Фрактальна антена для телебачення. Фрактальна надширокосмугова антена на основі кругового монополя. Потім на спроектовану фрактальну антену прямувала плоска електромагнітна хвиля, а програма розраховувала поширення поля до і після

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 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 виконати дію правильно, відміряйте дюйм заздалегідь 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.

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:) 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?» та «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, мобільні 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 виразно нагадують зображення космічних об'єктів — туманностей, скупчення галактик тощо. 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 із дроту один із 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 радіоприймача, 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. У 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 пристроївЯк, наприклад, Motorola, вже дійшли мирної угоди з винахідником фрактальної антени. Першоджерело

В останні кілька років я регулярно стикаюся із завданнями з розробки СШП (надширокосмугових) НВЧ-модулів та функціональних вузлів. І як не сумно мені про це говорити, але майже всю інформацію на тему я черпаю із зарубіжних джерел. Однак деякий час тому, в пошуках потрібної мені інформації, я наткнувся на вирішення всіх моїх проблем. Про те, як вирішення проблем не вийшло, я хочу розповісти.

Однією з постійних «головних болів» у галузі розробки СШП НВЧ-пристроїв є розробка СШП-антен, які повинні мати набір певних властивостей. Серед цих властивостей можна виділити такі:

1. Узгодження у робочій смузі частот (наприклад, від 1 до 4 ГГц). Однак буває, коли узгоджуватись треба в діапазоні частот від 0,5 ГГц до 5 ГГц. І тут виникає проблема опуститися за частотою нижче 1 ГГц. У мене взагалі склалося враження, що частота 1 ГГц має якусь містичну силу – до неї можна наблизитися, але дуже складно подолати, т.к. при цьому порушується інша вимога до антени, а саме

2. Компактність. Адже ні для кого не секрет, що зараз мало кому потрібна хвилеводна рупорна антена величезних розмірів. Усі хочуть, щоб антена була маленькою, легкою та компактною, щоб її можна було засунути в корпус портативного пристрою. Але при компактифікації антени стає дуже важко дотриматися п. 1 вимог, які пред'являються антени, т.к. Мінімальна частота робочого діапазону тісно пов'язана з максимальним габаритом антени. Хтось скаже, що можна робити антену на діелектриці з високим значенням відносної діелектричної проникності... І має рацію, але це суперечить наступному пункту нашого списку, який свідчить, що

3. Антена має бути максимально дешевою та виготовлятися на основі найдоступніших та недорогих матеріалів (наприклад, FR-4). Тому що ніхто не захоче платити багато грошей за антену, будь вона навіть тричі геніальною. Усі хочуть, щоб вартість антени на етапі виготовлення друкованої платипрагнула до нуля. Бо такий наш світ...

4. Є ще одна вимога, що виникає при вирішенні різних завдань, пов'язаних, наприклад, з локацією ближньої дії, а також зі створенням різних датчиків, які застосовують СШП-технологію (тут треба уточнити, що мова йдепро додатки з малою потужністю, де кожен дБм на рахунку). І ця вимога свідчить, що діаграма спрямованості (ДН) антени, що проектується, повинна формуватися тільки в одній півсфері. Для чого це потрібно? Для того, щоб антена «світила» лише в одному напрямку, не розсіюючи дорогоцінну потужність у «зворотню». Також це дозволяє поліпшити ряд показників системи, у якій застосовується така антена.

Навіщо я все це пишу..? Для того, щоб допитливий читач зрозумів, що розробник подібної антени стикається з масою обмежень та заборон, які йому потрібно героїчно чи дотепно подолати.

І раптом, як одкровення проявляється стаття, яка обіцяє вирішення всіх вищезазначених проблем (а також і тих, які згадані не були). Читання цієї статті викликає легке почуття ейфорії. Хоча з першого разу повного усвідомлення написаного немає, але чарівне слово «fractal» звучить дуже перспективно, т.к. евклідова геометрія свої аргументи вже вичерпала.

