутрішнього опору сегментів ламаної, тобто. Ключову роль грає конфігурація провідника, а чи не його розміри.

Малюнок 16 - Узагальнені префрактали Коха другої ітерації з негативним збільшенням Dq (а), позитивним збільшенням Dq (б) і третьої ітерації з негативним збільшенням Dq = 40°, 30°, 20° (в)

4. Приклади фрактальних антен

4.1 Огляд антен

Антенна тематика є однією з найперспективніших і значних інтересів у сучасній теорії передачі інформації. Таке прагнення розвивати саме цю сферу наукового розвитку пов'язане з безперервно зростаючими вимогами до швидкості та способів передачі в сучасному технологічному світі. Щодня, спілкуючись один з одним, ми передаємо інформацію таким природним для нас способом – по повітрю. Так само вченим спала на думку думка, навчити спілкуватися і численні комп'ютерні мережі.

Результатом стала поява нових розробок у цій галузі, їх затвердження на ринку комп'ютерного обладнання, а згодом і ухвалення стандартів бездротової передачі інформації. На сьогоднішній день вже є затвердженими та загальноприйнятими технології передачі, такі як BlueTooth, WiFi. Але на цьому розвиток не зупиняється і не може зупинитися, з'являються нові вимоги, нові побажання ринку.

Швидкості передачі, такі напрочуд швидкі на момент розробки технологій, сьогодні вже не задовольняють вимогам та побажанням користувачів цих розробок. Декілька провідних центрів розробок розпочали новий проект WiMAX з метою підвищення швидкості, заснованих на розширенні каналу у вже існуючому стандарті WiFi. Яке місце в цьому займає антенна тематика?

Проблему розширення каналу передачі можна частково вирішити, ввівши ще більше стиснення, ніж існуюче. Використання ж фрактальних антен дозволить вирішити цю проблему якісніше та найефективніше. Причиною цього є те, що фрактальні антени та частотно-вибіркові поверхні та обсяги на їх основі мають унікальні електродинамічні характеристики, а саме: широкосмуговість, повторюваність пропускних смуг у частотному діапазоні і т.д.

4.1.1 Побудова дерева Кейлі

Дерево Кейлі є одним із класичних прикладів фрактальних множин. Його нульова ітерація - лише відрізок прямої заданої довжини l. Перша і кожна наступна непарна ітерації являє собою два відрізки такої ж довжини l як і попередня ітерація, розташованих перпендикулярно відрізку попередньої ітерації так, що кінці його з'єднані з серединою відрізків.

Друга та кожна наступна парна ітерація фракталу - це два відрізки l/2 у половину довжини попередньої ітерації, розташованих, як і раніше, перпендикулярно до попередньої ітерації.

Результати побудови дерева Кейлі наведено малюнку 17. Загальна висота антени становить 15/8l, а ширина - 7/4l.

Малюнок 17 - Побудова дерева Кейлі

Розрахунки та аналіз антени типу «Дерево Кейлі» було виконано теоретичні розрахунки фрактальної антени у вигляді дерева Кейлі 6-го порядку. Для вирішення цієї практичної задачі був задіяний досить потужний інструмент із строгого розрахунку електродинамічних властивостей, які проводять елементи - програма ЕДЕМ. Потужні інструменти та зручний інтерфейс цієї програми роблять її незамінним для такого рівня розрахунків.

Перед авторами стояло завдання проектування антени, оцінка теоретичних значень резонансних частот прийому та пропускання сигналу, представлення завдання в інтерфейсі програми ЕДЕМ. Спроектована фрактальна антена на основі "Дерева Кейлі" показана на малюнку 18.

Потім на спроектовану фрактальну антену прямувала плоска електромагнітна хвиля, а програма розраховувала поширення поля до і після антени, обчислювала електродинамічні характеристики фрактальної антени.

Проведені авторами результати розрахунків фрактальної антени «Дерево Кейлі» дозволили зробити такі висновки. Показано, що низка резонансних частот повторюється приблизно подвоєному значенні від попередньої частоти. Було визначено розподіл струмів на поверхні антени. Досліджено ділянки як повного пропускання, так і повного відображення електромагнітного поля.

Малюнок 18 - Дерево Кейлі 6-го порядку

4 .1.2 Мультимедійна антена

Мініатюризація крокує планетою семимильними кроками. Не за горами поява комп'ютерів розміром з бобове зерно, поки компанія Fractus пропонує нашій увазі антену, габарити якої менше рисового зернятка (рисунок 19).

Малюнок 19 - Фрактальна антена

Новинка, що отримала назву Micro Reach Xtend, працює на частоті 2,4 ГГц та підтримує бездротові технології Wi-Fi та Bluetooth, а також деякі інші менш популярні стандарти. Пристрій створений на основі запатентованих технологій фрактальних антен, а його площа складає всього 3,7 х 2 мм. На думку розробників, крихітна антена дозволить зменшити розмір мультимедійних продуктів, в яких вона в найближчому майбутньому знайде своє застосування, або запхнути в один девайс більше можливостей.

