GP на 160 Minooka

По някакъв начин попаднах на бюлетин на ARRL, който съдържа интересни резултати от проучване за 160-метрови антени. И основното очарование, освен резултатите, разбира се, беше, че това са комбинирани статистики от 1969 г. насам! Първо, трябва да вярвате на статистиката за такъв период, и второ, разнообразието от модели антени за 160 м просто „изпъква“ Първият въпрос: ако планирате да направите антена на HF днес, това ще бъде:
Отговор 1: 60% - вертикален, 30% - хоризонтален дипол, 10% други опции. Вертикалите в това проучване включват 1/4, 1/2, 5/8 дължини на вълната, вертикали с произволна дължина и обърнати L антени. Въпрос втори: ако днес ще правите 160-метрова антена, това ще бъде: 70% вертикално, 17% хоризонтално, 5% обърнато L, 2% H/V комбинация, 2% обърнато V, 3% други опции. Не е ли значимо? :-) ? 70 срещу 17! А сега, според същото проучване, аргументите, поради които респондентите са направили своя избор. Втори отговор: 1. Висока ефективноств диапазона от 160 метра за DX работа. 2. Опростен дизайн и лекота на конфигуриране 3. Ниска цена 4. Побира се в размера на „заден двор“ 5. Достатъчно широка честотна лента 6. Работи добре при маршрути на дълги разстояния 7. Може да се намали за по-високи честотни диапазони. Добра скалируемост.
Което е вярно си е вярно. Трудно е да се спори срещу който и да е елемент от списъка. Вероятно затова има толкова много опции за вертикални антени за 160 метра. Как да се ориентирате в този океан от модели и да не се удавите? Въз основа на малък (около 45 години :-) опит, мога да дам няколко съвета на начинаещите. Извинявам се на онези, които са добре запознати с теорията на антената, че не ме съдят строго за радикални опростявания на концепциите. Пропуснете няколко абзаца, ако не ви интересува :-)
Постулат едно. Антената трябва да има физическа дължина поне приблизително кратна на 1/4 от дължината на вълната и противотежести от поне 2 на брой с приблизително еднаква дължина. Всички срещани схеми за скъсяване (ако електрическата дължина е по-голяма от необходимото) и удължаване (. в обратния случай), служат само за една цел - да накарат антената да стане резонансна. Тоест резонирайте на необходимата честота. В този случай ефективността на директното излъчване на радиовълните ще намалее обратно пропорционално на степента на удължаване (скъсяване).
Преди да решите да повторите срещан някъде дизайн, трябва добре да разберете кои от елементите на антената са необходими за настройка на резонанс и кои (след това) за осигуряване на съвпадащи условия. Ако това не може да се направи, тогава най-вероятно някой е описал дизайн, създаден експериментално и не е факт, че ще работи във вашите условия. Опитайте се да избягвате допълнителни елементи в антената (освен платното и противотежестите) е, когато платното на антената е с дължина на вълната 1/4, 1/2 или 5/8 със същите противотежести. Доста трудно е да поставите 41 метра тел (или тръба!) Вертикално, така че трябва да огънете (наклоните) вибратора, което по принцип е нежелателно, но намалява ефективността на излъчване в много по-малка степен, отколкото например скъсяването . Не трябва да забравяме за такава концепция като ефективната височина на антената. Колкото по-далеч е горната част на антената от земята (да се чете: колкото по-дълъг е щифтът), толкова по-голяма е ефективната височина на антената. Зависимостта на напрегнатостта на полето в приемната точка е право пропорционална на тази стойност. Има и друг аргумент за дължина на щифта, по-голяма от една четвърт вълна - формулата за ЕМП, индуцирана в проводник, определя правопропорционалното увеличение на напрежението на конектора на антената в зависимост от дължината. Следователно най-добрата камшична антена е 5/8 вълна. Но 5/8 за 160 е 100 метра. Дори най-богатите радиолюбители често нямат възможност да създадат опорна (или окачваща) точка на такава височина. Дори 1/4 вълна на този диапазон е 41 метра. Но въпреки това има начин да се намери компромис за действителната височина на окачване на конкретен потребител. Приблизително половината от модификациите и клоновете на вертикални антени за 160 метра съответстват на принципите, на които работи тази антена. Красотата на идеята е, че потребителят, знаейки височината, до която може да повдигне горния край на щифта, избира модела и размера на елементите. Разбира се, височината е ограничена: не по-малко от 2,13 метра за мобилно използване и не повече от 18,29 метра за основата. Казва се Minooka Special и изглежда така. Таблицата по-долу показва 6 версии на Minooka, покриващи действителните възможни размери (височина на окачване). В тази таблица стойностите на X и Y са дефинирани недвусмислено, а Z е максимално възможното при условията на повторение на дизайна, т.е. Z = височина на точката на окачване минус X и минус Y. Както надписът под на снимката на антената пише, че L2 съдържа от 1 до 20 намотки, а L3 от 1 до 5 намотки проводник с диаметър 1 мм при диаметър на самата намотка 38 мм. Източникът (QST, Barry a. Boothe, W9UCW) не посочва броя на навивките на L1, но мисля, че трябва да има около 20 навивки намотка, подобна на L2 и L3 - намотка със стъпка 3 mm. В оригиналния източник (помислете само, 1976!) американците вече препоръчват използването на водопроводни пластмасови тръби! Но аз ги открих едва през 2003 г.:-(Всъщност L1 абсолютно ще трябва да се познае с тази намотка; ще настроите своя щифт в резонанс на любимата си честота: няма да можете да получите честотна лента от 2 мегахерца: -(След като намерите резонанса, можете да продължите към съпоставяне. B За разлика от източника, за настройка ще предложа да използвате автотрансформатор - една индуктивност с посочените параметри на намотката, но само 20 оборота с кранове. След като изберете кран, при който КСВ минимален процес на настройка може да се счита за завършен, ще ви кажа по-долу как да конфигурирате оригинала, но засега таблицата.

След като настроите вашата секция за резонанс на желаната честота с помощта на L1, можете да продължите към настройка на съвпадението с фидера. За да направите това, намотката L3 се отстранява от веригата и чрез промяна на намотката L2 се постига минималната възможна стойност на SWR в тази конфигурация. След това, връщайки L3 във веригата, те постигат КСВ равен на единица. Вероятно след това ще трябва да коригирате L1. За мобилна употреба (при минимална дължина) (настройка на SWR), добър SWR може да се получи без бобината L3.
Не трябва да забравяме, че за да работи антената ефективно, основата трябва да има от 2 до 40 (по препоръка на автора:-) радиала от точно 18,3 метра.
Добре? Уморихте ли се от толкова много променливи? Но ще работи в строго съответствие с науката :-) Аз, като прагматик, предпочитам очевидните опции и затова използвам четвърт вълнов щифт с радиали без нито една намотка или съответстващ кондензатор. Можете да видите как го направих, но същият автор на Minooka Spec има опции без корекция, които ще работят, ако размерите се поддържат. Е, ако сте съгласни, че капацитивното натоварване не е елемент на настройка :-)

Три трансивъра на антена

Всички сме пътници в една или друга степен. Вярно е, че някои от нас са фанатични пътешественици. Това може да се каже особено за радиолюбителите. Всеки знае програмата URFF, много хора знаят програмата UIA, но не всички. Още по-малко хора знаят за програмата, например, на фарове. Но ако през лятото предложите на някой домашен човек да отиде на радио експедиция до острова и да бъде търсен повече от обикновено (почти pileup :-), тогава мисля, че той ще се съгласи. Аз самият много обичам природата и когато мога да съчетая релакс сред природата и зад трансивъра едновременно, просто съм щастлив. В същото време забравяте колко усилия са похарчени за влачене на тежки предмети, пари за бензин и нерви за борба с граничарите... (Факт е, че всички наши острови са на Днепър, на границата. И границата пазачите командват реката).

EN5R-WW 2

Първото нещо, за което бих искал да пиша е малко въведениев историята, теорията и използването на фракталните антени. Наскоро бяха открити фрактални антени. Те са изобретени за първи път от Нейтън Коен през 1988 г., след което той публикува изследването си за това как да направи телевизионна антена от тел и я патентова през 1995 г.

Фракталната антена има няколко уникални характеристики, както е написано в Уикипедия:

„Фракталната антена е антена, която използва фрактален, самоповтарящ се дизайн, за да увеличи максимално дължината или да увеличи периметъра (върху вътрешни зони или външна структура) на материал, който може да приема или предава електромагнитни сигнали в рамките на дадена обща повърхност или обем .”

Какво точно означава това? Е, трябва да знаете какво е фрактал. Също от Wikipedia:

„Фракталът обикновено е груба или фрагментирана геометрична форма, която може да бъде разделена на части, като всяка част е по-малко копие на цялото – свойство, наречено самоподобие.“

Така фракталът е геометрична форма, която се повтаря отново и отново, независимо от размера на отделните части.

Установено е, че фракталните антени са приблизително 20% по-ефективни от конвенционалните антени. Това може да бъде полезно, особено ако искате вашата телевизионна антена да приема цифрово или видео с висока разделителна способност, да увеличи обхвата на клетъчната мрежа, обхвата на Wi-Fi, FM или AM радио приемане и т.н.

В мнозинството мобилни телефониВече има фрактални антени. Може би сте забелязали това, защото мобилните телефони вече нямат антени отвън. Това е така, защото те имат фрактални антени вътре в тях, гравирани в печатната платка, което им позволява да получават по-добър сигнал и да улавят повече честоти като Bluetooth, Cellular и Wi-Fi от една антена.

Уикипедия:

„Отговорът на фракталната антена е забележимо различен от традиционния дизайн на антената, тъй като е в състояние да работи с добра производителност на различни честоти едновременно. Честотата на стандартните антени трябва да бъде намалена, за да могат да приемат само тази честота. Следователно, фракталната антена, за разлика от конвенционалната антена, е отличен дизайн за широколентови и многолентови приложения.

Номерът е да проектирате вашата фрактална антена така, че да резонира на специфичната централна честота, която искате. Това означава, че антената ще изглежда различно в зависимост от това какво искате да постигнете. За да направите това, трябва да използвате математика (или онлайн калкулатор).

В моя пример ще направя проста антена, но вие можете да направите по-сложна. Колкото по-сложни, толкова по-добре. Ще използвам намотка от 18-жилен проводник с плътна сърцевина, за да направя антената, но вие можете да персонализирате вашите собствени платки, за да отговарят на вашата естетика, да я направите по-малка или по-сложна с по-голяма разделителна способност и резонанс.

Ще правя ТВ антена за приемане на цифрова телевизия или телевизия с висока резолюция. Тези честоти са по-лесни за работа и варират по дължина от около 15 cm до 150 cm за половин дължина на вълната. За простота и ниска цена на частите, ще го поставя на обикновена диполна антена, тя ще хваща вълни в диапазона 136-174 MHz (VHF).