Беремося за справу сміливо та згодовуємо структуру, яку пропонує автор статті, симулятор. Симулятор утробно гарчить кулером комп'ютера, пережовуючи гігабайти цифр, і випльовує перетравлений результат. Дивлячись на результати моделювання, почуваєшся маленьким ошуканим хлопчиком. Сльози навертаються очі, т.к. знову твої дитячі повітряні мрії натрапили на чавунну реальність. Немає узгодження в діапазоні частот 0,1 ГГц – 24 ГГц. Навіть у діапазоні 0,5 ГГц – 5 ГГц нічого схожого немає.

Тут ще залишається боязка надія, що ти чогось не зрозумів, щось зробив не так… Починаються пошуки точки включення, різні варіації з топологією, але марно – вона мертва!

Найсумніше у цій ситуації те, що до останнього моменту шукаєш причину невдачі у собі. Дякую товаришам по цеху, які пояснили, що все правильно – не повинно воно працювати.

P.S. Сподіваюся, що мій пост п'ятниці викликав у вас посмішку.
Мораль цього викладу така - будь пильний!
(А ще мені дуже хотілося написати з цього приводу АНТИстаттю, тому що обдурили).

Перше, про що я хотів би написати, — це невелике введення в історію, теорію та використання фрактальних антен. Фрактальні антени були відкриті нещодавно. Першим їх винайшов Натан Коен у 1988, потім він опублікував своє дослідження як зробити антену для телевізора із дроту та запатентував у 1995 році.

Фрактальна антена має кілька унікальних характеристик, як написано у Вікіпедії:

«Фрактальна антена — це антена, що використовує фрактальну конструкцію, що самоповторюється для максимізації довжини або збільшення периметра (на внутрішніх ділянках або зовнішній структурі) матеріалу, який може приймати або передавати електромагнітні сигнали в межах даної загальної площі поверхні або об'єму».

Що саме це означає? Ну, треба знати, що таке фрактал. Також з Вікіпедії:

"Фрактал, як правило, являє собою грубу або фрагментовану геометричну форму, яка може бути розділена на частини, кожна з частин буде копією цілого зменшеного розміру - це властивість, яка називається самоподібністю".

Таким чином, фрактал є геометричною формою, яка повторює себе знову і знову, незалежно від розміру окремих частин.

Було виявлено, що фрактальні антени приблизно на 20% ефективніше звичайних антен. Це може бути корисним, особливо, якщо ви хочете, щоб ваша ТВ антена приймала цифрове відео або відео високої чіткості, збільшувала стільниковий діапазон, діапазон Wi-Fi, прийом радіо FM або AM і т.д.

У більшості стільникових телефоніввже стоять фрактальні антени. Ви могли це помітити, оскільки мобільні телефонибільше немає антен зовні. Це тому, що всередині них стоять фрактальні антени, витравлені на монтажній платі, що дозволяє їм краще приймати сигнал і брати більше частот, таких як Bluetooth, стільниковий зв'язокта Wi-Fi з однієї антени.

Вікіпедія:

«Відповідь фрактальної антени помітно відрізняється від традиційних конструкцій антен тим, що вона здатна працювати з гарною продуктивністю на різних частотах одночасно. Частота стандартних антен повинна бути зрізана, щоб мати можливість приймати тільки цю частоту. Тому фрактальна антена на відміну від звичайної є відмінною конструкцією для широкосмугових та багатодіапазонних додатків».

Хитрість полягає в тому, щоб спроектувати вашу фрактальну антену для резонування на певній, потрібній вам центральній частоті. Це означає, що антена виглядатиме по-різному в залежності від того, що ви хочете отримати. Для цього необхідно застосувати математику (або онлайн-калькулятор).

У моєму прикладі я збираюся зробити просту антену, але ви можете зробити складніший. Що складніше, то краще. Я використовуватиму котушку з 18-жильного дроту з твердим сердечником, щоб зробити антену, але ви можете доопрацювати власні монтажні плати відповідно до своїх естетичних міркувань, зробити її меншою або більшою складною з великим дозволом і резонансом.