Телевізійні станції передають сигнали в діапазоні 50-900 МГц, які впевнено приймаються на відстані багатьох кілометрів від антени. Відомо, що коливання вищих частот гірше проходять через будівлі та різні перепони, ніж низькочастотні, які просто обгинають їх. Тому технологія Wi-Fi, що використовується в звичайних системах бездротового зв'язкуі працююча на частотах вище 2,4 ГГц, забезпечує прийом сигналу лише на відстані не більше 100 м. З такою несправедливістю по відношенню до передової Wi-Fi технології скоро буде покінчено, звичайно, без шкоди для ТВ-споживачів. У майбутньому прилади, створені на основі Wi-Fi-технології, працюватимуть на частотах між працюючими ТВ-каналами, збільшуючи таким чином дальність впевненого прийому. Щоб не заважати роботі телебачення, кожна з Wi-Fi-систем (передавач і приймач) постійно скануватиме частоти, що лежать поруч, запобігаючи зіткненням в ефірі. При переході на більш широкий частотний діапазон виникає необхідність мати антену, яка однаково добре приймає сигнали і високих, і низьких частот. Прості штирьові антени не відповідають цим вимогам, т.к. вони відповідно до своєї довжини вибірково приймають частоти певної довжини хвилі. Антенною, придатною прийому сигналів у широкому частотному діапазоні, стала так звана фрактальная антена, має форму фрактала - структури, що виглядає однаково незалежно від цього, з яким збільшенням ми її розглядаємо. Фрактальна антена веде себе так, як поводилася б структура з безлічі штирькових антен різної довжини, скручених між собою.

4.1.3 «Ломана» антена

Американський інженер Натан Коен років десять тому вирішив зібрати вдома аматорську радіостанцію, але зіткнувся з несподіваною скрутою. Його квартира знаходилася в центрі Бостона, і міська влада суворо заборонила ставити антену зовні будівлі. Вихід знайшовся несподівано, перевернувши все життя радіоаматора.

Замість того щоб виготовити антену традиційної форми, Коен взяв шматок алюмінієвої фольги та вирізав із нього фігуру у формі математичного об'єкта, відомого як крива Кох. Крива ця, відкрита в 1904 році німецьким математиком Хельгою фон Кох, - фрактал, ламана лінія, яка виглядає як серія трикутників, що нескінченно зменшуються, що виростають один з одного подібно даху багатоступінчастої китайської пагоди. Як і всі фрактали, ця крива «самоподібна», тобто на будь-якому, найменшому відрізку має той самий вигляд, повторюючи саму себе. Будують такі криві шляхом нескінченного повторення простої операції. Лінія ділиться на рівні відрізки, і кожному робиться вигин як трикутника (метод фон Кох) чи квадрата (метод Германа Минковского). Потім на всіх сторонах фігури, що вийшла, у свою чергу вигинаються аналогічні квадрати або трикутники, але вже меншого розміру. Продовжуючи побудову нескінченно, можна отримати криву, «зламану» у кожній точці (рисунок 20).

Малюнок 20 - Побудова кривої Кох та Мінковського

Побудова кривої Кох – одного з найперших фрактальних об'єктів. На нескінченній прямій виділяються відрізки завдовжки l. Кожен відрізок ділиться втричі рівні, і середній будується рівносторонній трикутник зі стороною l/3. Далі процес повторюється: на відрізках l/3 будуються трикутники зі сторонами l/9, ними - трикутники зі сторонами l/27 тощо. Ця крива має самоподібність, або масштабну інваріантність: кожен її елемент у зменшеному вигляді повторює саму криву.

Фрактал Мінковського будується аналогічно кривій Кох і має такі ж властивості. При його побудові замість системи трикутників на прямій будуються меандри - «прямокутні хвилі» нескінченно спадних розмірів.

Будуючи криву Кох, Коен обмежився лише двома-трьома кроками. Потім він наклеїв фігуру на невеликий аркуш паперу, приєднав її до приймача і з подивом виявив, що вона працює не гірше за звичайні антен. Як виявилося пізніше, його винахід став родоначальником нового типу антен, що нині випускаються серійно.

Ці антени дуже компактні: вбудована в корпус фрактальна антена для мобільного телефону має розмір звичайного слайда (24 х 36 мм). Крім того, вони працюють у широкому діапазоні частот. Усе це виявлено експериментально; теорії фрактальних антен поки що не існує.

Параметри фрактальної антени, зробленої серією послідовних кроків за алгоритмом Мінковського, дуже цікаво змінюються. Якщо прямолінійну антену вигнути у формі «прямокутної хвилі» - меандра, її посилення зросте. Всі наступні меандри посилення антени вже не змінюють, але діапазон частот, які вона приймає, розширюється, а сама антена при цьому стає набагато компактнішою. Щоправда, ефективними виявляються лише перші п'ять-шість кроків: щоб згинати провідник далі доведеться зменшити його діаметр, а це підвищить опір антени і призведе до втрати посилення.

Поки одні ламають голову над теоретичними проблемами, інші активно впроваджують винахід у життя. Як вважає Натан Коен, нині професор університету в Бостоні та головний технічний інспектор «Fractal Antenna Systems», «через кілька років фрактальні антени стануть невід'ємною частиною стільникових та радіотелефонів та багатьох інших пристроїв із бездротовим зв'язком».

антена решітка фрактальна

4.2 Застосування фрактальних антен

Серед безлічі антенних конструкцій, що використовуються сьогодні в засобах зв'язку, винесений у заголовок статті тип антен є порівняно новим і принципово відрізняється від відомих рішень. Перші публікації, що розглядали електродинаміку фрактальних структур, з'явилися ще у 80-ті роки ХХ століття. Початок же практичного використанняфрактального спрямування в антеній техніці понад 10 років тому поклав американський інженер Натан Коен, нині професор університету Боаонського і головний технічний інспектор компанії «Fractal Antenna Systems». Проживаючи в центрі Бостона, щоб обійти заборону міської влади на встановлення зовнішніх антен, він вирішив замаскувати антену аматорської радіостанції під декоративну фігуру з алюмінієвої фольги. За основу він узяв відому в геометрії криву Кох (рисунок 20), опис якої 1904 р. запропонував шведський математик Нільс Фабіан Хельге фон Кох (1870-1924).

Подібні документи

Поняття та принцип роботи передавальних антен та їх діаграми спрямованості. Розрахунок розмірів та резонансних частот для фрактальних антен. Проектування друкованої мікросмужкової антени на основі фракталу Коха та 10 макетів антен дротяного типу.

