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, у пошуках потрібної мені інформації, я натрапив на , що обіцяла вирішення всіх моїх проблем. Про те, як вирішення проблем не вийшло, я хочу розповісти.

Однією з постійних «головного болю» в області 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 треба узгодитися 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, що пред'являється до антени, а саме

2. Компактність. Адже ні для кого не секрет, що зараз мало кому потрібна хвилеводна рупорна антена величезних розмірів. Всі хочуть, щоб антена була маленькою, легкою та компактною, щоб її можна було засунути в корпус портативного пристрою. Але при компактифікації антени стає дуже складно дотриматися п. 1 вимог, що пред'являються до антени, т.к. мінімальна частота робочого діапазону тісно пов'язана із 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 плати прагнула 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, що застосовують СШП-технологію (тут треба уточнити, що йдеться про додатки з малою потужністюде кожен дБм на рахунку). І це вимога свідчить, що діаграма спрямованості (ДН) проектованої антени має формуватися лише у одній півсфері. Для чого це потрібно? Для того, щоб антена "світила" тільки в одному напрямку, не розсіюючи дорогоцінну потужність в "зворот". Також це дозволяє поліпшити ряд показників системи, в 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, відчуваєш себе обдуреним 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. Дякуємо 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 же цього викладу така – будь пильний!
(А ще мені дуже хотілося написати з цього приводу АНТИстаттю, тому що обдурили).

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 наближайся, 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 – впіймати меншими жертвами. У західних відео можна знайти параболоїд, де випромінювачем послужить відрізок фрактальної стрічки. Там вже роблять з фольги елементи механізмів НВЧ, більш ефективні, ніж прості. Покажемо, як зробити фрактальну антену до кінця, а погодженням 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 власними руками.

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 повторювані структури, вдалося зібрати мініатюрні антени не гірше за 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 улаштовано, якщо уявіть шестикінцеву 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 антена решітка – найпростіша фрактальна антена.

Зірки за кути з'єднуються фідером. Попарно стовпцями. Знімається сигнал із лінії, рівно посередині кожного дроту. Конструкція збирається на болти на діелектричній (пластиковій) підкладці відповідного розміру. Сторона зірки становить 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 Paint без великих можливостей для виготовлення точних креслень. Досить поглянути на картинку, щоб пристрій фрактальної антени став очевидним:

1. Коричневим прямокутником показано підкладку з діелектрика. Наведена малюнку фрактальная 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 на дотик, 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 в коробі для захисту проти негоди.

Збираємо фрактальну антену для цифрового телебачення

Дочитавши до кінця огляд, фрактальні антени зробить будь-хто. Так швидко заглибилися 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 відносно спостерігача). Звідси підстави вважати, що у телебаченні й у радіомовленні спостерігається схожість.
• Структура антени каже, що лінійна. Тут просто немає 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 на вертикальну. До речі, багато хто зможе зловити і FM, якщо розміри задають більше разу в 4. Краще провід взяти товстіший (наприклад, 10 мм).

Сподіваємось, пояснили читачам, як користуватися 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, заздалегідь відміряйте дюйм та 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 хомутом (наприклад, з кембрика дроту ПВС тощо). На малюнку місця кріплення показані червоним для однієї зірки. Болт схематично промальований коло.

Живильний кабель проходить (необов'язково) зі 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 за генератором, спочатку опір, потім антену). Вольтметром вимірюємо напругу змінного резистора, одночасно регулюючи номінал, поки показання генератора без навантаження (див. пунктом вище) не вдвічі перевищуватимуть поточні. Отже, 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 КВ діапазону, СВ уміщається сюди частково. Хвильовий опір антени підтримується у діапазоні 50 – 200 Ом. Скільки дасть зірка, сказати складно. 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 приймальні пристрої. Така незвичайна форма нагадує, що різноманітність Всесвіту не вкладається в типові рамки.

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму, розташовану 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 чи прийому електромагнітних хвиль. Антена є одним з 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 та 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 у приймальному режимі.