За да получавате UHF вълни (400-512 MHz), можете да добавите директор или рефлектор, но това ще направи приемането по-зависимо от посоката на антената. VHF също е насочен, но вместо да насочвате директно към телевизионната станция в UHF инсталация, ще трябва да монтирате VHF ушите перпендикулярно на телевизионната станция. Тук ще трябва да положите малко повече усилия. Искам да направя дизайна възможно най-прост, защото това вече е доста сложно нещо.

Главни компоненти:

• Монтажна повърхност, като например пластмасов корпус (20 cm x 15 cm x 8 cm)
• 6 винта. Използвах винтове за стоманена ламарина
• Трансформатор със съпротивление от 300 Ohm до 75 Ohm.
• 18 AWG (0,8 mm) Монтажен проводник
• Коаксиален кабел RG-6 с терминатори (и с гумена обвивка, ако монтажът ще бъде на открито)
• Алуминий при използване на рефлектор. Имаше един в прикачения файл по-горе.
• Фин маркер
• Два чифта малки клещи
• Линийката е не по-къса от 20 см.
• Конвейер за измерване на ъгли
• Две свредла, едното с малко по-малък диаметър от вашите винтове
• Малък нож за тел
• Отвертка или отвертка

Забележка: Долната част на алуминиевата жична антена е от дясната страна на снимката, където стърчи трансформаторът.

Стъпка 1: Добавяне на рефлектор

Сглобете корпуса с рефлектора под пластмасовия капак

Стъпка 2: Пробиване на отвори и инсталиране на монтажни точки

Пробийте малки изходни отвори от противоположната страна на рефлектора в тези позиции и поставете проводящ винт.

Стъпка 3: Измерете, изрежете и оголете проводниците

Нарежете четири 20 см парчета тел и ги поставете върху тялото.

Стъпка 4: Измерване и маркиране на проводници

С помощта на маркер маркирайте всеки 2,5 см върху жицата (ще има завои в тези точки)

Стъпка 5: Създаване на фрактали

Тази стъпка трябва да се повтори за всяко парче тел. Всяко огъване трябва да бъде точно 60 градуса, тъй като ще правим равностранни триъгълници за фрактала. Използвах два чифта клещи и транспортир. Всяко огъване се прави върху маркировка. Преди да направите гънки, визуализирайте посоката на всяка от тях. Моля, използвайте приложената диаграма за това.

Стъпка 6: Създаване на диполи

Отрежете още две парчета тел с дължина най-малко 6 инча. Увийте тези жици около горния и долния винт по дългата страна и след това ги увийте около централните винтове. След това отрежете излишната дължина.

Стъпка 7: Монтаж на диполи и монтаж на трансформатор

Закрепете всеки от фракталите върху ъгловите винтове.

Прикрепете трансформатор с подходящ импеданс към двата централни винта и ги затегнете.

Сглобяването е завършено! Вижте го и се насладете!

Стъпка 8: Още итерации/експерименти

Направих някои нови елементи, използвайки хартиен шаблон от GIMP. Използвах малко твърдо вещество телефонен проводник. Беше малък, здрав и достатъчно гъвкав, за да се огъне в сложните форми, необходими за централната честота (554 MHz). Това е средната стойност цифров сигнал UHF за канали ефирна телевизияв моя район.

Приложена снимка. Може да е трудно да се види медни проводниципри слаба светлина на фона на картон и с тиксо отгоре, но вече схващате идеята.

При този размер елементите са доста крехки, така че трябва да се работи внимателно.

Добавих и шаблона към png формат. За да отпечатате размера, който желаете, ще трябва да го отворите във фоторедактор като GIMP. Шаблонът не е перфектен, защото го направих на ръка с мишка, но е достатъчно удобен за човешки ръце.

Както обсъдихме в предишни статии, беше установено, че ефективността на фракталните антени е приблизително 20% по-голяма от тази на конвенционалните антени.Това може да бъде много полезно за прилагане. Особено ако искате вашата собствена телевизионна антена да приема цифров сигнал или HD видео, да увеличите обхвата на мобилни телефони, Wi-Fiлента, FM или AM радио и т.н.

Повечето мобилни телефони вече имат вградени фрактални антени. Ако сте забелязали през последните няколко години, мобилните телефони вече нямат антени отвън. Това е така, защото те имат вътрешни фрактални антени, гравирани в печатната платка, което им позволява да получат по-добро приемане и да уловят повече честоти като Bluetooth, клетъчен сигнал и Wi-Fi, всичко от една антена едновременно!

Информация от Wikipedia: "Фракталната антена се различава значително от традиционно проектираната антена по това, че може да работи с добра производителност при голямо разнообразие от честоти едновременно. Обикновено стандартните антени трябва да бъдат "отрязани" на честотата, за която трябва да се използват и по този начин стандартната антена работи добре само на тази честота, което прави фракталните антени отлично решение за широколентови и многолентови приложения.“

Номерът е да създадете своя собствена фрактална антена, която ще резонира на честотата, която искате. Това означава, че ще изглежда различно и може да бъде изчислено по различен начин в зависимост от това какво искате да постигнете. Малко математика и ще стане ясно как да направите това. (Можете да се ограничите до онлайн калкулатор)

В нашия пример ще направим проста антена, но можете да направите по-сложни антени. Колкото по-сложни, толкова по-добре. Като пример ще използваме макара от плътна жица с калибър 18, необходима за изграждането на антената, но можете да отидете по-далеч, като използвате свои собствени дъски за ецване, за да направите по-малка или по-сложна антена с по-голяма разделителна способност и резонанс.

(раздел=TV антена)

В този урок ще се опитаме да създадем телевизионна антена за цифров сигнал или сигнал с висока разделителна способност, предаван по радиоканал. Тези честоти са по-лесни за работа, дължините на вълните при тези честоти варират от половин фут до няколко метра дължина за половината от дължината на вълната на сигнала. За UHF (децитиметрова вълна) вериги можете да добавите директор (режисьор) или рефлектор (рефлектор), което ще направи антената по-зависима от посоката. Антената VHF (ултра къси вълни) също зависи от посоката, но вместо да сочи директно към телевизионната станция, "ушите" на дипола VHF антени, трябва да са перпендикулярни на вълната на телевизионната станция, предаваща сигнала.

Първо намерете честотите, които искате да получавате или излъчвате. За телевизия, ето линк към честотната диаграма: http://www.csgnetwork.com/tvfreqtable.html

И за да изчислим размера на антената, ще използваме онлайн калкулатор: http://www.kwarc.org/ant-calc.html

Ето добър PDF файл за дизайн и теория:Изтегли

Как да намерите дължината на вълната на сигнал: дължина на вълната във футове = (съотношение на скоростта на светлината във футове) / (честота в херци)

1) Коефициент на скоростта на светлината във футове = +983571056.43045

2) Коефициент на скоростта на светлината в метри = 299792458

3) Коефициент на скоростта на светлината в инчове = 11802852700

Откъде да започнем: (VHF/UHF диполна решетка с рефлектор, който работи добре за широкия честотен диапазон на DB2):

(350 MHz е една четвърт от 8-инчова вълна - 16-инчова полувълна, която попада в ултрависокочестотния диапазон - между канали 13 и 14, и която е централната честота между VHF-UHF диапазона за по-добро резонанс). Тези изисквания могат да бъдат модифицирани, за да работят по-добре във вашия район, тъй като вашият канал за разпространение може да е по-ниско или по-високо в групата.

По материали от линковете по-долу ( http://uhfhdtvantenna.blogspot.com/ http://budgetiq.wordpress.com/2008/07/29/diy-hd-antenna/ http://members.shaw.ca/hdtvantenna/ и http://current .org/ptv/ptv0821make.pdf) , само фракталните дизайни ви позволяват да бъдете по-компактни и гъвкави и ние ще използваме модела DB2, който има голямо усилване и вече е доста компактен и популярен за вътрешен и външен монтаж.

Основни разходи (струват около $15):

1. Монтажна повърхност като пластмасов корпус (8"x6"x3"). http://www.radioshack.com/product/index.jsp?productId=2062285
2. 6 винта. Използвах самонарезни винтове за стомана и ламарина.
3. Съгласуващ трансформатор 300 Ohm към 75 Ohm. http://www.radioshack.com/product/index.jsp?productId=2062049
4. Някакъв плътен проводник с калибър 18. http://www.radioshack.com/product/index.jsp?productId=2036274
5. Коаксиален RG-6 с терминатори - ограничители (и гумена обвивка, ако е монтирана отвън).
6. Алуминий при използване на рефлектор.
7. Маркер за острие или еквивалент, за предпочитане с фин връх.
8. Два чифта малки клещи - игли.
9. Водачът е поне 8 инча.
10. Ъгломер за измерване на ъгли.
11. Свредло и накрайник с по-малък диаметър от вашите винтове.
12. Малки щипки.
13. Отвертка или отвертка.

ЗАБЕЛЕЖКА: HDTV/DTV редактиране в PDF http://www.ruckman.net/downloads-1#FRACTALTEMPLATE

Първа стъпка:

Сглобете корпуса с рефлектора под пластмасовия капак:

Стъпка втора:

Пробийте малки отвори с резба от противоположната страна на рефлектора в следните позиции и поставете проводящ винт.

Стъпка трета:

Изрежете четири 8" парчета жица с плътна сърцевина и я изложете.

Стъпка четири:

С помощта на маркер маркирайте всеки инч върху жицата. (Това са местата, където ще направим завои)

Стъпка пета:

Трябва да повторите тази стъпка за всеки проводник. Всяко огъване на жицата ще бъде равно на 60 градуса, като по този начин ще се създаде фрактал. Наподобява равностранен триъгълник. Използвах два чифта клещи и транспортир. Всеки завой ще бъде на 1" прорез. Уверете се, че визуализирате посоката на всяко завъртане, преди да направите това! Използвайте диаграмата по-долу за помощ.

Стъпка шеста:

Отрежете още 2 парчета тел с дължина най-малко 6 см и ги изложете. Огънете тези жици около горния и долния винт и ги завържете към центъра на винта. Така и трите влизат в контакт. Използвайте резачки за тел, за да отрежете нежеланите части от жицата.

Стъпка седма:

Поставете и завийте всичките си фрактали с ъгли

Стъпка осма:

Прикрепете съвпадащия трансформатор през двата винта в центъра и ги затегнете.

Готов! Сега можете да тествате своя дизайн!

Както можете да видите на снимката по-долу, всеки път, когато разделяте всяка секция и създавате нов триъгълник със същата дължина на телта, той може да се побере в по-малко пространство, заемайки място в различна посока.

Превод: Дмитрий Шахов

По-долу можете да гледате видеоклип за създаване на фрактални антени:

(раздел=Wi-Fi антена)

Преди бях чувал за фрактални антени и след известно време исках да опитам да направя моя собствена фрактална антена, за да изпробвам тази концепция, така да се каже. Някои от предимствата на фракталните антени, описани в научни статии за фрактални антени, са способността им ефективно да приемат многолентови радиочестотни сигнали, като същевременно са относително малки. Реших да създам прототип на фрактална антена, базирана на килима на Серпински.