дипломна робота , доданий 02.02.2015


Розвиток фрактальних антен. Методи побудови та принцип роботи фрактальної антени. Побудова кривої Пеано. Формування фрактальної прямокутної ламанної антени. Двохдіапазонні антенні грати. Фрактальні частотно-виборчі поверхні.

дипломна робота , доданий 26.06.2015


Структурна схема модуля приймальні активних фазованих антенних решіток. Розрахунок відносного зменшення збудження краю антени. Енергетичний потенціал приймальної фазованих антенних ґрат. Точність виставки променя. Вибір та розрахунок випромінювача.

курсова робота , доданий 08.11.2014


Знайомство з видами діяльності ТОВ "Антен-Сервіс": монтаж та введення в експлуатацію ефірних та супутникових антенних комплексів, проектування телекомунікаційних мереж. Загальна характеристикаосновних властивостей та галузі застосування супутникових антен.

дипломна робота , доданий 18.05.2014


Види та класифікація антен систем стільникового зв'язку. Технічні характеристикиантени KP9-900. Основні втрати ефективності антени у робочому положенні апарату. Методи розрахунку антен для стільникових систем зв'язку. Характеристики моделювальника антен MMANA.

курсова робота , доданий 17.10.2014


Типи пристроїв НВЧ у схемах розподільчих трактів антенних ґрат. Проектування пристроїв НВЧ на основі методу декомпозиції. Робота з програмою "Модель-С" для автоматизованого та параметричного видів синтезу багатоелементних пристроїв НВЧ.

контрольна робота , доданий 15.10.2011


Основні завдання теорії антен та характеристики даного пристосування. Рівняння Максвелла. Поле електричного диполя у необмеженому просторі. Відмінні особливостівібраторних та апертурних антен. Способи керування амплітудою грат.

навчальний посібник, доданий 27.04.2013


Лінійна решітка з циліндричною спіральною антеною як випромінювач. Застосування решіток для забезпечення якісної роботи антени. Проектування антенної решітки, що сканує у вертикальній площині. Розрахунок одиночного випромінювача.

курсова робота , доданий 28.11.2010


Методи створення ефективних антен. Лінійні антенні грати. Оптимальна антена хвилі, що біжить. Коефіцієнт спрямованої дії. Плоскі решітки антени. Вхідний опір випромінюючого елемента. Особливість та застосування нееквідистантних грат.

курсова робота , доданий 14.08.2015


Застосування антен як випромінювання, так прийому електромагнітних хвиль. Існування великого різноманіття різних антен. Проектування лінійних грат стрижневих діелектричних антен, які зібрані зі стрижневих діелектричних антен.

Хто не знає, що це таке і де використовується, то можу сказати, що подивіться відео фільми про фрактали. А використовуються такі антени в наш час повсюдно, наприклад, у кожному мобільному телефоні.

Отже, наприкінці 2013 року до нас зайшли в гості тесть з тещею, то ось тут теща напередодні свята Нового року попросила у нас антену для свого невеликого телевізора. Тесть дивиться телевізор через супутникову тарілку і зазвичай щось своє, а тещі захотіло подивитись новорічні програми спокійно не смикаючи тестя.

Ок, віддали ми їй нашу рамкову антену (квадрат 330х330 мм), через яку іноді дивилася жінка.

А тут наближався час відкриття Зимової Олімпіади в Сочі та дружина каже: Зроби антену.

Мені зробити чергову антену проблем не складає, тільки була б мета та сенс. Пообіцяв зробити. І ось настав час... але мені подумалося, що ліпити чергову рамкову антену якось нудно, все ж 21 століття на дворі і тут я згадав, що найпрогресивніше в побудові антен - це ЕН-антени, HZ-антени і фрактальні- антени. Прикинувши, що найбільше підходить до моєї справи – зупинився на фрактальній антені. Благо про фрактали я фільмів всяких надивився і фоток всяких з Інтернету насмикував ще давно. Ось і захотілося ідею втілити у матеріальну дійсність.

Одна справа фотографії, інша - конкретна реалізація якогось пристрою. Заморочуватися довго не став і вирішив побудувати антену прямокутним фракталом.

Дістав мідний дріт десь діаметром 1 мм, взяв плоскогубці і став робити... перший проект був повномасштабний з використанням багатьох фракталів. Робив, з незвички, довго, холодними зимовими вечорами зрештою зробив, приклеїв усю фрактальну поверхню до ДВП за допомогою рідкого поліетелену, підпаяв прямо кабель, близько 1 м довжини, став пробувати... Опа! А ця антена приймала телеканали набагато чіткіше за рамкову... порадував мене такий результат, значить не дарма корячився і натирав мозолі, поки гнув дріт у фрактальну форму.

Минув десь тиждень і виникла у мене ідея, що за розмірами нова антена практично як і рамкова, особливої ​​вигоди немає, якщо не враховувати невелике покращення у прийомі. І ось вирішив змонтувати нову фрактальну антену, використовуючи менше фракталів, відповідно і за габаритами менше.

Фрактальна антена. Перший варіант

У суботу 08.02.2014 р. дістав невеликий шматок мідного дроту, що залишився від першої фрактальної антени і досить швидко, близько півгодини, змонтував нову антену.

Фрактальна антена. Другий варіант

Потім підпаяв кабель від першої і вийшов уже закінчений пристрій. Фрактальна антена. Другий варіант із кабелем

Приступив до перевірки працездатності... Ух ти млинець! Та ця ще краще працює та приймає у кольорі аж 10 каналів, чого раніше не можна було досягти за допомогою рамкової антени. Виграш суттєвий! Якщо ще звернути увагу, що умови прийому в мене зовсім неважне: другий поверх, наш будинок повністю перекритий від телецентру багатоповерхівками, ніякої прямої видимості, то виграш вражає як за прийомом, так і за розмірами.

