GP na 160 Minooka

Nekako sam naišao na ARRL bilten koji je sadržavao zanimljive rezultate istraživanja o antenama od 160 metara. A glavna čar, pored rezultata, naravno, bila je u tome što su to bile kombinovane statistike od 1969. godine! Prvo, morate vjerovati statistici za takav period, a kao drugo, raznolikost modela antena za 160 m jednostavno "izboči" pitanje: ako danas planirate napraviti antenu na HF-u, to će biti:
Odgovor jedan: 60% - vertikalno, 30% - horizontalno dipol, 10% druge opcije. Vertikale u ovom istraživanju uključuju 1/4, 1/2, 5/8 talasne dužine, nasumične dužine vertikale i obrnute L antene. Drugo pitanje: ako ćete danas napraviti antenu od 160 metara to će biti: 70% vertikalno, 17% horizontalno, 5% obrnuto L, 2% H/V kombinacija, 2% obrnuto V, 3% ostale opcije. Zar nije značajno? :-) ? 70 protiv 17! A sada, prema istom istraživanju, argumenti zbog kojih su se ispitanici opredijelili. Drugi odgovor: 1. Visoka efikasnost u rasponu od 160 metara za DX rad. 2. Jednostavnost dizajna i lakoća konfiguracije 3. Niska cijena 4. Uklapa se u veličinu “zadnjeg dvorišta” 5. Dovoljno širok propusni opseg 6. Dobro radi na rutama na velikim udaljenostima 7. Može se smanjiti za veće frekventne opsege. Dobra skalabilnost.
Ono što je istina je istina. Teško je osporiti bilo koju stavku na listi. To je vjerovatno razlog zašto postoji toliko mnogo opcija za vertikalne antene za 160 metara. Kako se kretati ovim oceanom modela i ne utopiti se? Na osnovu malog (oko 45 godina :-) iskustva, mogu dati nekoliko savjeta početnicima. Izvinjavam se onima koji su dobro upućeni u teoriju antena što me ne osuđuju striktno zbog radikalnih pojednostavljenja koncepata. Preskočite par pasusa ako niste zainteresovani :-)
Postulat jedan. Antena mora imati fizičku dužinu najmanje približno 1/4 valne dužine i protuteže od najmanje 2 približno iste dužine. u suprotnom slučaju), služe samo jednoj svrsi - uzrokuju da antena postane rezonantna. Odnosno, rezonirajte potrebna frekvencija. U ovom slučaju, efikasnost direktnog zračenja radio talasa će se smanjiti obrnuto proporcionalno stepenu istezanja (skraćivanja).
Prije nego što odlučite da ponovite dizajn na koji ste naišli negdje, trebali biste temeljito razumjeti koji su od antenskih elemenata potrebni za podešavanje rezonancije, a koji (nakon toga) da bi se osigurali uslovi podudaranja. Ako se to ne može učiniti, onda je najvjerovatnije neko opisao eksperimentalno stvoren dizajn i nije činjenica da će raditi u vašim uvjetima. Pokušajte izbjeći dodatne elemente u anteni (osim platna i protivutega). Najbolja opcija je kada je antensko platno 1/4, 1/2 ili 5/8 talasne dužine sa istim protivutezima. Prilično je teško pozicionirati 41 metar žice (ili cijevi!) okomito, pa morate saviti (nagnuti) vibrator, što je u principu nepoželjno, ali smanjuje efikasnost zračenja u mnogo manjoj mjeri nego npr. skraćivanje . Ne treba zaboraviti na koncept kao što je efektivna visina antene. Što je vrh antene udaljeniji od tla (čitaj, što je pin duži), to je veća efektivna visina antene. Ovisnost jačine polja na prijemnoj tački je direktno proporcionalna ovoj vrijednosti. Postoji još jedan argument za dužinu pina veću od četvrtine talasa - formula za EMF indukovanu u provodniku određuje direktno proporcionalno povećanje napona na konektoru antene u zavisnosti od dužine. Stoga je najbolja bič antena 5/8 talasa. Ali 5/8 za 160 je 100 metara. Čak ni najbogatiji radio amateri nemaju često priliku stvoriti potpornu (ili ovjesnu) tačku na takvoj visini. Čak 1/4 talasa na ovom opsegu je 41 metar. Ali, ipak, postoji način da se pronađe kompromis za stvarnu visinu ovjesa određenog korisnika. Otprilike polovina modifikacija i klonova vertikalnih antena za 160 metara odgovara principima na kojima ova antena radi. Ljepota ideje je da korisnik, znajući do koje visine može podići gornji kraj igle, bira uzorak i veličinu elemenata. Naravno, visina je ograničena: ne kraća od 2,13 metara za mobilnu upotrebu i ne više od 18,29 metara za bazu. Zove se Minooka Special i izgleda ovako. Tabela ispod prikazuje 6 verzija Minooke koje pokrivaju stvarne moguće dimenzije (visina ovjesa). U ovoj tabeli vrijednosti X i Y su nedvosmisleno definisane, a Z je maksimum mogući u uslovima ponavljanja projekta, odnosno Z = visina tačke vešanja minus X i minus Y. Kao što je natpis pod slika antene kaže da L2 sadrži od 1 do 20 zavoja, a L3 od 1 do 5 zavoja žice prečnika 1 mm sa prečnikom samog namotaja od 38 mm. Izvor (QST, Barry a. Boothe, W9UCW) ne ukazuje na broj zavoja L1, ali mislim da bi trebalo biti oko 20 zavoja namotaja slično kao L2 i L3 - namotaj sa korakom od 3 mm. U izvornom izvoru, (zamislite samo, 1976!) Amerikanci su već preporučili korištenje vodovodnih plastičnih cijevi! Ali otkrio sam ih tek 2003: (U stvari, L1 će se apsolutno morati pogoditi sa ovom zavojnicom; podesit ćete svoj pin u rezonanciju na svojoj omiljenoj frekvenciji: nećete moći dobiti propusni opseg od 2 megaherca: -(Nakon što ste pronašli rezonanciju, možete nastaviti na uparivanje. B Za razliku od izvora, za podešavanje predlažem korištenje autotransformatora - jednu induktivnost sa navedenim parametrima namotaja, ali samo 20 zavoja sa slavinama. Odabravši slavinu na kojoj je SWR Minimalni proces podešavanja može se smatrati završenim, u nastavku ću vam reći kako konfigurirati original, ali za sada tablicu.