Я збираюся зробити ТБ антену для прийому цифрового ТБ або ТБ високого дозволу. З цими частотами легше працювати, вони знаходяться в діапазоні довжини приблизно від 15 см до 150 см для половини довжини хвилі. Для простоти та дешевизни деталей, я збираюся розташувати її на спільній дипольній антені, вона ловитиме хвилі діапазону 136-174 МГц (VHF).

Для прийому хвиль UHF (400-512 МГц) можна додати директор або відбивач, але так прийом буде більш залежним від напрямку антени. VHF теж залежить від напрямку, але замість того, щоб прямо вказувати на ТВ станцію у разі встановлення UHF, вам потрібно буде встановити VHF вуха перпендикулярно ТВ станції. Тут потрібно буде докласти трохи більше зусиль. Я хочу зробити максимально просту конструкцію, тому що це досить складна річ.

Основні компоненти:

• Монтажна поверхня, наприклад пластиковий корпус (20 см х 15 см х 8 см)
• 6 гвинтів. Я використовував сталеві шурупи для листового металу
• Трансформатор опором від 300 до 75 Ом.
• Дріт монтажний перерізом 18 AWG (0.8 мм)
• Кабель RG-6 коаксіальний з термінаторами (і з гумовою оболонкою, якщо монтаж буде на вулиці)
• Алюміній під час використання рефлектора. У вкладенні вище був такий.
• Тонкий маркер
• Дві пари маленьких плоскогубців
• Лінійка не коротша за 20 см.
• Транспортер для вимірювання кута
• Два свердла, одне трохи меншого діаметру, ніж ваші гвинти
• Маленький різак для дроту
• Викрутка або шуруповерт

Примітка: нижня частина антени з алюмінієвого дроту знаходиться праворуч на зображенні, де стирчить трансформатор.

Крок 1: Додавання відбивача

Зберіть корпус із відбивачем під пластиковою кришкою

Крок 2: Свердління отворів та встановлення точок кріплення

Просвердліть невеликі отвори для відведення на протилежній стороні від відбивача в цих положеннях і помістіть гвинт, що проводить.

Крок 3: Відміряйте, відріжте та оголить дроти

Відріжте чотири 20-сантиметрові шматки дроту і помістіть на корпус.

Крок 4: Вимірювання та маркування проводів

Використовуючи маркер, відзначте кожні 2,5 см на дроті (на цих місцях будуть вигини)

Крок 5: Створення фракталів

Цей крок потрібно повторити для кожного шматка дроту. Кожен вигин повинен дорівнювати рівно 60 градусам, так як ми робитимемо для фракталу рівносторонні трикутники. Я використав дві пари плоскогубців та транспортир. Кожен вигин зроблено на мітці. Перед тим, як робити загини, візуалізуйте напрямок кожного з них. Використовуйте для цього прикладену діаграму.

Крок 6: Створення диполів

Відріжте ще два шматки дроту довжиною не менше 15 см. Оберніть ці дроти навколо верхнього і нижнього гвинтів, що йдуть уздовж довгої сторони, а потім оберніть до центральних. Потім обріжте зайву довжину.

Крок 7: Монтаж диполів та монтаж трансформатора

Закріпіть кожен із фракталів на кутових гвинтах.

Приєднайте трансформатор відповідного імпедансу до двох центральних гвинтів та затягніть їх.

Складання закінчено! Перевіряйте та насолоджуйтесь!

Крок 8: Більше ітерацій/експериментів

Я зробив кілька нових елементів, використовуючи паперовий шаблон GIMP. Я використав невеликий суцільний телефонний провід. Він виявився досить маленьким, міцним та податливим, щоб згинатися у складні форми, які потрібні для центральної частоти (554 МГц). Це середнє значення цифрового сигналу UHF для каналів ефірного телебаченняу моїй області.