Пристрої, аналогічні антенам, застосовують також для збудження електромагнітних коливань 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, більша за потужність сигналу, прийнятого найпростішою антеною - напівхвильовим вібратором (ізотропним випромінювачем), поміщеним в ту ж 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 або 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 поверхневої волі); на вигляд радіотехнічної системи, в якій використовується антена (антени для радіозв'язку, для радіомовлення, телевізійні та ін.). 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 проведені істотні вдосконалення класичних антени 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 приймання або тільки для прийому.

Для кожного з діапазонів частот необхідно також розрізняти антенні системи радіопристроїв спрямованої та ненаправленої (всеспрямованої) дії, що у свою чергу визначається призначенням пристрою (зв'язку, мовлення тощо), завданнями, що вирішуються пристроєм (повідомлення, зв'язок, мовлення тощо). д.). У загальному випадку для збільшення спрямованості антен (для звуження діаграми спрямованості) можуть використовуватися антенні решітки, що складаються з елементарних випромінювачів (антен), які за певних умов їх фазування можуть забезпечити необхідні змінинапрямки променя антени у просторі (забезпечити управління положенням діаграми спрямованості антени). В 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 (широкополосні або широкодіапазонні).

1.3 Випромінювання антенних ґрат

Для отримання високої спрямованості випромінювання, часто необхідної на практиці, можна використовувати систему слабко спрямованих антен, таких як вібратори, щілини, відкриті кінці хвилеводів, та інших, певним чином розташованих у просторі та збуджуваних струмами з необхідним співвідношенням амплітуд і фаз. У цьому випадку загальна спрямованість, особливо при великому числі 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, у 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

Рисунок 1 - Антена базових станцій

У КВ та УКХ діапазонах в 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, що носять (портативні) радіостанції.

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 та 5/8л, а противаг - у межах від 0.25л до 0.1л. Вхідний опір антени залежить від кута між противагою і щоглою: чим менший цей кут (чим більше противаги притиснуті до щогли) більше опір. Зокрема, для антени з L = л/4 вхідний опір 50 Ом досягається при вугіллі, 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 використання короткозамкнутого 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, а її ДН у вертикальній площині сильніше притиснута до горизонту, що збільшує 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 у горизонтальній площині. Посилення такої антени складає 5-6 dB, максимум ДН розташований під кутом 15є до горизонту, а сам штир заземлюється на щоглу через узгоджуючу котушку. Ці антени вузькосмуговіші за напівхвильові, у зв'язку з чим вимагають більш ретельної настройки.

Малюнок 2 - Антена напівхвильового вібратора

Рисунок 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, дротів тощо);

Встановлювати антени бажано якомога вище;

Робота антени має створювати перешкоди іншим базовим станціям.

Істотну роль при встановленні сталого радіозв'язку грає поляризація прийнятого (випромінюваного) сигналу; Так як при далекому поширенні поверхнева хвиля відчуває 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, одержують 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 у горизонтальній площині збігається з діагоналлю a. У вертикальній площині головна пелюстка орієнтована горизонтально.

Однією з найкращих 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.

Рисунок 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 в якості вібратора петлевого вібратора Пістолькорсу, що володіє вхідним опором близько 300 Ом, зі збільшенням 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 кількості пасивних елементів ДН антени звужується, а коефіцієнт посилення зростає, наприклад для трьохелементної та п'ятиелементної антен коефіцієнти посилення 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

Рисунок 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 у 10 разів. При цьому у всьому робочому діапазоні забезпечується хороше узгодження антени з фідером, а коефіцієнт посилення практично не змінюється. Збірна лінія ЛПА зазвичай утворюється двома провідниками, розташованими один над одним, 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 порушуються 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, інші настільки засмучені, що впливають працювати 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 перешкод іншим радіоелектронним засобам і забезпечувати якісний зв'язок. Для звуження ДН широко застосовуються антенні решітки (АР), що звужують ДН у різних площинах та 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 декількох 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 в терміналах користувача 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 який завжди зручні, тому використовуються різні методи укорочення антен без істотного 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 цих цілей 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. Направлені антени залежно від призначення, конструкції та діапазону частот мають широкий розкид характеристик, а саме: за коефіцієнтом посилення – від 12 до 50 дБ, по ширині ДН (рівень – 3дБ) – від 3,5 до 120є. Крім того, в системах стільникового телебачення використовуються біконічні всенаправлені (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 для формування 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. Щоправда, у суворому математичному сенсі такі конструкції на час розробки у відсутності ставлення до фрактальної геометрії, будучи, власне, 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 найрізноманітніших 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 меандру 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 в 1890 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, що отримали на ім'я першовідкривача їх 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 давати лише оригінальним кривим, побудова яких відповідає аналітиці, опублікованій Пеано (рисунок 10).