В Інтернеті є фрактальні антени виконані травленням на фольгованому склотекстоліті... думаю все одно на чому робити, та й розміри занадто сильно не варто точно дотримуватись. телевізійної антени, у межах роботи на коліні .

У математиці фрактальними називаються множини, що складаються з елементів, подібних до множини в цілому. Найкращий приклад: якщо розглянути близько-близько лінію еліпса, вона стане прямою Фрактал – скільки не наближай – картинка залишиться, як і раніше, складною і схожою на загальний вигляд. Елементи розташовані химерним чином. Отже, найпростішим прикладом фракталу вважаємо концентричні кола. Скільки не наближай, з'являються нові кола. Прикладів фракталів безліч. Наприклад, у Вікіпедії дано малюнок капусти Романеско, де качан складається з шишок, що точно нагадують намальований качан. Наразі читачі розуміють, що виготовити фрактальні антени непросто. Натомість цікаво.

Навіщо потрібні фрактальні антени

Призначення фрактальної антени – спіймати більше жертвами. У західних відео можна знайти параболоїд, де випромінювачем послужить відрізок фрактальної стрічки. Там вже роблять з фольги елементи пристроїв НВЧ, ефективніші, ніж прості. Покажемо, як зробити фрактальну антену до кінця, а узгодженням займайтеся наодинці з КСВ метром. Згадаємо, що є цілий сайт, зрозуміло, зарубіжний, де просувають у комерційних цілях відповідний продукт, креслень немає. Наша саморобна фрактальна антена простіше, головна перевага – конструкцію вдасться зробити власноруч.

Перші фрактальні антени – біконічні – з'явилися, якщо вірити відео із сайту fractenna.com, у 1897 році Олівером Лоджем. Не шукайте у Вікіпедії. Порівняно із звичайним диполем пара трикутників замість вібратора дає розширення смуги на 20%. Створюючи періодичні структури, що повторюються, вдалося зібрати мініатюрні антени не гірше великих побратимів. Часто зустрінете біконічну антену у вигляді двох рамок або химерної форми пластин.

Зрештою, це дозволить приймати більше телевізійних каналів.

Якщо набрати запит на Ютуб, з'являється відео з виготовлення фрактальних антен. Краще зрозумієте, як влаштовано, якщо уявите шестикутну зірку ізраїльського прапора, у якої кут зрізали разом із плечима. Вийшло, три кути залишилися, у двох одна сторона на місці, друга немає. Шостий кут відсутній зовсім. Тепер розташуємо дві подібні зірки вертикально, центральними кутами одна до одної, прорізами вліво та вправо, над ними – аналогічну пару. Вийшла антенна решітка - найпростіша фрактальна антена.

Зірки за кути з'єднуються фідером. Попарно стовпцями. Знімається сигнал з лінії, рівно посередині кожного дроту. Конструкція збирається на болти на діелектричній (пластиковій) підкладці відповідного розміру. Сторона зірки складає рівно дюйм, відстань між кутами зірок по вертикалі (довжина фідера) чотири дюйми, по горизонталі (відстань між двома проводами фідера) – дюйм. Зірки мають при вершинах кути 60 градусів, тепер читач намалює подібне у вигляді шаблону, щоб потім зробити фрактальну антену самостійно. Зробили робочий ескіз, масштабу не дотримано. Не ручаємось, що зірки вийшли рівно, Microsoft Paintбез великих можливостей виготовлення точних креслень. Досить поглянути на картинку, щоб пристрій фрактальної антени став очевидним:

1. Коричневим прямокутником показано підкладку з діелектрика. Наведена малюнку фрактальна антена має діаграму спрямованості симетричну. Якщо захистити випромінювач від перешкод, екран ставиться на чотири стійки за підкладкою на відстані дюйма. На частотах немає потреби розміщувати суцільний лист металу, вистачить сітки зі стороною в чверть дюйма, не забудьте з'єднати екран з обплетенням кабелю.
2. Фідер із хвильовим опором 75 Ом вимагає узгодження. Знайдіть або зробіть трансформатор, що перетворює 300 Ом на 75 Ом. Краще запасіться КСВ метром і підбирайте потрібні параметри не навпомацки, а по приладі.
3. Зірок чотири, вигинайте з мідного дроту. Лакову ізоляцію в місці стикування з фідером зачистимо (якщо є). Внутрішній фідер антени складається з двох паралельних шматків дроту. Антену непогано розмістити у коробі для захисту проти негоди.

Збираємо фрактальну антену для цифрового телебачення

Дочитавши до кінця огляд, фрактальні антени зробить будь-хто. Так швидко заглибились у конструювання, що забули розповісти про поляризацію. Вважаємо, вона лінійна та горизонтальна. Це випливає з міркувань:

• Відео, очевидно, американського походження, мова йде про HDTV. Отже, можемо набувати моди зазначеної країни.
• Як відомо, на планеті деякі держави ведуть мовлення з супутників з використанням кругової поляризації, серед них РФ і США. Отже, гадаємо, інші технології передачі інформації схожі. Чому? Була Холодна війна, гадаємо, обидві країни вибирали стратегічно як і як передавати, інші країни виходили з суто практичних міркувань. Кругова поляризація впроваджена спеціально для супутників шпигунів (що постійно переміщаються щодо спостерігача). Звідси підстави вважати, що у телебаченні та радіомовленні спостерігається подібність.
• Структура антени каже, що лінійна. Тут просто ні звідки взятися кругової чи еліптичної поляризації. Отже – якщо тільки серед наших читачів немає професіоналів, які володіють MMANA – якщо антена не ловить у прийнятому положенні, поверніть на 90 градусів у площині випромінювача. Поляризація зміниться вертикальну. До речі, багато хто зможе зловити і FM, якщо розміри задають більше разу в 4. Краще провід взяти товстіший (наприклад, 10 мм).