Проектирах моята фрактална антена да има конектор, съвместим с моя рутер Linksys WRT54GS 802.11g. Антената има конструкция с ниско профилно усилване и при предварително тестване на разстояние 1/2 км от точка за достъп на WiFi Link с няколко дървета по пътя се представи доста добре. добри резултатии стабилност на сигнала.

Можете да изтеглите PDF версияшаблон за антена, базиран на килима Siepinski, който използвах, както и друга документация на тези връзки:

Изработка на прототип

Това е снимка с готов прототип на фрактална антена:

Прикрепих Linksys WRT54GS RP-TNC - конектор към фракталната антена за тестване

Когато проектирах първия си прототип на фрактална антена, бях загрижен, че процесът на ецване върху печатната платка може да изолира триъгълниците един от друг, така че разширих малко връзките между тях. Забележка: Тъй като окончателният преход на тонера завърши по-точно, отколкото очаквах, следващата версия на прототипа на фракталната антена ще бъде изобразена с фини контактни точки между всяка от фракталните итерации на триъгълника на Серпински. Важно е да се гарантира, че елементите на килима Sierpinski (триъгълници) са в контакт един с друг и точките на свързване трябва да са възможно най-тънки:

Дизайнът на антената е отпечатан лазерен принтер Pulsar Pro FX. Този процес ми позволи да копирам дизайна на антената върху печатна платка с медно покритие:

Лазерно отпечатаната структура на антената след това се прехвърля върху медния лист на PCB чрез термичен процес с помощта на модифициран ламинатор:

Това е медният PCB материал след първата стъпка от процеса на прехвърляне на тонера:

Следващата необходима стъпка беше използването на ламинатора Pulsar Pro FX "Green TRF Foil" върху печатната платка. Зеленото фолио се използва за запълване на празнини на тонер или неравномерно удебелени покрития в трансфера на тонер:

Това е изчистена платка с дизайн на антена. Платката е готова за ецване:

Тук маскирах задната страна на печатната платка с помощта на електрическа лента:

Използвах метода на директно ецване с железен хлорид, за да ецвам дъската за 10 минути. Методът на директно ецване се извършва с помощта на гъба: необходимо е бавно да избършете цялата дъска с железен хлорид. Поради опасностите за здравето от използването на железен хлорид, носех предпазни очила и ръкавици:

Това е дъската след ецване:

избърсах печатна електронна платкатампон, потопен в ацетон, за да премахнете покритията за трансфер на тонер. Използвах ръкавици при почистване, защото ацетонът ще се абсорбира през типичните латексови ръкавици за еднократна употреба:

Пробих дупката за конектора на антената с помощта на бормашина и свредло:

За първия си прототип използвах RP-TNC конектора от стандартните антени на рутера на Linksys:

Отблизо Linksys - RP-TNC съвместим конектор за антена:

Нанесох малко вода върху печатната платка в областта на запояване точно преди запояване:

Следващата стъпка е да запоите проводника от конектора RP-TNC към основата на антената Sierpinski на печатната платка:

Запояйте втория проводник на конектора на антената към равнината на печатната платка:

Антената е готова за употреба!

UDC 621.396

фрактална ултрашироколентова антена, базирана на кръгъл монопол

Ж.И. Абдрахманова

Уфимски държавен авиационен технически университет,

Universita degli studi di Trento

Анотация.Статията разглежда проблема с проектирането на ултрашироколентова антена, базирана на фрактална технология. Представени са резултатите от изследванията на промените в радиационните характеристики в зависимост от мащабния фактор.и ниво на итерация. Извършена е параметрична оптимизация на геометрията на антената, за да се изпълнят изискванията за коефициента на отражение. Размерите на разработената антена са 34 × 28 mm 2, а работният честотен диапазон е 3,09 ÷ 15 GHz.

Ключови думи:свръхшироколентови радиокомуникации, фрактална технология, антени, отразяваща способност.

Резюме:В статията е описано разработването на нова ултрашироколентова антена на базата на фрактална технология. Представени са резултатите от изследването на промените в радиационните характеристики в зависимост от стойността на мащабния фактор и нивото на итерация. Приложена е параметричната оптимизация на геометрията на антената за задоволяване на изискванията за коефициент на отражение. Разработеният размер на антената е 28 × 34 mm 2, а честотната лента е 3,09 ÷ 15 GHz.

Ключови думи:свръхшироколентова радиокомуникация, фрактална технология, антени, коефициент на отражение.

1. Въведение

Днес ултрашироколентовите (UWB) комуникационни системи са от голям интерес за разработчиците и производителите на телекомуникационно оборудване, тъй като те позволяват да се предават огромни потоци от данни с високи скорости в ултраширока честотна лента без лиценз. Особености предавани сигналипредполагат липса на мощни усилватели и сложни компоненти за обработка на сигнали като част от трансивърните комплекси, но ограничават обхвата (5-10 m).

Липса на подходящи елементна база, способен ефективно да работи с ултракъси импулси, възпира масовото приемане на UWB технологията.

Трансивър антените са един от ключовите елементи, които влияят върху качеството на предаване/приемане на сигнала. Основната посока на патентите и изследванията в областта на проектирането на антенна технология за UWB устройства е миниатюризацията и намаляването на производствените разходи при осигуряване на необходимата честота и енергийни характеристики, както и в използването на нови форми и структури.

По този начин геометрията на антената е изградена на базата на сплайн с правоъгълен U-образен слот в центъра, което й позволява да работи в UWB обхвата с блокираща функция WLAN -лента, размери на антената - 45,6 × 29 mm 2. Като излъчващ елемент е избрана асиметрична E-образна фигура с размери 28 × 10 mm 2, разположена на височина 7 mm спрямо проводящата равнина (50 × 50 mm 2). Представена е равнинна монополна антена (22x22 mm2), проектирана на базата на правоъгълен излъчващ елемент и стълбовидна резонансна структура на обратната страна.

2 Постановка на проблема

Поради факта, че кръговите структури могат да осигурят доста широка честотна лента, опростен дизайн, малък размер и намалени производствени разходи, тази статия предлага да се разработи UWB антена, базирана на кръгъл монопол. Необходим работен честотен диапазон – 3.1 ÷ 10.6 GHz при ниво на коефициент на отражение -10 dB S 11, (фиг. 1).

Ориз. 1. Необходима маска за отразяване S 11

За целите на миниатюризацията геометрията на антената ще бъде модернизирана чрез използване на фрактална технология, което също ще позволи да се изследва зависимостта на характеристиките на излъчване от стойността на мащабния фактор δ и нивото на фрактална итерация.

След това беше поставена задачата да се оптимизира разработената фрактална антена с цел разширяване на работния обхват чрез промяна на следните параметри: дължината на централния проводник (CP) на копланарния вълновод (HF), дължината на заземителната равнина (GP ) на HF, разстоянието “CP HF - излъчващ елемент (E)”.

Моделирането на антената и числените експерименти се извършват в " CST Микровълново студио".

3 Избор на геометрия на антената

Като основен елемент е избран кръгъл монопол, чиито размери са една четвърт от дължината на вълната на необходимия диапазон:

Където L ar– дължина на излъчващия елемент на антената без отчитане на процесора;f L– долна граница на честотата,f L = f мин. uwb = 3,1·109 Hz; с- скоростта на светлината, с = 3·10 8 m/s 2 .

Получаваме L ar= 24,19 mm ≈ 24 mm. Като се има предвид, че кръг с радиус отr = L ar / 2 = 12 мм, като се вземе оригиналната дължина на процесораLfсъщо равни r, получаваме нулевата итерация (фиг. 2).

Ориз. 2. Нулева итерация на антената

Дебелина на диелектричния субстратT sи със стойности на параметритеεs = 3,38, tg δ = 0,0025 се използва като основа, на предната страна на която IE, CPU и PZ . В същото време разстоянията " PZ-CP" Зви "PZ-IE" ж взето равно на 0,76 mm. Стойностите на другите параметри, използвани в процеса на моделиране, са представени в таблица 1.

Таблица 1. Параметри на антената ( δ = 2)

Антената се захранва от копланарен вълновод, състоящ се от централен проводник и заземяваща равнина, SMA -конектор и копланарен вълноводен порт (CWP), разположен перпендикулярно на него (фиг. 3).

Където εeff – ефективна диелектрична константа:

К – пълен елиптичен интеграл от първи род;

Фракталността при конструирането на антена се крие в специален начин на опаковане на елементи: последващите итерации на антената се формират чрез поставяне на кръгове с по-малък радиус в елементите на предишната итерация. В този случай коефициентът на мащаба δ определя колко пъти ще се различават размерите на съседните итерации. Този процесза случая δ = 2 е показано на фиг. 4.

Ориз. 4. Първа, втора и трета итерации на антената ( δ = 2)

Така първата итерация се получава чрез изваждане на два кръга с радиусr 1 от оригиналния елемент. Втората итерация се формира чрез поставяне на метални кръгове с преполовен радиусr 2 във всеки кръг от първата итерация. Третата итерация е подобна на първата, но радиусът е такъвr 3 . Работата разглежда вертикалното и хоризонталното разположение на кръговете.

3.1 Хоризонтално разположение на елементите

Динамиката на промените в коефициента на отражение в зависимост от нивото на итерация е представена на фиг. 5 за δ = 2 и на фиг. 6 за δ = 3. Всеки нов ред съответства на една допълнителна резонансна честота. Така нулевата итерация в разглеждания диапазон 0 ÷ 15 GHz съответства на 4 резонанса, първата итерация – 5 и т.н. Освен това, започвайки от втората итерация, промените в поведението на характеристиките стават по-малко забележими.

Ориз. 5. Зависимост на коефициента на отражение от реда на итерация ( δ = 2)

Същността на моделирането е, че на всеки етап от разглежданите характеристики се избира тази, която се определя като най-перспективна. В тази връзка е въведено следното правило:

Ако излишъкът (разликата) в диапазона, където рафтът е над -10 dB, е малък, тогава трябва да изберете характеристиката, която има по-нисък рафт в работния диапазон (под -10 dB), тъй като в резултат на оптимизацията първият ще бъде елиминиран, а вторият падна още по-надолу.

Ориз. 6. Зависимост на коефициента на отражение от реда на итерация ( δ = 3)

Въз основа на получените данни и в съответствие с това правило за δ = 2 е избрана кривата, съответстваща на първата итерация δ = 3 – втора итерация.

След това се предлага да се изследва зависимостта на коефициента на отражение от стойността на мащабния фактор. Обмислете промяната δ в диапазона 2 ÷ 6 със стъпка 1 в рамките на първата и втората итерация (фиг. 7, 8).

Интересно поведение на графиките е, че като се започне от δ = 3, характеристиките стават по-плоски и по-плавни, броят на резонансите остава постоянен, а нарастването δ придружен от повишаване на нивото S 11 в четните диапазони и намаление в нечетните.

Ориз. 7. Зависимост на коефициента на отражение от мащабния фактор за първата итерация ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

В този случай избраната стойност и за двете итерации е δ = 6.

Ориз. 8. Зависимост на коефициента на отражение от мащабния фактор за втората итерация ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

δ = 6, тъй като се характеризира с най-ниски рафтове и дълбоки резонанси (фиг. 9).