Nakon što ste podesili svoju sekciju na rezonanciju na željenoj frekvenciji pomoću L1, možete nastaviti sa podešavanjem usklađivanja sa fiderom. Da bi se to postiglo, zavojnica L3 se uklanja iz kola i promjenom zavojnice L2 postiže se minimalna moguća vrijednost SWR-a u ovoj konfiguraciji. Zatim, vraćajući L3 u kolo, postižu SWR jednak jedan. Vjerovatno ćete nakon toga morati prilagoditi L1. Za mobilnu upotrebu (na minimalnoj dužini) (podešavanje SWR), dobar SWR se može postići bez L3 zavojnice.
Ne treba zaboraviti da da bi antena radila efikasno, baza mora imati od 2 do 40 (prema preporuci autora:-) radijala od tačno 18,3 metara.
Pa? Umorni ste od toliko varijabli? Ali radit će u strogom skladu sa naukom :-) Ja, kao pragmatičar, preferiram očigledne opcije i stoga koristim četvrtvalni pin sa radijalima bez ijednog namotaja ili odgovarajućeg kondenzatora. Možete vidjeti kako sam to uradio. Međutim, isti autor Minooka Spec ima opcije neprilagođavanja koje će raditi ako se zadrže dimenzije. Pa, ako se slažete da kapacitivno opterećenje nije element podešavanja :-)