Сподіваємося, пояснили читачам, як користуватись фрактальною антеною. Пара порад з простого збирання. Отже, постарайтеся знайти дріт із лакованим захистом. Зігніть фігури, як показано на малюнку. Потім конструктори розходяться, рекомендуємо робити так:

1. Зачистіть зірки та дроти фідера в місцях стикування. Провід фідера за вушка зміцніть болтами на підкладці у серединних частинах. Щоб правильно виконати дію, заздалегідь відміряйте дюйм і проведіть дві паралельні лінії олівцем. Уздовж них повинні лягти дроти.
2. Паяйте єдину конструкцію, ретельно вивіряючи відстані. Автори відео рекомендують робити випромінювач, щоб зірки кутами рівно лежали на фідер, а протилежними кінцями спиралися на край підкладки (кожна в двох місцях). Для зразки помітили місця синім кольором.
3. Щоб виконати умову, кожну зірку притягніть в одному місці болтом із діелектричним хомутком (наприклад, з кембрика дроту ПВС тощо). На малюнку місця кріплення показані червоним для однієї зірки. Болт схематично промальований коло.

Живильний кабель проходить (необов'язково) з зворотного боку. Свердліть дірки за місцем. Налаштування КСВ ведеться зміною відстані між дроти фідера, але в даній конструкції це садистський метод. Рекомендуємо просто виміряти хвильовий опір антени. Нагадаємо, як це робиться. Знадобиться генератор на частоту програми, наприклад, 500 МГц, додатково - високочастотний вольтметр, який не рятує перед сигналом.

Потім вимірюється напруга, що видається генератором, навіщо він замикається на вольтметр (паралельно). Зі змінного опору з гранично меншою власною індуктивністю і антени збираємо резистивний дільник (підключаємо послідовно слідом за генератором, спершу опір, потім антену). Вольтметром вимірюємо напругу змінного резистора, одночасно регулюючи номінал, поки показання генератора без навантаження (див. пунктом вище) не вдвічі перевищуватимуть поточні. Значить, номінал змінного резистора став рівний хвильовому опору антени на частоті 500 МГц.

Тепер можна виготовити трансформатор належним чином. У мережі складно знайти потрібне, для любителів ловити радіомовлення знайшли готову відповідь http://www.cqham.ru/tr.htm. На сайті написано та намальовано, як узгодити навантаження з 50-омним кабелем. Зверніть увагу, частоти відповідають діапазону КВ, СВ вміщається сюди частково. Хвильовий опір антени підтримується в діапазоні 50 – 200 Ом. Скільки дасть зірка, сказати важко. Якщо знайдеться у господарстві прилад вимірювання хвильового опору лінії, нагадаємо: якщо довжина фідера кратна чверті довжини хвилі, опір антени передається вихід без змін. Для невеликого та великого діапазону подібні умови забезпечити неможливо (нагадаємо, що особливо фрактальних антен входить і розширений діапазон), але для цілей вимірів згаданий факт використовується повсюдно.

Тепер читачі знають все про ці дивовижні прийомопередавальні пристрої. Така незвичайна форма нагадує, що різноманітність Всесвіту не укладається в типові рамки.

Відповіді на запитання з форуму, гостьової та пошти.

Світ не без добрих людей:-)
Валерій UR3CAH: "Доброго дня, Єгоре. Я думаю дана стаття (а саме розділ "Фрактальні антени: краще менше, та краще") відповідає тематиці Вашого сайту і буде Вам цікава:) А чи правда це? 73!"
Так, звичайно, цікава. Ми певною мірою вже стосувалися цієї теми під час обговорення геометрії гексабімів. Там теж була дилема з "укладанням" електричної довжини в геометричні розміри:-). Тож дякую, Валерію, велике за надісланий матеріал.
"Фрактальні антени: краще менше, та краще
За останні півстоліття життя стрімко почало змінюватися. Більшість із нас приймає досягнення сучасних технологійяк належне. До всього, що робить життя комфортнішим, звикаєш дуже швидко. Рідко хто запитує «Звідки це взялося?» і "Як воно працює?". Мікрохвильова піч розігріває сніданок - та й чудово, смартфон дає можливість поговорити з іншою людиною - чудово. Це нам здається очевидною можливістю.
Але життя могло б бути зовсім іншим, якби людина не шукала пояснення подій, що відбуваються. Взяти, наприклад, стільникові телефони. Помнете висувні антени на перших моделях? Вони заважали, збільшували розміри пристрою, зрештою часто ламалися. Вважаємо, вони назавжди канули в Лету, і частково виною тому... фрактали.