Ориз. 9. Сравнение на S 11

3.2 Вертикално разположение на елементите

Динамиката на промените в коефициента на отражение в зависимост от нивото на итерация за случая на вертикално разположение на кръговете е представена на фиг. 10 за δ = 2 и на фиг. 11 за δ = 3.

Ориз. 10. Зависимост на коефициента на отражение от реда на итерация ( δ = 2)

Въз основа на получените данни и в съответствие с правилото за δ = 2 и δ = 3 е избрана кривата, съответстваща на третата итерация.

Ориз. 11. Зависимост на коефициента на отражение от реда на итерация ( δ = 3)

Разглеждането на зависимостта на коефициента на отражение от стойността на мащабния фактор в рамките на първата и втората итерация (фиг. 12, 13) разкрива оптималната стойност δ = 6, както в случая на хоризонтално разположение.

Ориз. 12. Зависимост на коефициента на отражение от мащабния фактор за първата итерация ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

В този случай избраната стойност и за двете итерации е δ = 6, което също представляван-множествен фрактал, което означава, че може да се наложи да комбинира функции δ = 2 и δ = 3.

Ориз. 13. Зависимост на коефициента на отражение от мащабния фактор за втората итерация ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

По този начин от четирите сравнени опции беше избрана кривата, съответстваща на втората итерация, δ = 6, както в предишния случай (фиг. 14).

Ориз. 14. Сравнение S 11 за четирите разгледани геометрии на антената

3.3 Сравнение

Имайки в предвид най-добрите опциивертикални и хоризонтални геометрии, получени в двата предишни подраздела, изборът се прави на първия (фиг. 15), въпреки че в този случай разликата между тези опции не е толкова голяма. Работни честотни диапазони: 3.825÷4.242 GHz и 6.969÷13.2 GHz. След това дизайнът ще бъде модернизиран, за да се разработи антена, работеща в целия UWB диапазон.

Ориз. 15. Сравнение S 11 за да изберете крайната опция

4 Оптимизация

Този раздел обсъжда оптимизирането на антената въз основа на втората итерация на фрактала със стойността на коефициента δ = 6. Променливите параметри са представени в , а диапазоните на техните изменения са в таблица 2.

Ориз. 20. Външен вид на антената: а) лицева страна; б) обратна страна

На фиг. 20 са показани характеристиките, отразяващи динамиката на изменението S 11 стъпка по стъпка и доказване на валидността на всяко следващо действие. Таблица 4 показва резонансните и граничните честоти, използвани допълнително за изчисляване на повърхностните токове и моделите на излъчване.

Таблица 3. Изчислени параметри на антената

Разпределението на повърхностните токове на антената при резонансните и граничните честоти на UWB диапазона е показано на фиг. 21, а радиационните модели са на фиг. 22.

а) 3,09 GHz б) 3,6 GHz

в) 6,195 GHz г) 8,85 GHz

д) 10,6 GHz е) 12,87 GHz

Ориз. 21. Разпределение на повърхностните течения

а) Е(φ ), θ = 0° б) Е(φ ), θ = 90°

V) Е(θ ), φ = 0° g) Е(θ ), φ = 90°

Ориз. 22. Диаграмми на излъчване в полярната координатна система

5 Заключение

Тази статия представя нов метод за проектиране на UWB антени, базиран на използването на фрактална технология. Този процес включва два етапа. Първоначално геометрията на антената се определя чрез избиране на подходящия мащабен фактор и ниво на фрактална итерация. След това към получената форма се прилага параметрична оптимизация въз основа на изследване на влиянието на размерите на ключови компоненти на антената върху характеристиките на излъчване.

Установено е, че с увеличаване на реда на итерация броят на резонансните честоти се увеличава, а увеличаването на мащабния фактор в рамките на една итерация се характеризира с по-плоско поведение S 11 и постоянство на резонансите (започвайки от δ = 3).

Разработената антена осигурява висококачествено приемане на сигнали в честотната лента 3,09 ÷ 15 GHz по отношение на нивото S 11 < -10 дБ. Помимо этого антенна характеризуется малыми размерами 34×28 мм 2 , а следовательно может быть успешно применена в СШП приложениях.

6 Благодарности

Проучването е подкрепено с безвъзмездна помощ от Европейския съюз "Действие Еразъм Мундус 2", също A.G.I. благодари на профПаоло Рока за полезна дискусия.

Литература

1. Л . Лизи, Г. Оливери, П. Рока, А. Маса. Планарна монополна UWB антена с UNII1/UNII2 WLAN-лента с назъбени характеристики. Напредък в електромагнитните изследвания B, том. 25, 2010. – 277-292 с.

2. Х. Малекпур, С. Джем. Свръхшироколентови късо съединени антени, захранвани от сгънат пластир с множество резонанси. Напредък в електромагнитните изследвания B, том. 44, 2012. – 309-326 с.

3. Р.А. Sadeghzaden-Sheikhan, M. Naser-Moghadasi, E. Ebadifallah, H. Rousta, M. Katouli, B.S. Virdee. Планарна монополна антена, използваща стълбовидна резонансна структура на задната плоскост за ултрашироколентова производителност. IET Микровълни, антени и разпространение, том. 4, бр. 9, 2010. – 1327-1335 с.

4. Ревизия на част 15 от правилата на Комисията относно ултрашироколентовите системи за предаване, Федерална комисия по комуникациите, FCC 02-48, 2002 г. – 118 стр.

Изпратете добрата си работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу

Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.

Публикувано на http://www.allbest.ru/

Въведение

Антената е радиоустройство, предназначено да излъчва или приема електромагнитни вълни. Антената е един от най-важните елементи на всеки радиотехническа системасвързани с излъчването или приемането на радиовълни. Такива системи включват: радиокомуникационни системи, радиоразпръскване, телевизия, радиоуправление, радиорелейни комуникации, радар, радиоастрономия, радионавигация и др.

Структурно антената се състои от проводници, метални повърхности, диелектрици и магнитодиелектрици. Целта на антената е илюстрирана с опростена схема на радиовръзката. Високочестотните електромагнитни трептения, модулирани от полезния сигнал и създадени от генератора, се преобразуват от предавателната антена в електромагнитни вълни и се излъчват в космоса. Обикновено електромагнитните вълни се подават от предавателя към антената не директно, а чрез захранваща линия (линия за предаване на електромагнитни вълни, фидер).

В този случай свързаните с него електромагнитни вълни се разпространяват по захранващото устройство, които се преобразуват от антената в разминаващи се електромагнитни вълни на свободното пространство.

Приемащата антена улавя свободни радиовълни и ги преобразува в свързани вълни, които се подават през фидер към приемника. В съответствие с принципа на обратимостта на антената, свойствата на антена, работеща в режим на предаване, не се променят, когато тази антена работи в режим на приемане.

Устройства, подобни на антени, също се използват за възбуждане на електромагнитни трептения различни видовевълноводи и обемни резонатори.

1. Основни характеристики на антените

1.1 Кратка информация за основните параметри на антените

При избора на антени се сравняват основните им характеристики: работен честотен диапазон (широчина на честотната лента), усилване, диаграма на излъчване, входен импеданс, поляризация. Количествено усилването на антената Ga показва колко пъти мощността на сигнала, получен от дадена антена, е по-голяма от мощността на сигнала, получена от най-простата антена - полувълнов вибратор (изотропен излъчвател), поставен в същата точка на пространството. Усилването се изразява в децибели dB или dB. Трябва да се прави разлика между усилването, определено по-горе, означено dB или dBd (спрямо диполен или полувълнов вибратор), и усилването по отношение на изотропен радиатор, означено dBi или dB ISO. Във всеки случай е необходимо да се сравняват подобни стойности. Желателно е да имате антена с голямо усилване, но увеличаването на усилването обикновено изисква увеличаване на сложността на нейния дизайн и размери. Няма прости малки антени с голямо усилване. Диаграмата на излъчване (RP) на антената показва как антената получава сигнали от различни посоки. В този случай е необходимо да се вземе предвид диаграмата на антената както в хоризонтална, така и във вертикална равнина. Всепосочните антени във всяка равнина имат модел във формата на кръг, тоест антената може да приема сигнали от всички страни еднакво, например радиационната схема на вертикален прът в хоризонтална равнина. Насочената антена се характеризира с наличието на един или няколко листа, най-големият от които се нарича основен. Обикновено, в допълнение към основния, има заден и странични лобове, чието ниво е значително по-ниско от главния лоб, въпреки това влошава работата на антената, поради което те се стремят да намалят нивото си колкото е възможно повече.

Входният импеданс на антената се счита за съотношението на моментните стойности на напрежението към тока на сигнала в точките на захранване на антената. Ако напрежението и токът на сигнала са във фаза, тогава съотношението е реална стойност и входното съпротивление е чисто активно. При разместване на фазите освен активната се появява и реактивна - индуктивна или капацитивна в зависимост от това дали фазата на тока изостава от напрежението или го изпреварва. Входният импеданс зависи от честотата на приемания сигнал. В допълнение към изброените основни характеристики, антените имат редица други важни параметри, като коефициент на изп. КСВ вълни(SWR - Коефициент на стояща вълна), ниво на кръстосана поляризация, работен температурен диапазон, натоварване от вятър и др.

1.2 Класификация на антената

Антените могат да бъдат класифицирани според различни критерии: според широколентовия принцип, според естеството на излъчващите елементи (антени с линейни токове или вибраторни антени, антени, излъчващи през апертура - апертурни антени, повърхностни антени); от вида на радиотехническата система, в която се използва антената (антени за радиокомуникации, за радиоразпръскване, телевизия и др.). Ще се придържаме към класификацията на обхвата. Въпреки че антените с едни и същи (тип) излъчващи елементи много често се използват в различни диапазони на вълните, техният дизайн е различен; Параметрите на тези антени и изискванията към тях също се различават значително.

Разглеждат се антени от следните вълнови диапазони (наименованията на диапазоните са дадени в съответствие с препоръките на „Радиоправилата“; в скоби са посочени имената, които са широко използвани в литературата за антенно-фидерни устройства): мириаметър (ултра -дълги) вълни (); километрични (дълги) вълни (); хектометрични (средни) вълни (); декаметрови (къси) вълни (); метрови вълни (); дециметрови вълни (); сантиметрови вълни (); милиметрови вълни (). Последните четири ленти понякога се комбинират под общото наименование „ултракъси вълни“ (VHF).

1.2.1 Антенни ленти

През последните години пазарът на радиокомуникации и излъчване отбеляза голям бройнови комуникационни системи за различни цели, притежаващи различни характеристики. От гледна точка на потребителите, при избора на радиокомуникационна система или система за излъчване, първо се обръща внимание на качеството на комуникацията (излъчване), както и лекотата на използване на тази система (потребителски терминал), което се определя от размери, тегло, лекота на работа и списък с допълнителни функции. Всички тези параметри се определят значително от вида и дизайна на антенните устройства и елементите на антенно-фидерния тракт на разглежданата система, без които радиокомуникацията е немислима. От своя страна, определящият фактор в дизайна и ефективността на антените е техният работен честотен диапазон.