Фотографія додається. Можливо, складно буде побачити мідні дроти при слабкому освітленні на тлі картону та зі стрічкою поверх, але ідея вам уже зрозуміла.

При такому розмірі елементи досить тендітні, тому їх потрібно обробляти акуратно.

Я також додав шаблон у форматі png. Щоб надрукувати потрібний розмір, потрібно відкрити його в редакторі фотографій, наприклад GIMP. Шаблон не є ідеальним, тому що я зробив його вручну за допомогою миші, але він досить зручний для людських рук.

УДК 621.396

фрактальна надширокосмугова антена на основі кругового монополя

р.І. Абдрахманова

Уфімський державний авіаційний технічний університет,

Universita degli studi di Trento

Анотація.У статті розглянуто завдання проектування надширокосмугової антени на основі фрактальної технології. Наведено результати досліджень зміни характеристик випромінювання залежно від величини коефіцієнта масштабута рівня ітерації. Проведено параметричну оптимізацію геометрії антени на відповідність вимогам коефіцієнта відображення. Розміри розробленої антени становлять 34 × 28 мм 2 а діапазон робочих частот – 3,09 ÷ 15 ГГц.

Ключові слова:надширокосмуговий радіозв'язок, фрактальна технологія, антени, коефіцієнт відбиття.

Abstract:Розвиток нової ультра-широкої Band antenna на основі fractal technology is described in paper. Ресультаційні результати на радіаційному характері зміни, залежно від величини напруги factor і iteration level are presentd. Параметричне optimization antenna geometry для сприяння рефлексії коефіцієнта потреби було застосовано. Розвиток antenna size is 28 × 34 mm 2 , and the bandwidth – 3,09 ÷ 15 GHz.

Key words:ultra-wideband radio communication, fractal technology, antennas, reflection coefficient.

1. Введення

На сьогоднішній день надширокосмугові (СШП) системи зв'язку становлять великий інтерес для розробників та виробників телекомунікаційного обладнання, оскільки дозволяють передавати величезні потоки даних з високою швидкістю у надширокій смузі частот на безліцензійній основі. Особливості переданих сигналів мають на увазі відсутність потужних підсилювачів і складних компонентів обробки сигналів у складі приймально-передавальних комплексів, але обмежують дальність дії (5-10 м).

Відсутність відповідної елементної бази, здатної ефективно працювати з надкороткими імпульсами, стримує масове використання СШП технології.

Приймальні антени є одним з ключових елементів, що впливають на якість передачі/прийому сигналів. Основний напрямок патентів та досліджень у галузі проектування антеної техніки для СШП пристроїв полягає у мініатюризації та зниженні виробничих витрат при забезпеченні необхідних частотних та енергетичних характеристик, а також у застосуванні нових форм та структур.

Так, геометрія антени побудована на основі сплайну з прямокутним П-подібним прорізом в центрі, що дозволяє оперувати в СШП смузі з функцією загородження WLAN -діапазону, розміри антени – 45,6×29 мм 2 . Асиметрична Е-подібна фігура розміром 28×10 мм 2 розташована на висоті 7 мм щодо провідної площини (50×50 мм 2) обрана в якості випромінюючого елемента . Планарна монопольна антена (22×22 мм 2), спроектована на основі прямокутного випромінюючого елемента та сходової резонансної структури на звороті, представлена ​​.

2 Постановка задачі

Зважаючи на те, що кругові структури можуть забезпечувати досить широку смугу пропускання, спрощення конструкції, малі розміри та зниження витрат при виробництві, у цій роботі пропонується розробити СШП антену на основі кругового монополя. Необхідний діапазон робочих частот – 3,1 ÷ 10,6 ГГц за рівнем -10 дБ коефіцієнта відбиття S 11, (рис. 1).

Мал. 1. Необхідна маска для коефіцієнта відображення S 11

З метою мініатюризації геометрія антени буде модернізована за рахунок застосування фрактальної технології, що дозволить також дослідити залежність характеристик випромінювання від значення коефіцієнта масштабу. δ та рівня ітерації фракталу.