Фрактальні малюнки зачаровують своїми візерунками. Вони безперечно нагадують зображення космічних об'єктів - туманностей, скупчення галактик і так далі. Тому цілком закономірно, що коли Мандельброт озвучив свою теорію фракталів, його дослідження викликали підвищений інтерес у тих, хто займався вивченням астрономії. Один із таких любителів на ім'я Натан Коен після відвідування лекції Бенуа Мандельброта в Будапешті загорівся ідеєю практичного застосуванняотриманих знань. Щоправда, зробив він інтуїтивно, і не останню роль у його відкритті зіграв випадок. Будучи радіоаматором, Натан прагнув створити антену, що має якомога вищу чутливість.
Єдиний спосібпокращити параметри антени, який був відомий на той час, полягав у збільшенні її геометричних розмірів. Проте власник житла у центрі Бостона, який орендував Натан, був категорично проти встановлення великих пристроїв на даху. Тоді Натан почав експериментувати з різними формами антен, намагаючись отримати максимальний результат за мінімальних розмірів. Зайнявшись ідеєю фрактальних форм, Коен, що називається, навмання зробив з дроту один з найвідоміших фракталів - «сніжинку Коха». Шведський математик Хельге фон Кох (Helge von Koch) вигадав цю криву ще 1904 року. Вона виходить шляхом розподілу відрізка на три частини та заміщення середнього сегмента рівностороннім трикутником без сторони, що збігається з цим сегментом. Визначення трохи складне сприйняття, але малюнку все ясно і просто.
Існують також інші різновиди «кривої Коха», але приблизна форма кривої залишається схожою.
Коли Натан підключив антену до пристрою, він був дуже здивований - чутливість різко збільшилася. Після серії експериментів майбутній професор університету Бостона зрозумів, що антена, зроблена за фрактальним малюнком, має високий ККД і покриває набагато ширший частотний діапазон порівняно з класичними рішеннями. Крім того, форма антени у вигляді кривої фрактал дозволяє істотно зменшити геометричні розміри. Натан Коен навіть вивів теорему, яка доводить, що для створення широкосмугової антенидостатньо надати їй форму самоподібної фрактальної кривої.
Автор запатентував своє відкриття і заснував фірму з розробки та проектування фрактальних антен Fractal Antenna Systems, справедливо вважаючи, що в майбутньому завдяки його відкриттю стільникові телефони зможуть позбутися громіздких антен і стануть компактнішими. В принципі так і сталося. Щоправда, і до цього дня Натан веде судовий позов з великими корпораціямиякі незаконно використовують його відкриття для виробництва компактних пристроїв зв'язку. Деякі відомі виробники мобільних пристроїв, як, наприклад, Motorola, вже дійшли мирної угоди з винахідником фрактальної антени."

При "нереальній і фантастичній" ситуація з приростом корисного сигналу абсолютно реальна і прагматична. Не треба бути семи п'ядей у ​​лобі щоб здогадатись звідки з'являються зайві мікровольти. При дуже великому збільшенні електричної довжини антени всі її ламані ділянки розташовуються у просторі синфазно попереднім. А ми вже знаємо, звідки береться посилення в багатоелементних антенах: за рахунок складання в одному елементі енергії перевипромінюваними іншими елементами. Зрозуміло, що як спрямовані їх використовувати з тієї ж причини:-) не можна, але факт залишається фактом: фрактальна антена реально ефективніша за прямий дроти.

• назад
• Вперед

You have no rights to post comments Недостатньо прав для коментування

• Duchifat: і справді 9 мілліват?

  З новою антеною помітно краще став приймати ізраїльський Duchifat-1. Його завжди чутно слабо, але ось ніби зі стеком з двох 7-ми елементних антен стало краще. Прийняв пару кадрів телеметрії. Погано, боюся це у мене декодер не вірний. Або неточний "переведення" цифр пакета параметри від DK3WN. У пакеті потужність від дачтика (forward) – всього 7,2 мілівата. Але якщо він говорить правду, то 10 мл його потужності на Землі чутно відмінно:-)

• Який прекрасний цей світ, подивися

  Щойно посидів за одним столом з усім світом. Проходження балує рівністю мікровольт з усіх напрямків. Те саме про що я писав і вчора і позавчора. Хто ходить до мене в гості давно вже читав. І слухав. Нижче фонограма трьох цікавих QSO, проведених з інтервалом хвилин по 5-7. Між ними були ще зв'язки, але не такі виразні, японці, американці.... Їх уже DXами називати не можна через їхню численність

  Так ось для невіруючих три аудіо одне за одним 9M2MSO, Малайзія, Пуерто-Ріко NP4JS та нарешті чарівна Сесіль з Венесуели YY1YLY. Я вдячний Всевишньому за те, що ми такі різні, різнокольорові, прикольні та цікаві. Усі зв'язки як на підбір SSB. ніби спеціально для того, щоб усі могли послухати.

• Успішний довгожитель

  Пролітав успішний DelfiC3 при його 125 міліватах чудово чутно, декодується з Java примочкою RASCAL якісно ще й посилає прийняті рядки на сайт команди підтримки. AUDIO - Зображення декодера нижче.

  

• Пропав WEB приймач?

  Тільки встигли поговорити про Java машину, як фірма SUN підсунула нам чергову свиню :-) Звичайно, все для блага користувача. Тільки вони забули, що треба повідомити про посилення вимог безпеки мільйони користувачів WEB приймачів, які у 90% випадків працюють через Java машину. І, до речі, не лише їх. Творці WED приймачів (І, до речі, сам Windows теж:-) намагаються обходитися без JAVA використовуючи HTML5 та інші вивороти, але виходить не завжди. Занадто довга історія їх пов'язує: все замикається на особливості заліза. Мій ноут, наприклад, за допомогою HTML5 може забезпечити управління приймачем, але не може отримати звук:-) Прикидає, приймач все показує, але при цьому мовчить:-) Коротше на сьогоднішній день вам допоможе тільки Вадим, UT3RZ.

  "UT3RZ Вадим. Прилуки. http://cqpriluki.at.uaУ зв'язку з оновленням Jawa 14 січня 2014 р. до версії 7 Update 51 (build 1.7.0_51-b13) виникли проблеми з прослуховуванням WEB SDR приймачів.Творці Jawa, переслідуючи цілі безпеки користувачів комп'ютерів, у свою нову версію 7 Update 51 внесли необхідність підтвердження користувачем безпеки вручну.