Рисунок 9 - Ітерації кривої Пеано: а) вихідна лінія; б) перша; в) друга; і г) третя ітерації.

Рисунок 10 - Ітерації ламаної, запропонованої Гільбертом у 1891 році

Нерідко сприймається як рекурсивна крива Пеано

Тому для конкретизації об'єктів антеної техніки, що розглядаються, при описі тієї чи іншої форми фрактальної антени слід, по можливості, згадувати і імена авторів, що запропонували відповідну модифікацію SFC. Це особливо важливо, що за підрахунками, число 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).

Рисунок 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%.

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

Діаграма спрямованості по азимуту майже рівномірна, коефіцієнт посилення у перерахунку до входу фідер становить ~3,4 дБ. Щоправда, як зазначено у статті, робота таких друкованих елементів у складі ґрат (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 або «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 отримати 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.

Рисунок 13 - Побудова кривої Коха з кутом і а) 30° та б) 70° при підставі 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 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 та резонансної частоти прямолінійного диполя fD тієї ж висоти, що й ламана Коха (за крайніми точками):

(3)

Малюнок 14 - Ефект «просочування» електромагнітної хвилі

У загальному випадку для внутрішнього опору диполя Коха на першій резонансній частоті справедливо 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 підхід може бути використаний і для фрактальної антени у вигляді кривої Коха, внутрішній опір якої менше нормативних значень. Так, у третій ітерації внутрішній опір стандартного диполя Коха (= 60°) без урахування втрат при підключенні фідера в центрі становить 28 Ом. При переміщенні фідер 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 ламаною є наступна послідовність кутів: i1 = 20 ° для першої ітерації, i2 = 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.

Рисунок 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 – повітрям. Так само вченим спала на думку, навчити спілкуватися і численні комп'ютерні мережі.

Результатом стала поява нових розробок у цій галузі, їх затвердження на ринку комп'ютерного обладнання, а пізніше і прийняття стандартів. бездротової передачіінформації. 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 підвищити швидкість, 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 тощо.

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 є двома відрізками точно 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" були виконані 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, що 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 мови 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 ряд резонансних частот повторюється приблизно на подвоєному значенні 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 (рис. 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 створено на основі запатентованих технологій фрактальних антен, а його площа становить 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 більш високих частот гірше проходять через будівлі та різні перешкоди, ніж низькочастотні, які просто огинають їх. Тому технологія Wi-Fi, що використовується у звичайних системах бездротового зв'язку і працює 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, будуть працювати на частотах між ТВ-каналами, що працюють, збільшуючи, таким чином, дальність впевненого прийому. Щоб не заважати роботі телебачення, кожна з Wi-Fi-систем (передавач і приймач) буде постійно сканувати частоти, що лежать поруч, запобігаючи зіткненням в ефірі. При переході більш широкий частотний діапазон виникає необхідність мати антену, однаково добре приймає сигнали і високих, і низьких частот. Традиційні 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, виглядає однаково незалежно від цього, з яким збільшенням ми її розглядаємо. Фрактальна антена веде себе так, як поводилася б структура з безлічі штиркових 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 складністю. Його квартира була 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 і вирізав із нього фігуру у формі математичного об'єкта, відомого як крива Кох. Крива ця, відкрита в 1904 році німецьким математиком Хельгой 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 безкінечного 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 до нескінченності, можна отримати криву, «зламану» у кожній точці (рис. 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 у 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 самі 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 алгоритму Мінковського, змінюються дуже цікавим чином. Якщо прямолінійну антену вигнути у формі «прямокутної хвилі» - меандру, її посилення зросте. Всі наступні меандри посилення антени вже не змінюють, але діапазон частот, що приймаються нею, 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 та 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 фрактальний