Далі поставлено завдання оптимізації розробленої фрактальної антени з метою розширення робочого діапазону за рахунок зміни наступних параметрів: довжини центрального провідника (ЦП) компланарного хвилеводу (КВ), довжини площини землі (ПЗ) КВ, відстані ПЗ КВ - випромінюючий елемент (ІЕ).

Моделювання антени та чисельні експерименти проводяться в середовищі CST Microwave Studio».

3 Вибір геометрії антени

Як базовий елемент обраний круговий монополь, розміри якого складають чверть довжини хвилі необхідного діапазону:

де L ar- Довжина випромінюючого елемента антени без урахування ЦП;f L- нижня гранична частота,f L = f min uwb = 3,1 · 10 9 Гц; з- швидкість світла, з = 3·10 8 м/с 2 .

Отримуємо L ar= 24,19 мм ≈ 24 мм. Враховуючи, що як ІЕ обрано коло радіусомr = L ar / 2 = 12 мм, і приймаючи початкову довжину ЦПL fтакож рівною r, Отримуємо нульову ітерацію (рис. 2).

Мал. 2. Нульова ітерація антени

Діелектрична підкладка завтовшкиT sта зі значеннями параметрівε s = 3,38, tg δ = 0,0025 використовується як основа, на лицьовій стороні якої розміщеніІЕ, ЦП та ПЗ . При цьому відстаніПЗ-ЦП» Z vта «ПЗ-ІЕ» Z h прийнято рівними 0,76 мм. Значення інших параметрів, які у процесі моделювання, представлені у таблиці 1.

Таблиця 1. Параметри антени ( δ = 2)

Назва	Опис	Формула	Значення
L a	Довжина антени	2 ∙ r + L f	36 мм
W a	Ширина антени	2 ∙ r	24 мм
L f	Довжина ЦП	r + 0,1	12,1 мм
W f	Ширина ЦП		1,66 мм
L g	Довжина ПЗ	r - T s	11,24 мм
L s	Довжина підкладки	L a + G s	37 мм
W s	Ширина підкладки	W a+ 2 ∙ G s	26 мм
G s 1	Зазор підкладки по вертикалі		1 мм
G s 2	Зазор підкладки по горизонталі		1 мм
T m	Товщина металу		0,035 мм
T s	Товщина підкладки		0,76 мм
r	Радіус кола 0-ої ітерації		12 мм
r 1	Радіус кола 1-ої ітерації	r /2	6 мм
r 2	Радіус кола 2-ої ітерації	r 1 /2	3 мм
r 3	Радіус кола 3 їй ітерації	r 2 /2	1,5 мм
ε s	Діелектрична проникність		3,38

Антена запитана за допомогою компланарного хвилеводу, що складається з центрального провідника та площини землі, SMA -конектора та розташованого перпендикулярно йому компланарного хвилеводного порту (КВП) (рис. 3).

де ε eff – ефективна діелектрична проникність:

K – повний еліптичний інтеграл першого роду;

	(5)

Фрактальність при побудові антени полягає в особливому способі упакування елементів: наступні ітерації антени утворюються за рахунок розміщення кіл меншого радіусу в елементах попередньої ітерації. При цьому коефіцієнт масштабу δ визначає, скільки разів відрізнятимуться розміри сусідніх ітерацій. Цей процесдля випадку δ = 2 представлено на рис. 4.

Мал. 4. Перша, друга та третя ітерації антени ( δ = 2)

Так, перша ітерація отримана за рахунок віднімання двох кіл радіусомr 1 із вихідного елемента. Друга ітерація утворена за рахунок розміщення зменшених удвічі металевих кіл радіусомr 2 у кожному колі першої ітерації. Третя ітерація аналогічна першій, але радіус у своїйr 3 . У роботі розглядається вертикальне та горизонтальне розташування кіл.