• Перевірте вуха свого TNC

  Через нудьгу послухав (потикав;-) канал діджипітера МКС. Шурхіт цілком справно і досить активно. Аудіоконтроль, звісно, ​​все записав. Жаба задавила прибивати запис. Ось кладу, перевірте налаштування модемів або TNC. Гарно там, у Космосі. Правда дійсно нудно: одні й ті ж обличчя цілий рік:-(

  

• Телеграма UR8RF

  Радіо Промінь
  

  Вітаю всіх. Сьогодні, 17 листопада, на Радіо Промінь протягом 40 хвилин Володимир UY2UQ розповідав про аматорське радіо. Послухати можна на сайті Радіо Промінь в аудіоархіві від 17 листопада.
  Час 15:14:14 - 15:54:38 http://promin.fm/page/9.html?name=Audioarhiv1http://promin.fm/page/9.html?name=Audioarhiv1
  73! З повагою Олександр UR8RF

• Інтернет йде до Морзи

  У грудні 2011р. компанія Googleоголосила про випуск програми Gmailпід iOS, що дозволяє швидко робити невеликі нотатки. У прес-релізі компанії зазначалося, що такими записами користувалися ще печерні люди, роблячи малюнки на скелях. І ось тепер софт для швидких нотаток отримав своє логічне продовження – Google оголосила про новий спосіб набору тексту на клавіатурі мобільних пристроїв.
  Gmail Tap – так називається програма, з якою перехід від звичної 26-кнопкової клавіатури смартфонів на двокнопкову стане реальністю. Ви не дочули. Відтепер користувачі пристроїв як на iOS, так і на Android можуть використовувати Gmail Tap для набору текстових повідомленьза допомогою лише двох кнопок – крапки та тире. Фахівці Google на чолі з Рідом Морзе (пра-правнуком знаменитого винахідника азбуки Морзе) пропонують користувачам спрощену версію «Морзянки», з якою СМС-повідомлення можна буде набирати не повільніше, ніж зі стандартної клавіатури. Викликає захоплення можливість набирати два повідомлення одночасно. Режим для просунутих користувачів "multi email mode" передбачає використання двох клавіатур - стандартної знизу і додаткової у верхній частині екрану. І навіть початківець Gmail Tap зможе швидко навчитися набирати текст, практично не дивлячись на клавіатуру. Подивіться, як це просто:

Дротові фрактальні антени, досліджені у цій дипломній роботі, виготовлялися згинанням дроту за надрукованим на принтері паперовим шаблоном. Оскільки дріт згинався вручну за допомогою пінцету, то точність виготовлення «вигинів» антени складала близько 0,5 мм. Тому для досліджень бралися найпростіші геометричні фрактальні форми: крива Коха та «біполярний стрибок» Мінковського.

Відомо , що фрактали дозволяють зменшувати розміри антени, при цьому розміри фрактальної антени порівнюють з розмірами симетричного напівхвильового лінійного диполя. У подальших дослідженнях у дипломній роботі дротяні фрактальні антени порівнюватимуться з лінійним диполем з /4-плечами рівними 78 мм з резонансною частотою 900 МГц.

Дротові фрактальні антени на основі кривої Коха

У роботі наводяться формули для розрахунку фрактальних антен на основі кривої Коха (рисунок 24).

а) n= 0 б) n= 1 в) n = 2

Малюнок 24 - Крива Коха різних ітерацій n

Розмірність Dузагальненого фракталу Коха обчислюється за такою формулою:

Якщо формулу (35) підставити стандартний кут вигину кривої Коха = 60, то отримаємо D = 1,262.

Залежність першої резонансної частоти диполя Коха fДо розмірності фракталу D, номери ітерації nта резонансної частоти прямолінійного диполя f D тієї ж висоти, що й ламана Коха (за крайніми точками) визначається формулою:

Для малюнка 24, б при n= 1 і D= 1,262 із формули (36) отримуємо:

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

Для малюнка 24, при n = 2 і D = 1,262 з формули (36) отримуємо:

f K = f D 0,696, f K = 900 МГц 0696 = 626 МГц. (38)

Формули (37) і (38) дозволяють вирішити і обернену задачу - якщо ми хочемо, щоб фрактальні антени працювали на частоті f K = 900 МГц, то прямолінійні диполі мають працювати на наступних частотах:

для n = 1 f D = f K / 0,816 = 900 МГц / 0,816 = 1102 МГц (39)

для n = 2 f D = f K/0,696 = 900 МГц / 0,696 = 1293 МГц. (40)

За графіком малюнку 22 визначаємо довжини /4-плеч прямолінійного диполя. Вони дорівнюватимуть 63,5 мм (для 1102 МГц) і 55 мм (для 1293 МГц).

Таким чином, були виготовлені 4 фрактальні антени на основі кривої Коха: дві - з розмірами /4-плеч по 78 мм, а дві з меншими розмірами. На рисунках 25-28 показані зображення екрана РК2-47, якими можна експериментально визначити резонансні частоти.

У таблиці 2 зведено розрахункові та експериментальні дані, з яких видно, що теоретичні частоти fТ відрізняються від експериментальних fЕ не більше 4-9%, а це цілком добрий результат.

Малюнок 25 - Екран РК2-47 при вимірі антени з кривою Коха ітерації n = 1 з / 4-плечами рівними 78 мм. Резонансна частота 767 МГц

Малюнок 26 - Екран РК2-47 при вимірі антени з кривою Коха ітерації n = 1 з / 4-плечами рівними 63,5 мм. Резонансна частота 945 МГц

Малюнок 27 - Екран РК2-47 при вимірі антени з кривою Коха ітерації n = 2 з / 4-плечами рівними 78 мм. Резонансна частота 658 МГц

Малюнок 28 - Екран РК2-47 при вимірі антени з кривою Коха ітерації n = 2 з / 4-плечами рівними 55 мм. Резонансна частота 980 МГц

Таблиця 2 - Порівняння розрахункових (теоретичних fТ) та експериментальних fЕ резонансних частот фрактальних антен на основі кривої Коха

Дротові фрактальні антени на основі біполярного стрибка. діаграма спрямованості

Фрактальні лінії типу «біполярний стрибок» описані у роботі , проте формул для розрахунків резонансної частоти залежно від розмірів антени у роботі не наводиться. Тому вирішили визначити резонансні частоти експериментально. Для простих фрактальних ліній 1-ї ітерації (рисунок 29 б) було виготовлено 4 антени - з довжиною /4-плеча рівним 78 мм, з удвічі меншою довжиною і двома проміжними довжинами. Для складних у виготовленні фрактальних ліній 2-ї ітерації (рисунок 29 в) було виготовлено 2 антени з довжинами /4-плеч 78 і 39 мм.