4.2 Застосування фрактальних антен

Серед безлічі антенних конструкцій, що використовуються сьогодні у засобах зв'язку, винесений у заголовок статті тип антен є порівняно новим та принципово відрізняється від відомих рішень. Перші публікації, що розглядали електродинаміку фрактальних структур, з'явилися ще у 80-ті роки ХХ століття. Початок практичного використання фрактального напрямку в антеній техніці понад 10 років тому поклав американський інженер Натан Коен, нині професор університету Боаоні і головний технічний інспектор компанії «Fractal Antenna Systems». Проживаючи в центрі Бостона, щоб уникнути заборони міської влади на встановлення зовнішніх антен, він вирішив замаскувати антену аматорської радіостанції під декоративну фігуру з алюмінієвої фольги. За основу він взяв 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 Пеан. Формування фрактальної прямокутної ламанної антени. Двохдіапазонні антенні грати. Фрактальні частотно-виборчі поверхні.

дипломна робота , доданий 26.06.2015


Структурна схемамодуля приймальної активних фазованих антенних ґрат. Розрахунок відносного зменшення збудження край 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 розподільних 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 ґрат.

навчальний посібник, доданий 27.04.2013


Лінійні грати з циліндричною спіральною антеною як випромінювач. Застосування антенних ґрат для забезпечення якісної роботи антени. Проектування антувальної решітки, що сканує у вертикальній площині. Розрахунок одиночного випромінювача.

курсова робота , доданий 28.11.2010


Методи створення ефективних антен. Лінійна антена решітка. Оптимальна антена хвилі, що біжить. Коефіцієнт спрямованої дії. Плоскі антенні решітки. 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.

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, мобільні телефони. Помнете висувні антени на перших моделях? Вони заважали, збільшували розміри пристрою, зрештою часто ламалися. Вважаємо, вони назавжди канули в Лету, і частково винні тому... фрактали.

Фрактальні малюнки зачаровують своїми візерунками. Вони напевно 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 з 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 спосіб покращити 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 став 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 зразкова 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, що доводить, що для створення широкосмугової антени достатньо 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 відкриття стільникові телефони зможуть позбутися громіздких антен і стануть компактнішими.

У принципі так і сталося. Щоправда, і досі Натан веде судову тяганину з великими корпораціями, які незаконно використовують його відкриття для компактних пристроїв зв'язку. Деякі відомі виробники мобільних пристроївЯк, наприклад, Motorola, вже дійшли мирної угоди з винахідником фрактальної антени.

PS:Передбачаючи питання, що виникли з цієї теми, припускаю не настільки ефективну роботу таких антен. Фізику та природу не обдуриш. Будь-яке скручування та зменшення розмірів антен викликає зменшення її ККД. Такі антени і системи їх можна використовувати досить високих частотах і за бажання їх мініатюризації. Це вже знаходить своє застосування в стільникових телефонах, резонатори на мікросхемах, друкованих платахі так далі.
Високу ефективність чекати тут не доводиться, але працювати в стиснених умовах вони будуть і вже працюють.

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 відображення.

Abstract:Розробка нової ультра-широкої антени на основі фрактальної технології міститься в ньому. Ресультації результатів на радіаційному характері зміни, залежно від рівня дії factor і iteration level є presentd. Параметричне optimization antenna geometry для відстоювання рефлексії коефіцієнтів потреби було застосовано. The developed 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 із 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-передаючих 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 відображення S 11 (мал. 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 досліджувати 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 властивостей, 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 ой ітерації		12 мм
r 1	Радіус кола 1-ої ітерації	r /2	6 мм
r 2	Радіус кола другої ітерації	r 1 /2	3 мм
r 3	Радіус кола 3 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 процес для 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 у поведінці характеристик стають менш помітними.

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

Суть моделювання у тому, що 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 нижчі 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 досліджувати 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 гладкими, 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 випадкудля 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 та δ = 3 вибрано криву, що відповідає третій ітерації.

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

Розгляд залежності коефіцієнта відображення 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 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

В даному розділірозглядається 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 по кроках і що 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 методпроектування 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. p align="justify"> Далі до отриманої форми застосовується параметрична оптимізація на основі 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 характерних рис. 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 resonance. 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.