3.1 Горизонтальне розташування елементів

Динаміка зміни коефіцієнта відбиття залежно від рівня ітерації представлена ​​на рис. 5 для δ = 2 і рис. 6 для δ = 3. Кожному новому порядку відповідає одна додаткова резонансна частота. Так, нульової ітерації в аналізованому діапазоні 0 ÷ 15 ГГц відповідають 4 резонанси, першої ітерації - 5 і т. д. При цьому, починаючи з другої ітерації, зміни в поведінці характеристик стають менш помітними.

Мал. 5. Залежність коефіцієнта відбиття від порядку ітерації ( δ = 2)

Суть моделювання у тому, що у кожному етапі з аналізованих характеристик вибирається та, що визначено як найперспективніша. У зв'язку з цим запроваджено правило:

Якщо перевищення (різниця) в діапазоні, де полиці вище -10 дБ, невелике, то слід вибирати ту характеристику, у якої нижче полиці в робочому діапазоні (нижче -10 дБ), тому що в результаті оптимізації перші будуть усунені, а другі опущені ще нижче.

Мал. 6. Залежність коефіцієнта відбиття від порядку ітерації ( δ = 3)

На підставі отриманих даних та відповідно до цього правила для δ = 2 обрана крива, що відповідає першій ітерації, для δ = 3 – другий ітерації.

Далі пропонується дослідити залежність коефіцієнта відбиття від значення коефіцієнта масштабу. Розглянемо зміну δ у діапазоні 2 ÷ 6 з кроком 1 у межах першої та другої ітерацій (рис. 7, 8).

Цікава поведінка графіків полягає в тому, що, починаючи з δ = 3, характеристики стають пологішими і гладкішими, кількість резонансів залишається постійним, а зростання δ супроводжується підвищенням рівня S 11 у парних діапазонах та зниженням – у непарних.

Мал. 7. Залежність коефіцієнта відбиття від коефіцієнта масштабу для першої ітерації ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

В даному випадку для обох ітерацій вибрано значення δ = 6.

Мал. 8. Залежність коефіцієнта відбиття від коефіцієнта масштабу для другої ітерації ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

δ = 6, оскільки вона характеризується найнижчими полицями та глибокими резонансами (рис. 9).

Мал. 9. Порівняння S 11

3.2 Вертикальне розташування елементів

Динаміка зміни коефіцієнта відображення в залежності від рівня ітерації для вертикального розташування кіл представлена ​​на рис. 10 для δ = 2 і рис. 11 для δ = 3.

Мал. 10. Залежність коефіцієнта відбиття від порядку ітерації ( δ = 2)

На підставі отриманих даних та відповідно до правила для δ = 2 і δ = 3 вибрано криву, що відповідає третій ітерації.

Мал. 11. Залежність коефіцієнта відбиття від порядку ітерації ( δ = 3)

Розгляд залежності коефіцієнта відбиття від значення коефіцієнта масштабу в межах першої та другої ітерацій (рис. 12, 13) виявляє оптимальне значення δ = 6, як і разі горизонтального розташування.

Мал. 12. Залежність коефіцієнта відбиття від коефіцієнта масштабу для першої ітерації ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

В даному випадку для обох ітерацій вибрано значення δ = 6, яке також єn-кратний фрактал, отже, можливо, повинен поєднувати у собі особливості δ = 2 та δ = 3.

Мал. 13. Залежність коефіцієнта відбиття від коефіцієнта масштабу для другої ітерації ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

Таким чином, з чотирьох порівнюваних варіантів обрана крива, що відповідає другій ітерації, δ = 6, як і попередньому випадку (рис. 14).

Мал. 14. Порівняння S 11 для чотирьох аналізованих геометрій антени

3.3 Порівняння

Розглядаючи найкращі варіанти вертикальної та горизонтальної геометрій, отримані у двох попередніх підрозділах, вибір зупиняється на першій (рис. 15), хоча в даному випадку різниця між цими варіантами не настільки велика. Робочі діапазони частот: 3,825÷4,242 ГГц та 6,969÷13,2 ГГц. Далі конструкція буде модернізована з метою розробки антени, що функціонує у всьому СШП діапазоні.