В съответствие с приетата класификация на честотните диапазони се разграничават няколко големи класа (групи) антени, които са фундаментално различни една от друга: антени от ултра-дълги вълни (VLF) и дълги вълни (LW); средно вълнови (MF) антени; късовълнови (HF) антени; ултракъсовълнови (VHF) антени; микровълнови антени.

Най-популярните през последните години от гледна точка на предоставянето на лични комуникационни услуги, радио и телевизионно излъчване са HF, VHF и микровълнови радиосистеми, чиито антенни устройства ще бъдат разгледани по-долу. Трябва да се отбележи, че въпреки привидната невъзможност да се изобрети нещо ново в бизнеса с антени, през последните години, въз основа на нови технологии и принципи, бяха направени значителни подобрения на класическите антени и бяха разработени нови антени, които са фундаментално различни от предишните съществуващите по дизайн, размери, основни характеристики и т.н. и т.н., което доведе до значително увеличаване на броя на видовете антенни устройства, използвани в съвременните радиосистеми.

Във всяка радиокомуникационна система може да има антенни устройства, предназначени само за предаване, за предаване и приемане или само за приемане.

За всеки от честотните диапазони е необходимо също така да се прави разлика между антенните системи на радиоустройствата с насочено и ненасочено (всепосочно) действие, което от своя страна се определя от предназначението на устройството (комуникации, излъчване и др.) , задачите, решавани от устройството (уведомяване, комуникация, излъчване и др.). Като цяло, за увеличаване на насочеността на антените (за стесняване на диаграмата на излъчване) могат да се използват антенни решетки, състоящи се от елементарни радиатори (антени), които при определени условия на тяхното фазиране могат да осигурят необходимите промени в посоката на лъч на антената в пространството (осигуряват контрол на позицията на диаграмата на излъчване на антената). В рамките на всеки диапазон също е възможно да се разграничат антенни устройства, които работят само на определена честота (едночестотни или теснолентови), и антени, които работят в доста широк диапазон от честоти (широколентови или широколентови).

1.3 Излъчване от антенни решетки

За да получите висока насоченост на излъчване, често изисквана на практика, можете да използвате система от слабо насочени антени, като вибратори, процепи, отворени краища на вълноводи и други, разположени по определен начин в пространството и възбудени от токове с необходимите съотношение на амплитудата и фазата. В този случай общата насоченост, особено при голям брой излъчватели, се определя главно от габаритни размерина цялата система и в много по-малка степен от индивидуалните насочени свойства на отделните излъчватели.

Такива системи включват антенни решетки (AR). Обикновено AR е система от еднакви излъчващи елементи, еднакво ориентирани в пространството и разположени по определен закон. В зависимост от разположението на елементите се разграничават линейни, повърхностни и обемни решетки, сред които най-често срещаните са праволинейни и плоски АР. Понякога излъчващите елементи са разположени по кръгова дъга или върху извити повърхности, които съвпадат с формата на обекта, върху който е разположен AR (конформен AR).

Най-простата е линейна решетка, при която излъчващите елементи са разположени по права линия, наречена ос на решетка, на равни разстояния един от друг (еквидистантна решетка). Разстоянието d между фазовите центрове на емитерите се нарича стъпка на решетката. Линейният AR, освен самостоятелното си значение, често е основа за анализ на други видове AR.

2 . Анализ на перспективни антенни структури

2.1 HF и VHF антени

Фигура 1 - Антена базови станции

Понастоящем в HF и VHF диапазоните работят голям брой радиосистеми за различни цели: комуникации (радиорелейни, клетъчни, транкингови, сателитни и др.), Радиоразпръскване, телевизионно излъчване. Според дизайна и характеристиките всички антенни устройства на тези системи могат да бъдат разделени на две основни групи - антени на стационарни устройства и антени на мобилни устройства. Стационарните антени включват антени на базови комуникационни станции, приемащи телевизионни антени, антени на радиорелейни комуникационни линии, а мобилните антени включват антени на персонални комуникационни потребителски терминали, антени за автомобили и антени на носими (преносими) радиостанции.

Антените на базовите станции са предимно всепосочни в хоризонталната равнина, тъй като осигуряват комуникация главно с движещи се обекти. Най-широко използваните антени с вертикална поляризация са типът "Ground Plane" ("GP") поради простотата на дизайна им и достатъчната ефективност. Такава антена е вертикален прът с дължина L, избран в съответствие с работната дължина на вълната l, с три или повече противотежести, обикновено монтирани на мачта (Фигура 1).

Дължината на щифтовете L е l/4, l/2 и 5/8l, а противотежестите са от 0,25l до 0,1l. Входният импеданс на антената зависи от ъгъла между противотежестта и мачтата: колкото по-малък е този ъгъл (колкото повече противотежестите са притиснати към мачтата), толкова по-голямо е съпротивлението. По-специално, за антена с L = l/4 се постига входен импеданс от 50 ома при ъгъл 30°...45°. Диаграмата на излъчване на такава антена във вертикалната равнина има максимум при ъгъл 30 ° спрямо хоризонта. Усилването на антената е равно на усилването на вертикален полувълнов дипол. В този дизайн обаче няма връзка между щифта и мачтата, което налага допълнителното използване на късо съединен кабел с дължина на кабела l/4 за защита на антената от гръмотевични бури и статично електричество.

Антена с дължина L = l/2 не се нуждае от противотежести, ролята на които се играе от мачта, а моделът й във вертикалната равнина е по-притиснат към хоризонта, което увеличава нейния обхват. В този случай се използва високочестотен трансформатор за понижаване на входния импеданс, а основата на щифта е свързана към заземената мачта чрез съгласуващ трансформатор, което автоматично решава проблема със защитата от мълнии и статичното електричество. Усилването на антената в сравнение с полувълнов дипол е около 4 dB.

Най-ефективната от антените “GP” за комуникация на дълги разстояния е антената с L = 5/8l. Той е малко по-дълъг от полувълновата антена, а захранващият кабел е свързан към съответстващата индуктивност, разположена в основата на вибратора. Противотежестите (най-малко 3) са разположени в хоризонтална равнина. Коефициентът на усилване на такава антена е 5-6 dB, максималният DP е разположен под ъгъл от 15 ° спрямо хоризонталата, а самият щифт е заземен към мачтата чрез съвпадаща намотка. Тези антени са по-тесни от полувълновите антени и следователно изискват по-внимателна настройка.

Фигура 2 - Полувълнова вибраторна антена

Фигура 3 - Ромбична антена на полувълнов вибратор

Повечето базови антени са инсталирани на покриви, което може значително да повлияе на тяхната производителност, така че трябва да се има предвид следното:

Препоръчително е основата на антената да се постави на не по-ниско от 3 метра от равнината на покрива;

В близост до антената не трябва да има метални предмети или конструкции (телевизионни антени, проводници и др.);

Препоръчително е да инсталирате антени възможно най-високо;

Работата на антената не трябва да пречи на други базови станции.

Значителна роля за установяване на стабилна радиокомуникация играе поляризацията на приемания (излъчван) сигнал; Тъй като по време на разпространение на дълги разстояния повърхностната вълна изпитва значително по-малко затихване с хоризонтална поляризация, тогава за радиокомуникации на дълги разстояния, както и за телевизионно предаване, се използват антени с хоризонтална поляризация (вибраторите са разположени хоризонтално).

Най-простата от насочените антени е полувълновият вибратор. За симетричен полувълнов вибратор общата дължина на двете му еднакви рамена е приблизително равна на l/2 (0,95 l/2), диаграмата на излъчване има формата на осмица в хоризонталната равнина и кръг във вертикалната самолет. Печалбата, както е посочено по-горе, се приема като мерна единица.

Ако ъгълът между вибраторите на такава антена е равен на b<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.

Когато две V-образни антени се свържат по такъв начин, че техните диаграми се сумират, се получава ромбична антена, в която насочеността е много по-изразена (Фигура 3).

При свързване към горната част на диаманта, срещу точките на захранване, товарен резистор Rn, разсейваща мощност, равна на половината от мощността на предавателя, се постига потискане на задния лоб на модела с 15...20 dB. Посоката на главния лоб в хоризонталната равнина съвпада с диагонала a. Във вертикалната равнина основният лоб е хоризонтално ориентиран.

Една от най-добрите сравнително прости насочени антени е кръгова антена с двоен квадрат, чието усилване е 8...9 dB, потискането на задния лоб на диаграмата е не по-малко от 20 dB, поляризацията е вертикална.

Фигура 4 - Антена с вълнов канал

Най-широко разпространени, особено в диапазона VHF, са антените от типа "вълнов канал" (в чуждестранна литература - антени Uda-Yagi), тъй като те са доста компактни и осигуряват големи стойности на Ga при относително малки размери. Антените от този тип са набор от елементи: активен - вибратор и пасивен - рефлектор и няколко директори, инсталирани на една обща стрела (Фигура 4). Такива антени, особено тези с голям брой елементи, изискват внимателна настройка по време на производството. За триелементна антена (вибратор, рефлектор и един директор) основните характеристики могат да бъдат постигнати без допълнителна конфигурация.

Сложността на антените от този тип се състои и във факта, че входният импеданс на антената зависи от броя на пасивните елементи и значително зависи от конфигурацията на антената, поради което в литературата често не се посочва точната стойност на входен импеданс на такива антени. По-специално, когато се използва като вибратор контурен вибратор Pistolkors, който има входен импеданс от около 300 ома, с увеличаване на броя на пасивните елементи, входният импеданс на антената намалява и достига стойности от 30-50 Ом, което води до несъответствие с фидера и изисква допълнително съгласуване. С увеличаване на броя на пасивните елементи, диаграмата на антената се стеснява и усилването се увеличава, например за триелементни и петелементни антени усилването е 5...6 dB и 8...9 dB с ширината на главния лъч на шаблона съответно 70º и 50º.

По-широколентови в сравнение с антените тип „вълнов канал“ и не изискващи настройка са антените с пътуващи вълни (AWA), при които всички вибратори, разположени на едно и също разстояние един от друг, са активни и свързани към събирателната линия (Фигура 5). Получената от тях енергия на сигнала се сумира в събирателната линия почти във фаза и постъпва във фидера. Коефициентът на усилване на такива антени се определя от дължината на събирателната линия, пропорционален е на съотношението на тази дължина към дължината на вълната на получения сигнал и зависи от насочените свойства на вибраторите. По-специално, за ABC с шест вибратора с различни дължини, съответстващи на необходимия честотен диапазон и разположени под ъгъл от 60° спрямо събирателната линия, усилването варира от 4 dB до 9 dB в работния диапазон и нивото на обратното излъчване е с 14 dB по-ниска.

