Робимо фрактальну антену. Саратов Радіо - Фрактальні антени: краще менше, та краще? Зробити фрактальну антену із друкованої плати

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 є описаний в paper. Ресультаційні результати на радіаційному характері зміни лежать в залежності від ступеня фактора і ітерації рівнів. 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 обрано круговий монопольрозміри якого становлять 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 відстані «ПЗ-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)

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;

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 у два рази 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 обрано 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 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 виглядантени: а) лицьова сторона; б) зворотний бік

На рис. 20 наведено характеристики, що відображають динаміку зміни S 11 по кроках і які 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

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.

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 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 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 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 влаштовано, якщо уявіть 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 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 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 на 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 умовизабезпечити неможливо (нагадаємо, що особливо фрактальних антен входить і розширений діапазон), але 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.

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

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

Дротові фрактальні антени на основі кривої Коха

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

а) n= 0 б) n= 1 в) n = 2

Малюнок 24 - Крива Коха різних ітерацій n

Розмірність Dузагальненого фракталу Коха обчислюється за такою формулою:

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

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

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

f K = f D 0,816, f K = 900 МГц 0816 = 734 МГц. (37)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Дротові фрактальні антени на основі біполярного стрибка. діаграма спрямованості

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

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

а) n= 0 б) n= 1 в) n = 2

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

Малюнок 30 - Зовнішній вигляд всіх виготовлених дротяних фрактальних антен (діаметри проводів 1 та 0,7 мм)

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

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

Резонансна частота 553 МГц

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

Резонансна частота 722 МГц

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

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

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

Перша резонансна частота 445 МГц, друга – 1143 МГц

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

Резонансна частота 954 МГц

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

Малюнок 38 - «Звичайна» та фрактальна антени однакової довжини

Рисунок 39 - Розміри антен для тих самих резонансних частот

5. Вимірювання діаграм спрямованості фрактальних антен

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

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

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

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

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

Першою досліджувалася антена як прямолінійного /4-вибратора. З діаграми спрямованості цієї антени видно (рисунок 41), що вона відрізняється від теоретичної. Це пояснюється похибками вимірів.

Похибки вимірювань для всіх досліджуваних антен можуть бути такі:

відображенням випромінювання від металевих предметів усередині лабораторії;

Відсутністю суворої взаємної перпендикулярності між антеною та противагами;

Чи не повним придушенням випромінювання зовнішньої оболонки коаксіального кабелю;

Неточністю відліку кутових величин;

Неточним "націлюванням" вимірювача АТТ-2592 на антену;

Перешкодами від мобільних телефонів.

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).

Відповіді на запитання з форуму, гостьової та пошти.

Світ не без добрих людей:-)
Валерій UR3CAH: "Доброго дня, Єгоре. Я думаю дана стаття (а саме розділ "Фрактальні антени: краще менше, та краще") відповідає тематиці Вашого сайту і буде Вам цікава:) А чи правда це? 73!"
Так, звичайно, цікава. Ми певною мірою вже стосувалися цієї теми під час обговорення геометрії гексабімів. Там теж була дилема з "укладанням" електричної довжини в геометричні розміри:-). Тож дякую, Валерію, велике за надісланий матеріал.
"Фрактальні антени: краще менше, та краще
За останні півстоліття життя стрімко почало змінюватися. Більшість із нас приймає досягнення сучасних технологій як 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, стільникові телефони. Помнете висувні антени на перших моделях? Вони заважали, збільшували розміри пристрою, зрештою часто ламалися. Вважаємо, вони назавжди канули в Лету, і частково виною тому... фрактали.

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

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

• назад
• Вперед

You have no rights to post comments Недостатньо прав для коментування

• Duchifat: і справді 9 мілліват?

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

• Який прекрасний цей світ, подивись

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

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

• Успішний довгожитель

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

  

• Пропав WEB приймач?

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

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

• Перевірте вуха свого TNC

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

  

• Телеграма UR8RF

  Радіо Промінь
  

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

• Інтернет іде до Морзи

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