Мал. 15. Порівняння S 11 для вибору підсумкового варіанта

4 Оптимізація

У цьому розділі розглядається оптимізація антени на основі другої ітерації фракталу зі значенням коефіцієнта δ = 6. Варіюються параметри представлені на , а діапазони їх змін – у таблиці 2.

Мал. 20. Зовнішній вигляд антени: а) лицьова сторона; б) зворотний бік

На рис. 20 наведено характеристики, що відображають динаміку зміни S 11 за кроками та доводять обґрунтованість кожної наступної дії. У таблиці 4 показані резонансні та граничні частоти, що використовуються далі для розрахунку поверхневих струмів та діаграми спрямованості.

Таблиця 3. Розраховані параметри антени

Назва	Вихідне значення, мм	Кінцеве значення, мм
∆ L f
Z h	Таблиця 13,133208
6,195	27,910472
8,85	21,613615
10,6	12,503542
12,87	47,745235

Розподіл поверхневих струмів антени на резонансних та граничних частотах СШП діапазону представлено на рис. 21, а діаграми спрямованості – на рис. 22.

а) 3,09 ГГц; б) 3,6 ГГц

в) 6,195 ГГц; г) 8,85 ГГц.

д) 10,6 ГГц; е) 12,87 ГГц

Мал. 21. Розподіл поверхневих струмів

а) F(φ ), θ = 0 ° б) F(φ ), θ = 90 °

в) F(θ ), φ = 0 ° г) F(θ ), φ = 90 °

Мал. 22. Діаграми спрямованості у полярній системі координат

5 Висновок

У цій роботі представлений новий метод проектування СШП антен на основі застосування фрактальної технології. Цей процес має на увазі два етапи. Спочатку визначається геометрія антени за допомогою вибору відповідного коефіцієнта масштабу та рівня ітерації фракталу. Далі до отриманої форми застосовується параметрична оптимізація з урахуванням вивчення впливу розмірів ключових компонентів антени на характеристики випромінювання.

Встановлено, що зі зростанням порядку ітерації кількість резонансних частот збільшується, а зростання коефіцієнта масштабу в межах однієї ітерації характеризується пологішою поведінкою. S 11 та сталістю резонансів (починаючи з δ = 3).

Розроблена антена забезпечує якісний прийом сигналів у смузі частот 3,09 ÷ 15 ГГц за рівнем S 11 < -10 дБ. Помимо этого антенна характеризуется малыми размерами 34×28 мм 2 , а следовательно может быть успешно применена в СШП приложениях.

6 Подяки

Дослідження підтримано грантом Європейського Союзу « Erasmus Mundus Action 2», також А. Г. І. дякує професору Paolo Rocca за корисне обговорення.

Література

1. L . Lizzi, G. Oliveri, P. Rocca, A. Massa. Planar monopole UWB antenna with UNII1/UNII2 WLAN-band не має характеристик. Progress in Electromagnetics Research B, Vol. 25, 2010. - 277-292 pp.

2. H. Malekpoor, S. Jam. Ultra-wideband shorted patch antennas fed by folded-patch with multi resonances. Progress in Electromagnetics Research B, Vol. 44, 2012. - 309-326 pp.

3. R.A. Sadeghzaden-Sheikhan, M. Naser-Moghadasi, E. Ebadifallah, H. Rousta, M. Katouli, B.S. Virdee. Planar monopole antenna employing back-plane ladder-shaped resonant structure для ultra-wideband performance. IET Microwaves, Antennas and Propagation, Vol. 4, Iss. 9, 2010. - 1327-1335 pp.

4. Revision of Part 15 of Commission's Rules Regarding Ultra-Wideband Transmission Systems, Federal Communications Commission, FCC 02-48, 2002. - 118 p.