Фигура 5 - Антена за пътуваща вълна

Фигура 6 - Антена с логаритмична периодична структура или логаритмична периодична антена

Насочените свойства на разглежданите антени варират в зависимост от дължината на вълната на получения сигнал. Един от най-разпространените видове антени с постоянна форма на диаграма в широк честотен диапазон са антени с логаритмична периодичност на структурата или логаритмични антени (LPA). Те имат широк диапазон: максималната дължина на вълната на получения сигнал надвишава минималната повече от 10 пъти. В същото време се осигурява добро съгласуване на антената с фидера в целия работен диапазон, а усилването остава практически непроменено. Събирателната линия на LPA обикновено се формира от два проводника, разположени един над друг, към които рамената на вибраторите са прикрепени хоризонтално, един по един (Фигура 6, изглед отгоре).

Вибраторите LPA се оказват вписани в равнобедрен триъгълник с ъгъл при върха b и основа, равна на най-големия вибратор. Работната честотна лента на антената се определя от размерите на най-дългия и най-късия вибратор. За логаритмична антенна структура трябва да се спазва определена връзка между дължините на съседните вибратори, както и между разстоянията от тях до върха на структурата. Тази връзка се нарича структурен период f:

B2? B1=B3? B2=A2? A1=A3? A2=…=f

Така размерът на вибраторите и разстоянието до тях от върха на триъгълника се намаляват експоненциално. Характеристиките на антената се определят от стойностите на f и b. Колкото по-малък е ъгълът b и по-голям b (b винаги е по-малко от 1), толкова по-голямо е усилването на антената и толкова по-ниско е нивото на задния и страничния дял на диаграмата на излъчване. Но в същото време броят на вибраторите се увеличава, а размерите и теглото на антената се увеличават. Оптималните стойности за ъгъл b се избират в рамките на 3ê…60ê, а φ - 0,7…0,9.

В зависимост от дължината на вълната на получения сигнал, в структурата на антената се възбуждат няколко вибратора, чиито размери са най-близки до половината от дължината на вълната на сигнала, следователно LPA е подобен по принцип на няколко антени за "вълнов канал", свързани заедно, всяка от които съдържа вибратор, рефлектор и директор. При определена дължина на вълната на сигнала се възбужда само една тройка вибратори, а останалите са така разстроени, че не влияят на работата на антената. Следователно усилването на LPA се оказва по-малко от усилването на антена с "вълнов канал" със същия брой елементи, но честотната лента на LPA се оказва много по-широка. По този начин, за LPA, състоящ се от десет вибратора и стойности b = 45є, f = 0,84, изчисленото усилване е 6 dB, което практически не се променя в целия диапазон от работни честоти.

За радиорелейните комуникационни линии е много важно да има тясна диаграма на излъчване, за да не пречи на друго радиоелектронно оборудване и да осигури висококачествена комуникация. За стесняване на модела широко се използват антенни решетки (AR), които стесняват модела в различни равнини и осигуряват различни стойности на ширината на главния лоб. Съвсем ясно е, че геометричните размери на антенната решетка и характеристиките на диаграмата на излъчване значително зависят от обхвата на работните честоти - колкото по-висока е честотата, толкова по-компактна ще бъде решетката и толкова по-тясна е диаграмата на излъчване и, следователно, , толкова по-голяма е печалбата. За същите честоти, с увеличаване на размерите на AR (броя на елементарните излъчватели), моделът ще се стесни.

За VHF обхвата често се използват решетки, състоящи се от вибраторни антени (вибратори с контур), чийто брой може да достигне няколко десетки, усилването се увеличава до 15 dB и по-високо, а ширината на диаграмата във всяка равнина може да бъде стеснена до 10º , например за 16 вертикално разположени контурни вибратора в честотния диапазон 395…535 MHz, моделът се стеснява във вертикалната равнина до 10º.

Основният тип антени, използвани в потребителските терминали, са вертикално поляризирани камшични антени, които имат кръгъл модел в хоризонталната равнина. Ефективността на тези антени е доста ниска поради ниските стойности на усилване, както и поради влиянието на околните обекти върху диаграмата на излъчване, както и липсата на правилно заземяване и ограниченията върху геометричните размери на антените. Последното изисква висококачествено съвпадение на антената с входните вериги на радиоустройството. Типичните опции за съвпадение на конструкцията са индуктивност, разпределена по дължината, и индуктивност в основата на антената. За увеличаване на обхвата на радиокомуникацията се използват специални удължени антени с дължина няколко метра, което постига значително повишаване на нивото на приемания сигнал.

В момента има много видове автомобилни антени, които се различават по външен вид, дизайн и цена. Тези антени са предмет на строги изисквания за механични, електрически, експлоатационни и естетически параметри. Най-добрите резултати по отношение на обхвата на комуникация се постигат от антена в пълен размер с дължина l/4, но големите геометрични размери не винаги са удобни, поради което се използват различни методи за скъсяване на антените, без значително да се влошат техните характеристики. Да предоставя клетъчни комуникацииВ автомобилите могат да се използват микролентови резонансни антени (едно-, дву- и трилентови), които не изискват монтаж на външни части, тъй като се закрепват от вътрешната страна на стъклото на автомобила. Такива антени осигуряват приемане и предаване на вертикално поляризирани сигнали в честотния диапазон 450...1900 MHz и имат коефициент на усилване до 2 dB.

2.1.1 Общи характеристики на микровълновите антени

В микровълновия диапазон през последните години също има увеличение на броя на системите за комуникация и излъчване, както съществуващи преди това, така и новоразработени. За наземни системи - това са радиорелейни комуникационни системи, радио и телевизионно излъчване, клетъчни телевизионни системи и др., За сателитни системи - директно телевизионно излъчване, телефон, факс, пейджинг комуникации, видеоконференции, достъп до Интернет и др. Честотните диапазони, използвани за тези видове съобщения и радиоразпръскване, съответстват на участъците от честотния спектър, предназначени за тези цели, като основните са: 3,4...4,2 GHz; 5.6...6.5 GHz; 10,7…11,7 GHz; 13,7…14,5 GHz; 17,7…19,7 GHz; 21,2…23,6 GHz; 24,5…26,5 GHz; 27,5…28,5 GHz; 36…40 GHz. Понякога в техническата литература микровълновият диапазон включва системи, работещи на честоти над 1 GHz, въпреки че този диапазон стриктно започва от 3 GHz.

За наземните микровълнови системи антенните устройства са малогабаритни огледални, рупорни, рупорни антени, монтирани на мачти и защитени от вредни атмосферни влияния. Насочените антени, в зависимост от тяхното предназначение, дизайн и честотен диапазон, имат широк спектър от характеристики, а именно: коефициент на усилване - от 12 до 50 dB, ширина на лъча (ниво - 3 dB) - от 3,5 до 120º. В допълнение, клетъчните телевизионни системи използват биконични многопосочни (в хоризонталната равнина) антени, състоящи се от два метални конуса с върхове, насочени един към друг, диелектрична леща, монтирана между конусите, и устройство за възбуждане. Такива антени имат коефициент на усилване от 7...10 dB, ширината на главния лоб във вертикалната равнина е 8...15є, а нивото на страничните лобове е не по-лошо от минус 14 dB.

3. Анализ на възможните методи за синтезиране на антенни фрактални структури

3.1 Фрактални антени

Фракталните антени са сравнително нов клас електрически малки антени (EMA), които са фундаментално различни по своята геометрия от известните решения. Всъщност традиционната еволюция на антените се основава на евклидовата геометрия, оперираща с обекти с цяло числово измерение (линия, кръг, елипса, параболоид и т.н.). Основната разлика между фракталните геометрични форми е тяхното дробно измерение, което се проявява външно в рекурсивното повторение на оригиналните детерминистични или произволни модели в нарастващ или намаляващ мащаб. Фракталните технологии са широко разпространени в разработването на инструменти за филтриране на сигнали, синтеза на триизмерни компютърни модели на природни пейзажи и компресирането на изображения. Съвсем естествено е, че фракталната „мода“ не заобиколи теорията на антените. Освен това прототипът на съвременните фрактални технологии в антенната технология бяха логаритмично-периодичните и спиралните конструкции, предложени в средата на 60-те години на миналия век. Вярно е, че в строгия математически смисъл такива структури по време на разработката нямат връзка с фракталната геометрия, като всъщност са само фрактали от първи вид. В момента изследователите, главно чрез опити и грешки, се опитват да използват известни фрактали в геометрията в антенни решения. В резултат на симулационно моделиране и експерименти беше установено, че фракталните антени позволяват да се получи почти същото усилване като конвенционалните, но с по-малки размери, което е важно за мобилни приложения. Нека разгледаме резултатите, получени в областта на създаването на фрактални антени от различни видове.

Резултатите от изследванията на характеристиките на новия дизайн на антената, публикувани от Коен, привлякоха вниманието на специалистите. Благодарение на усилията на много изследователи днес теорията за фракталните антени се превърна в независим, доста развит апарат за синтез и анализ на EMA.

3.2 Имотифрактални антени

SFC могат да се използват като шаблони за изработване на монополи и диполни рамена, формиране на топология на печатни антени, повърхности за избор на честота (FSS) или рефлекторни черупки, конструиране на контурите на кръгови антени и профили на отвора на рупор, както и фрезоване на слотове в слот антени.

Експерименталните данни, получени от специалистите на Cushcraft за кривата на Кох, четири итерации на квадратна вълна и спирална антена ни позволяват да сравним електрическите свойства на антената на Кох с други излъчватели с периодична структура. Всички сравнявани излъчватели имаха многочестотни свойства, което се проявява в наличието на периодични резонанси в импедансните графики. Въпреки това, за многолентови приложения най-подходящ е фракталът на Кох, за който с нарастваща честота пиковите стойности на реактивните и активните съпротивления намаляват, докато за меандъра и спиралата те се увеличават.

Като цяло трябва да се отбележи, че е трудно теоретично да си представим механизма на взаимодействие между фрактална приемна антена и падащи върху нея електромагнитни вълни поради липсата на аналитично описание на вълновите процеси в проводник със сложна топология. В такава ситуация е препоръчително да се определят основните параметри на фракталните антени чрез математическо моделиране.

Пример за конструиране на първата самоподобна фрактална крива е демонстриран през 1890 г. от италианския математик Джузепе Пеано. В границата предложената от него линия запълва изцяло квадрата, обикаляйки всички негови точки (Фигура 9). Впоследствие са открити и други подобни обекти, получили общото наименование „Криви на Пеано” по името на откривателя на семейството им. Вярно е, че поради чисто аналитичното описание на кривата, предложено от Пеано, възникна известно объркване в класификацията на SFC линиите. Всъщност името „Криви на Пеано“ трябва да се дава само на оригинални криви, чиято конструкция съответства на анализите, публикувани от Пеано (Фигура 10).

Фигура 9 - Итерации на кривата на Пеано: а) начална линия, б) първа, в) втора и г) трета итерации

Фигура 10 - Итерации на полилинията, предложена от Хилберт през 1891 г

Често се тълкува като рекурсивна крива на Пеано

Следователно, за да се уточнят обектите на разглежданата антенна технология, когато се описва една или друга форма на фрактална антена, трябва, ако е възможно, да се споменат имената на авторите, предложили съответната модификация на SFC. Това е още по-важно, тъй като според оценките броят на известните разновидности на SFC наближава триста и тази цифра не е ограничение.