На малюнку 30 показані усі виготовлені фрактальні антени. На малюнку 31 показаний зовнішній вигляд експериментальної установки з фрактальної антеною "біполярний стрибок" 2-ї ітерації. На рисунках 32-37 показано експериментальне визначення резонансних частот.

а) n= 0 б) n= 1 в) n = 2

Рисунок 29 – Крива Мінковського «біполярний стрибок» різних ітерацій n

Малюнок 30 - Зовнішній виглядвсіх виготовлених дротяних фрактальнихантен (діаметри проводів 1 та 0,7 мм)

Малюнок 31 - Експериментальна установка: панорамний вимірник КСВН та ослаблення РК2-47 з фрактальною антеною типу «біполярний стрибок» 2-ї ітерації

Рисунок 32 - Екран РК2-47 при вимірі антени «біполярний стрибок» ітерації n = 1 з / 4-плечами рівними 78 мм.

Резонансна частота 553 МГц

Рисунок 33 - Екран РК2-47 при вимірі антени «біполярний стрибок» ітерації n = 1 з / 4-плечами рівними 58,5 мм.

Резонансна частота 722 МГц

Рисунок 34 - Екран РК2-47 при вимірі антени «біполярний стрибок» ітерації n = 1 з / 4-плечами рівними 48 мм. Резонансна частота 1012 МГц

Рисунок 35 - Екран РК2-47 при вимірі антени «біполярний стрибок» ітерації n = 1 з / 4-плечами рівними 39 мм. Резонансна частота 1200 МГц

Рисунок 36 - Екран РК2-47 при вимірі антени «біполярний стрибок» ітерації n = 2 з / 4-плечами рівними 78 мм.

Перша резонансна частота 445 МГц, друга – 1143 МГц

Рисунок 37 - Екран РК2-47 при вимірі антени «біполярний стрибок» ітерації n = 2 з / 4-плечами рівними 39 мм.

Резонансна частота 954 МГц

Як показали проведені експериментальні дослідження, якщо взяти симетричний напівхвильовий лінійний диполь і фрактальну антену однакових довжин (рисунок 38), то фрактальні антени типу «біполярного стрибка» працюватимуть на нижчій частоті (на 50 і 61%), а фрактальні антени у вигляді Коха працюють на частотах нижче на 73 та 85%, ніж у лінійного диполя. Отже, справді фрактальні антени можна робити менших розмірів. На малюнку 39 показані розміри фрактальних антен для тих самих резонансних частот (900-1000 МГц) у порівнянні з плечем звичайного напівхвильового диполя.

Малюнок 38 - «Звичайна» та фрактальна антени однакової довжини

Рисунок 39 - Розміри антен для тих самих резонансних частот

5. Вимірювання діаграм спрямованості фрактальних антен

Діаграми спрямованості антен зазвичай вимірюються в «безехових» камерах, стінки яких поглинають випромінювання, що падає на них. У цій дипломній роботі вимірювання проводилися у звичайній лабораторії фізико-технічного факультету, і відбитий сигнал від металевих корпусів приладів та залізних стендів вносив деяку похибку до вимірювань.

Як джерело НВЧ сигналу використовувався власний генератор панорамного вимірювача КСВН та ослаблення РК2-47. Як приймач випромінювання фрактальної антени використовувався вимірювач рівня електромагнітного поля АТТ-2592, що дозволяє проводити вимірювання в діапазоні частот від 50 МГц до 3,5 ГГц.

Попередні вимірювання показали, що суттєво спотворює діаграму спрямованості симетричного напівхвильового лінійного диполя випромінювання із зовнішнього боку коаксіального кабелю, який був безпосередньо (без узгоджувальних пристроїв) підключений до диполя. Одним із способів придушення випромінювання лінії передачі є застосування монополя замість диполя спільно з чотирма взаємно перпендикулярними /4 «противагами», що грають роль «землі» (рисунок 40).

Малюнок 40 - /4 монополь та фрактальна антена з «противагами»

На рисунках 41 - 45 показані експериментально виміряні діаграми спрямованості досліджуваних антен з противагами (резонансна частота випромінювання при переході від диполя до монополя практично не змінюється). Вимірювання щільності потоку потужності НВЧ випромінювання в мікроватах на квадратний метр проводилися в горизонтальній і вертикальній площинах через 10. Вимірювання проводилися в дальній зоні антени на відстані 2.

Першою досліджувалась антена у вигляді прямолінійного /4-вібратора. З діаграми спрямованості цієї антени видно (рисунок 41), що вона відрізняється від теоретичної. Це пояснюється похибками вимірів.

Похибки вимірювань для всіх досліджуваних антен можуть бути такі:

відображенням випромінювання від металевих предметів усередині лабораторії;

Відсутністю суворої взаємної перпендикулярності між антеною та противагами;

Чи не повним придушенням випромінювання зовнішньої оболонки коаксіального кабелю;

Неточністю відліку кутових величин;

Неточним "націлюванням" вимірювача АТТ-2592 на антену;

Перешкодами від мобільних телефонів.