Tri primopredajnika po anteni

Svi smo mi putnici u jednom ili drugom stepenu. Istina, neki od nas su fanatični putnici. Ovo se posebno može reći za radio amatere. Svi znaju program URFF, mnogi znaju program UIA, ali ne svi. Još manje ljudi zna za program, na primjer, svjetionika. Ali ako ljeti ponudite nekom kućnom ljubimcu da ode na radio ekspediciju na ostrvo i bude traženiji nego inače (skoro gomila :-), onda mislim da će pristati. I sam jako volim prirodu, a kada mogu spojiti opuštanje u prirodi i iza primopredajnika u isto vrijeme, jednostavno sam sretan. Pritom zaboravljate koliko je truda potrošeno na dovlačenje teških predmeta, para na benzin i živaca na borbu sa graničarima... (Činjenica je da su sva naša ostrva na Dnjepru, na granici. A granica stražari komanduju rijekom).

EN5R-WW 2

Prva stvar o kojoj bih htela da pišem je mali uvod u istoriju, teoriju i upotrebu fraktalnih antena. Nedavno su otkrivene fraktalne antene. Prvi ih je izumio Nathan Cohen 1988. godine, a zatim je objavio svoje istraživanje o tome kako napraviti TV antenu od žice i patentirao je 1995. godine.

Fraktalna antena ima nekoliko jedinstvene karakteristike, kako piše na Wikipediji:

„Fraktalna antena je antena koja koristi fraktalni, samoponavljajući dizajn kako bi maksimizirala dužinu ili povećala obim (na unutrašnjim područjima ili vanjskoj strukturi) materijala koji može primati ili prenositi elektromagnetne signale unutar date ukupne površine ili volumena. .”

Šta to tačno znači? Pa, morate znati šta je fraktal. Također sa Wikipedije:

“Fraktal je obično grub ili fragmentiran geometrijski oblik koji se može podijeliti na dijelove, pri čemu je svaki dio manja kopija cjeline – svojstvo koje se naziva samosličnost.”

Dakle, fraktal je geometrijski oblik koji se ponavlja iznova i iznova, bez obzira na veličinu pojedinačnih dijelova.

Utvrđeno je da su fraktalne antene približno 20% efikasnije od konvencionalnih antena. Ovo može biti korisno posebno ako želite da vaša TV antena prima digitalni video ili video visoke definicije, povećava domet mobilne mreže, Wi-Fi domet, FM ili AM radio prijem itd.

U većini mobiteli Fraktalne antene već postoje. Možda ste to primijetili jer mobilni telefoni više nemaju antene na vanjskoj strani. To je zato što imaju fraktalne antene unutar sebe urezane u ploču, omogućavajući im da primaju bolji signal i pokupe više frekvencija kao što su Bluetooth, Cellular i Wi-Fi sa jedne antene.

Wikipedija:

„Fraktalni odziv antene se značajno razlikuje od tradicionalnih dizajna antena po tome što je sposobna da radi sa dobrim performansama na različitim frekvencijama istovremeno. Frekvencija standardnih antena se mora smanjiti da bi se mogla primati samo ta frekvencija. Stoga je fraktalna antena, za razliku od konvencionalne antene, odličan dizajn za širokopojasne i višepojasne aplikacije.”

Trik je u tome da dizajnirate svoju fraktalnu antenu tako da rezonira na specifičnoj središnjoj frekvenciji koju želite. To znači da će antena izgledati drugačije u zavisnosti od toga šta želite da postignete. Da biste to učinili, trebate koristiti matematiku (ili online kalkulator).

U mom primjeru napravit ću jednostavnu antenu, ali vi možete napraviti i složeniju. Što kompleksnije to bolje. Za izradu antene koristit ću zavojnicu od 18-žilne žice s čvrstim jezgrom, ali vi možete prilagoditi svoje vlastite ploče tako da odgovaraju vašoj estetici, učiniti ih manjim ili složenijim s većom rezolucijom i rezonancijom.