Трябва да се отбележи, че кривата на Пеано (Фигура 9) в оригиналния си вид е доста подходяща за правене на процепи в стените на вълновод, печатни и други апертурни фрактални антени, но не е приемлива за конструиране на телена антена, тъй като има докосване секции. Затова специалистите от Fractus предложиха неговата модификация, наречена „Peanodec” (Фигура 11).

Фигура 11 - Вариант на модификация на кривата на Пеано (“Peanodec”): а) първа, б) втора в) трета итерация

Обещаващо приложение на антени с топология на Кох са комуникационните системи MIMO (комуникационни системи с много входове и изходи). За миниатюризиране на антенните решетки на потребителски терминали в такива комуникации, специалисти от лабораторията по електромагнетизъм на университета в Патра (Гърция) предложиха фрактално сходство с обърната L-антена (ILA). Същността на идеята се свежда до огъване на вибратора на Кох на 90° в точка, която го разделя на сегменти със съотношение на дължината 2:1. За мобилни комуникации с носеща честота ~2,4 Hz, размерите на такава печатна антена са 12,33×10,16 mm (~L/10ChL/12), честотната лента е ~20%, а ефективността е 93%.

Фигура 12 - Пример за двулентова (2,45 и 5,25 GHz) антенна решетка

Диаграмата на излъчване по азимут е почти еднаква, печалбата по отношение на входа на фидера е ~3,4 dB. Вярно е, както е отбелязано в статията, работата на такива печатни елементи като част от решетка (Фигура 12) е придружена от намаляване на тяхната ефективност в сравнение с един елемент. Така при честота 2,4 GHz ефективността на монопола на Кох, огънат на 90°, намалява от 93 на 72%, а при честота 5,2 GHz - от 90 на 80%. Ситуацията е малко по-добра при взаимното влияние на високочестотните лентови антени: при честота от 5,25 GHz изолацията между елементите, образуващи централната двойка антени, е 10 dB. Що се отнася до взаимното влияние в двойка съседни елементи от различни диапазони, в зависимост от честотата на сигнала, изолацията варира от 11 dB (при 2,45 GHz) до 15 dB (при честота 5,25 GHz). Причината за влошаването на работата на антената е взаимното влияние на печатните елементи.

По този начин способността да се избират много различни параметри на антенна система, базирана на прекъсната линия на Кох, позволява на дизайна да задоволи различни изисквания за стойността на вътрешното съпротивление и разпределението на резонансните честоти. Въпреки това, тъй като взаимозависимостта на рекурсивното измерение и характеристиките на антената може да се получи само за определена геометрия, валидността на разглежданите свойства за други рекурсивни конфигурации изисква допълнителни изследвания.

3.3 Характеристики на фракталните антени

Фракталната антена на Кох, показана на фигура 13 или 20, е само една от опциите, които могат да бъдат реализирани с помощта на равностранен начален рекурсивен триъгълник, т.е. ъгълът и в основата му (ъгъл на вдлъбнатина или „ъгъл на вдлъбнатина“) е 60°. Тази версия на фрактала на Кох обикновено се нарича стандартна. Съвсем естествено е да се чудите дали е възможно да използвате модификации на фрактала с други стойности на този ъгъл. Vinoy предложи да се разглежда ъгълът в основата на началния триъгълник като параметър, характеризиращ дизайна на антената. Чрез промяна на този ъгъл можете да получите подобни рекурсивни криви с различни размери (Фигура 13). Кривите запазват свойството на самоподобие, но получената дължина на линията може да бъде различна, което се отразява на характеристиките на антената. Vinoy е първият, който изследва корелацията между свойствата на антената и размерността на обобщения фрактал на Кох D, определен в общия случай от зависимостта

(1)

Беше показано, че с увеличаване на ъгъла размерът на фрактала също се увеличава и при u>90° той се доближава до 2. Трябва да се отбележи, че концепцията за размер, използвана в теорията на фракталните антени, донякъде противоречи на концепциите, приети в геометрията , където тази мярка е приложима само за безкрайно рекурсивни обекти.

Фигура 13 - Конструкция на кривата на Кох с ъгъл а) 30° и б) 70° в основата на триъгълника във фракталния генератор

С увеличаването на размерността общата дължина на начупената линия нараства нелинейно, определена от връзката:

(2)

където L0 е дължината на линейния дипол, разстоянието между краищата на който е същото като това на прекъснатата линия на Кох, n е номерът на итерация. Преходът от u = 60° към u = 80° при шестата итерация прави възможно увеличаването на общата дължина на префрактала повече от четири пъти. Както бихте очаквали, има пряка връзка между рекурсивното измерение и такива свойства на антената като основната резонансна честота, вътрешно съпротивление при резонанс и многолентови характеристики. Въз основа на компютърни изчисления Vinoy получи зависимостта на първата резонансна честота на дипола на Кох fk от размера на префрактала D, номера на итерацията n и резонансната честота на праволинейния дипол fD със същата височина като начупената линия на Кох ( в крайните точки):

(3)

Фигура 14 - Ефект на изтичане на електромагнитни вълни

В общия случай за вътрешното съпротивление на дипола на Кох при първата резонансна честота е валидна следната приблизителна зависимост:

(4)

където R0 е вътрешното съпротивление на линейния дипол (D=1), което в разглеждания случай е равно на 72 Ohms. Изрази (3) и (4) могат да се използват за определяне на геометричните параметри на антената с необходимите стойности на резонансната честота и вътрешното съпротивление. Многолентовите свойства на дипола на Кох също са много чувствителни към стойността на ъгъла u. С увеличаване номиналните стойности на резонансните честоти се доближават и следователно техният брой в даден спектрален диапазон се увеличава (Фигура 15). Освен това, колкото по-висок е номерът на итерация, толкова по-силна е тази конвергенция.

Фигура 15 - Ефект на стесняване на интервала между резонансните честоти

Друг е изучаван в Пенсилванския държавен университет. важен аспектДипол на Кох - влиянието на асиметрията на неговото захранване върху степента, до която вътрешното съпротивление на антената се доближава до 50 ома. При линейните диполи точката на захранване често е разположена асиметрично. Същият подход може да се използва за фрактална антена под формата на крива на Кох, чието вътрешно съпротивление е по-малко от стандартните стойности. Така в третата итерация вътрешното съпротивление на стандартния дипол на Кох (u = 60 °), без да се вземат предвид загубите при свързване на захранващото устройство в центъра, е 28 ома. Чрез преместване на фидера към единия край на антената може да се получи съпротивление от 50 ома.

Всички разгледани досега конфигурации на начупената линия на Кох бяха синтезирани рекурсивно. Въпреки това, според Вина, ако нарушите това правило, по-специално като посочите различни ъгли и? С всяка нова итерация свойствата на антената могат да се променят с по-голяма гъвкавост. За да запазите сходството, препоръчително е да изберете правилна схема за промяна на ъгъла и. Например, променете го по линейния закон иn = иn-1 - Di·n, където n е номерът на итерация, Di? - нарастване на ъгъла при основата на триъгълника. Вариант на този принцип на построяване на начупена линия е следната последователност от ъгли: u1 = 20° за първата итерация, u2 = 10° за втората и т.н. Конфигурацията на вибратора в този случай няма да бъде строго рекурсивна, но всички негови сегменти, синтезирани в една итерация, ще имат еднакви размерии форма. Следователно геометрията на такава хибридна прекъсната линия се възприема като самоподобна. С малък брой итерации, заедно с отрицателно нарастване Di, може да се използва квадратична или друга нелинейна промяна в ъгъла un.

Разгледаният подход ви позволява да зададете разпределението на резонансните честоти на антената и стойностите на нейното вътрешно съпротивление. Въпреки това, пренареждането на реда на промяна на стойностите на ъглите в итерации не дава еквивалентен резултат. За една и съща височина на начупена линия различни комбинации от еднакви ъгли, например u1 = 20°, u2 = 60° и u1 = 60°, u2 = 20° (Фигура 16), дават една и съща разгъната дължина на префракталите. Но, противно на очакванията, пълното съвпадение на параметрите не гарантира идентичността на резонансните честоти и идентичността на многолентовите свойства на антените. Причината е промяна във вътрешното съпротивление на прекъснатите сегменти, т.е. Ключовата роля играе конфигурацията на проводника, а не неговият размер.

Фигура 16 - Обобщени префрактали на Кох от втората итерация с отрицателно увеличение Dq (a), положително увеличение Dq (b) и трето повторение с отрицателно увеличение Dq = 40°, 30°, 20° (c)

4. Примери за фрактални антени

4.1 Преглед на антената

Антенните теми са едни от най-обещаващите и представляващи значителен интерес в съвременната теория на предаването на информация. Това желание да се развива именно тази област на научното развитие е свързано с непрекъснато нарастващите изисквания за скорост и методи за пренос на информация в съвременния технологичен свят. Всеки ден, общувайки помежду си, ние предаваме информация по един толкова естествен за нас начин – по въздуха. Точно по същия начин учените стигнаха до идеята да научат множество компютърни мрежи да комуникират.

Резултатът беше появата на нови разработки в тази област, тяхното одобрение на пазара на компютърно оборудване и по-късно приемането на стандарти безжично предаванеинформация. Днес технологии за предаване като BlueTooth и WiFi вече са одобрени и общоприети. Но развитието не спира дотук и не може да спре, появяват се нови изисквания и нови желания на пазара.

Скоростите на предаване, толкова удивително високи по времето, когато технологиите са били разработени, днес вече не отговарят на изискванията и желанията на потребителите на тези разработки. Започнаха няколко водещи центъра за развитие нов проект WiMAX с цел увеличаване на скоростта, въз основа на разширяване на канала във вече съществуващия WiFi стандарт. Какво място заема темата за антените във всичко това?

Проблемът с разширяването на канала за предаване може да бъде частично решен чрез въвеждане на още по-голяма компресия от съществуващата. Използването на фрактални антени ще реши този проблем по-добре и по-ефективно. Причината за това е, че фракталните антени и базираните на тях честотно-селективни повърхности и обеми имат уникални електродинамични характеристики, а именно: широколентов достъп, повторяемост на честотните ленти в честотния диапазон и др.

4.1.1 Конструкция на дървото на Cayley

Дървото Cayley е един от класическите примери за фрактални множества. Неговата нулева итерация е просто сегмент от права линия с дадена дължина l. Първата и всяка следваща нечетна итерация се състои от два сегмента с точно същата дължина l като предишната итерация, разположени перпендикулярно на сегмента от предишната итерация, така че краищата му да са свързани със средата на сегментите.

Втората и всяка следваща четна итерация на фрактала са два сегмента l/2 с дължина на половината от предишната итерация, разположени, както и преди, перпендикулярно на предишната итерация.

Резултатите от конструирането на дървото на Cayley са показани на фигура 17. Общата височина на антената е 15/8l, а ширината е 7/4l.

Фигура 17 - Конструкция на дървото Cayley

Изчисления и анализ на антената “Cayley Tree” Извършени са теоретични изчисления на фрактална антена под формата на Cayley Tree от 6-ти ред. За решаването на този практически проблем беше използван доста мощен инструмент за стриктно изчисляване на електродинамичните свойства на проводимите елементи - програмата EDEM. Мощните инструменти и удобният за потребителя интерфейс на тази програма я правят незаменима за това ниво на изчисления.

Авторите бяха изправени пред задачата да проектират антена, да оценят теоретичните стойности на резонансните честоти на приемане и предаване на сигнала и да представят проблема в интерфейса на програмния език EDEM. Проектираната фрактална антена, базирана на „Дървото на Cayley“, е показана на фигура 18.

След това към проектираната фрактална антена беше изпратена плоска електромагнитна вълна и програмата изчисли разпространението на полето преди и след антената и изчисли електродинамичните характеристики на фракталната антена.

Резултатите от изчисленията на фракталната антена „Дървото на Кейли“, извършени от авторите, ни позволиха да направим следните заключения. Показано е, че серия от резонансни честоти се повтаря при приблизително два пъти по-висока от предишната честота. Определени са разпределенията на тока върху повърхността на антената. Изследвани са области както на пълно предаване, така и на пълно отражение на електромагнитното поле.

Фигура 18 - Cayley дърво от 6-ти ред

4 .1.2 Мултимедийна антена

Миниатюризацията напредва по цялата планета със скокове и граници. Появата на компютри с размерите на бобено зърно е точно зад ъгъла, но междувременно компанията Fractus предлага на вниманието ни антена, чиито размери са по-малки от оризово зърно (Фигура 19).

Фигура 19 - Фрактална антена

Новият продукт, наречен Micro Reach Xtend, работи на честота 2,4 GHz и поддържа безжични технологии Wi-Fi и Bluetooth, както и някои други по-малко популярни стандарти. Устройството е базирано на патентовани фрактални антенни технологии, а площта му е само 3,7 х 2 мм. Според разработчиците малката антена ще позволи да се намали размерът на мултимедийните продукти, в които ще се използва в близко бъдеще, или да се натъпчат повече възможности в едно устройство.

Телевизионните станции предават сигнали в диапазона 50-900 MHz, които се приемат надеждно на разстояние много километри от предавателната антена. Известно е, че вибрациите с по-високи честоти преминават през сгради и различни препятствия по-лоши от нискочестотните, които просто се огъват около тях. Следователно Wi-Fi технологията се използва в конвенционалните системи безжична комуникацияи работещ на честоти над 2,4 GHz, осигурява приемане на сигнал само на разстояние не повече от 100 m. Подобна несправедливост към напредналата Wi-Fi технология скоро ще бъде сложена, разбира се, без да навреди на потребителите на телевизора. В бъдеще устройствата, създадени на базата на Wi-Fi технология, ще работят на честоти между работещите телевизионни канали, като по този начин ще увеличат обхвата на надеждно приемане. За да не пречи на работата на телевизията, всяка от Wi-Fi системите (предавател и приемник) непрекъснато ще сканира близките честоти, предотвратявайки сблъсъци в ефир. При преминаване към по-широк честотен диапазон става необходимо да имате антена, която може еднакво добре да приема сигнали както от високи, така и от ниски честоти. Конвенционалните камшични антени не отговарят на тези изисквания, т.к Те, в съответствие с дължината си, избирателно приемат честоти с определена дължина на вълната. Антена, подходяща за приемане на сигнали в широк честотен диапазон, е т. нар. фрактална антена, която има формата на фрактал – структура, която изглежда еднакво независимо с какво увеличение я гледаме. Фракталната антена се държи така, както би се държала структура, състояща се от много щифтови антени с различна дължина, усукани заедно.

4.1.3 „Счупена“ антена

Американският инженер Нейтън Коен преди около десет години решава да сглоби любителска радиостанция у дома, но среща неочаквана трудност. Апартаментът му се намираше в центъра на Бостън и градските власти строго забраниха поставянето на антена извън сградата. Неочаквано беше намерено решение, което преобръща целия последващ живот на радиолюбителя с главата надолу.

Вместо да направи антена с традиционна форма, Коен взе парче алуминиево фолио и го наряза във формата на математически обект, известен като крива на Кох. Тази крива, открита през 1904 г. от немския математик Хелга фон Кох, е фрактал, начупена линия, която прилича на поредица от безкрайно намаляващи триъгълници, израстващи един от друг като покрива на многостепенна китайска пагода. Както всички фрактали, тази крива е „самоподобна“, тоест на всеки най-малък сегмент тя има същия вид, повтаряйки се. Такива криви се конструират чрез безкрайно повтаряне на проста операция. Линията е разделена на равни сегменти, като на всеки сегмент се прави завой под формата на триъгълник (метод на фон Кох) или квадрат (метод на Херман Минковски). След това от всички страни на получената фигура подобни квадрати или триъгълници, но с по-малък размер, се огъват на свой ред. Продължавайки конструкцията ad infinitum, можете да получите крива, която е „счупена“ във всяка точка (Фигура 20).

Фигура 20 - Построяване на кривата на Кох и Минковски

Построяване на кривата на Кох - един от първите фрактални обекти. На безкрайна права се отделят отсечки с дължина l. Всеки сегмент е разделен на три равни части, като върху средната е построен равностранен триъгълник със страна l/3. След това процесът се повтаря: върху сегменти l/3 се изграждат триъгълници със страни l/9, върху тях триъгълници със страни l/27 и т.н. Тази крива има самоподобие или инвариантност на мащаба: всеки от нейните елементи в намалена форма повтаря самата крива.

Фракталът на Минковски е конструиран подобно на кривата на Кох и има същите свойства. При конструирането му вместо система от триъгълници се изграждат меандри по права линия - „правоъгълни вълни“ с безкрайно намаляващи размери.

Когато конструира кривата на Кох, Коен се ограничава само до две или три стъпки. След това залепи фигурата върху малък лист хартия, прикрепи я към приемника и с изненада установи, че тя работи не по-зле от конвенционалните антени. Както се оказа по-късно, неговото изобретение стана основател на фундаментално нов тип антени, които сега се произвеждат масово.

Тези антени са много компактни: фракталната антена за мобилен телефон, вградена в калъфа, е с размер на обикновен слайд (24 x 36 mm). Освен това те работят в широк честотен диапазон. Всичко това е открито експериментално; Теорията за фракталните антени все още не съществува.

Параметрите на фрактална антена, направена от поредица от последователни стъпки с помощта на алгоритъма на Минковски, се променят по много интересен начин. Ако права антена се огъне под формата на "квадратна вълна" - меандър, нейното усилване ще се увеличи. Всички последващи меандри на усилването на антената не се променят, но диапазонът от честоти, които получава, се разширява и самата антена става много по-компактна. Вярно е, че само първите пет или шест стъпки са ефективни: за да огънете проводника допълнително, ще трябва да намалите диаметъра му и това ще увеличи съпротивлението на антената и ще доведе до загуба на печалба.

Докато някои си блъскат главата над теоретични проблеми, други активно прилагат изобретението на практика. Според Нейтън Коен, сега професор в Бостънския университет и главен технически инспектор на Fractal Antenna Systems, „след няколко години фракталните антени ще станат неразделна част от клетъчни и радиотелефони и много други безжични комуникационни устройства.“

антенна решетка фрактал

4.2 Приложение на фракталните антени

Сред многото дизайни на антени, използвани днес в комуникациите, типът антена, споменат в заглавието на статията, е сравнително нов и фундаментално различен от известните решения. Първите публикации, разглеждащи електродинамиката на фракталните структури, се появяват през 80-те години на 20 век. Това е началото практическа употребаФракталното направление в антенната технология стартира преди повече от 10 години от американския инженер Нейтън Коен, сега професор в университета Боаон и главен технически инспектор на компанията Fractal Antenna Systems. Живеейки в центъра на Бостън, за да заобиколи забраната на градските власти за инсталиране на външни антени, той решава да маскира антената на любителска радиостанция като декоративна фигура, изработена от алуминиево фолио. Като основа той взе кривата на Кох, известна в геометрията (Фигура 20), чието описание беше предложено през 1904 г. от шведския математик Нилс Фабиан Хелге фон Кох (1870-1924).

Подобни документи

Концепцията и принципът на работа на предавателните антени и техните диаграми на излъчване. Изчисляване на размери и резонансни честоти за фрактални антени. Проектиране на печатна микролентова антена, базирана на фрактала на Кох и 10 прототипа на антени от тип проводник.

дисертация, добавена на 02.02.2015 г


Разработване на фрактални антени. Методи за конструиране и принципи на работа на фрактална антена. Построяване на кривата на Пеано. Образуване на фрактална правоъгълна счупена антена. Двулентова антенна решетка. Фрактални честотно-селективни повърхности.

дисертация, добавена на 26.06.2015 г


Структурна схемаприемен модул с активна фазирана антенна решетка. Изчисляване на относителното намаляване на възбуждането на ръба на антената. Енергиен потенциал на приемната фазирана антенна решетка. Точност на подравняване на лъча. Избор и изчисляване на емитер.

курсова работа, добавена на 08.11.2014 г


Запознаване с дейността на Antenna-Service LLC: инсталиране и въвеждане в експлоатация на наземни и сателитни антенни системи, проектиране на телекомуникационни мрежи. основни характеристикиосновни свойства и области на приложение на сателитните антени.

дисертация, добавена на 18.05.2014 г


Видове и класификация на антени за клетъчни комуникационни системи. Спецификацииантени KP9-900. Основната загуба на ефективност на антената е в работното положение на устройството. Методи за изчисляване на антени за клетъчни системикомуникации. Характеристики на моделера на антени MMANA.

курсова работа, добавена на 17.10.2014 г


Видове микровълнови устройства в разпределителните вериги на антенни решетки. Проектиране на микровълнови устройства, базирани на метода на разлагане. Работа с програмата "Model-S" за автоматизирани и параметрични видове синтез на многоелементни микровълнови устройства.

тест, добавен на 15.10.2011 г


Основните задачи на теорията на антената и характеристиките на това устройство. Уравнения на Максуел. Електрическо диполно поле в неограничено пространство. Отличителни чертивибратор и апертурни антени. Методи за управление на амплитудата на решетките.

урок, добавен на 27.04.2013 г


Линейна решетка с цилиндрична спирална антена като радиатор. Използването на антенни решетки за осигуряване на висококачествена работа на антената. Проектиране на вертикално сканираща антенна решетка. Изчисляване на единичен емитер.

курсова работа, добавена на 28.11.2010 г


Методи за създаване на ефективни антени. Линейна антенна решетка. Оптимална антена за пътуващи вълни. Коефициент на насоченост. Плоски антенни решетки. Входен импеданс на излъчващия елемент. Характеристики и приложение на нееквидистантни решетки.

курсова работа, добавена на 14.08.2015 г


Използването на антени както за излъчване, така и за приемане на електромагнитни вълни. Има голямо разнообразие от различни антени. Проектиране на линейна решетка от пръчковидни диелектрични антени, която е сглобена от пръчковидни диелектрични антени.