Napraviću TV antenu za prijem digitalne televizije ili TV-a visoka rezolucija. Sa ovim frekvencijama je lakše raditi i kreću se u dužini od oko 15 cm do 150 cm za pola talasne dužine. Radi jednostavnosti i niske cijene dijelova, stavit ću ga na uobičajenu dipolnu antenu, ona će hvatati valove u opsegu 136-174 MHz (VHF).

Za prijem UHF talasa (400-512 MHz), možete dodati režiser ili reflektor, ali to će učiniti prijem više zavisnim od smjera antene. VHF je također usmjeren, ali umjesto da usmjeravate direktno na TV stanicu u UHF instalaciji, morat ćete montirati VHF uši okomito na TV stanicu. Ovo će zahtijevati malo više truda. Želim da dizajn učinim što jednostavnijim, jer je to već prilično složena stvar.

Glavne komponente:

• Površina za montažu, kao što je plastično kućište (20 cm x 15 cm x 8 cm)
• 6 šrafova. Koristio sam vijke za čelični lim
• Transformator sa otporom od 300 Ohm do 75 Ohm.
• 18 AWG (0,8 mm) Montažna žica
• RG-6 koaksijalni kabl sa terminatorima (i sa gumenim omotačem ako će instalacija biti na otvorenom)
• Aluminij kada koristite reflektor. Bio je jedan u prilogu iznad.
• Fini marker
• Dva para malih kliješta
• Lenjir nije kraći od 20 cm.
• Transporter za merenje ugla
• Dvije burgije, jedno malo manjeg prečnika od vaših vijaka
• Mali rezač žice
• Odvijač ili šrafciger

Napomena: Donji deo antene od aluminijumske žice je na desnoj strani slike gde transformator viri.

Korak 1: Dodavanje reflektora

Sastavite kućište sa reflektorom ispod plastičnog poklopca

Korak 2: Bušenje rupa i postavljanje tačaka za montažu

Izbušite male izlazne rupe na suprotnoj strani reflektora u ovim položajima i postavite provodljivi vijak.

Korak 3: Izmjerite, izrežite i skinite žice

Izrežite četiri komada žice od 20 cm i stavite ih na tijelo.

Korak 4: Mjerenje i označavanje žica

Pomoću markera označite svakih 2,5 cm na žici (na ovim tačkama će biti savijanja)

Korak 5: Kreiranje fraktala

Ovaj korak se mora ponoviti za svaki komad žice. Svaki zavoj treba da bude tačno 60 stepeni, pošto ćemo za fraktal praviti jednakostranične trouglove. Koristio sam dva para kliješta i kutomjer. Svaki zavoj je napravljen na oznaci. Prije nego što napravite nabore, vizualizirajte smjer svakog od njih. Za ovo koristite priloženi dijagram.

Korak 6: Kreiranje dipola

Izrežite još dva komada žice koja su dugačka najmanje 6 inča Omotajte ove žice oko gornjih i donjih vijaka duž duge strane, a zatim ih omotajte oko središnjih vijaka. Zatim odrežite višak dužine.

Korak 7: Ugradnja dipola i ugradnja transformatora

Pričvrstite svaki od fraktala na ugaone vijke.

Pričvrstite transformator odgovarajuće impedanse na dva središnja zavrtnja i zategnite ih.

Montaža završena! Pogledajte i uživajte!

Korak 8: Više iteracija/eksperimenata

Napravio sam neke nove elemente koristeći papirni šablon iz GIMP-a. Koristio sam malu čvrstu masu telefonska žica. Bio je mali, jak i dovoljno savitljiv da se savije u složene oblike potrebne za središnju frekvenciju (554 MHz). Ovo je prosjek digitalni signal UHF za kanale zemaljska televizija u mom kraju.

Fotografija u prilogu. Možda je teško vidjeti bakarne žice pri slabom svjetlu na pozadini od kartona i sa trakom na vrhu, ali već ste shvatili ideju.

Pri ovoj veličini elementi su prilično krhki, pa se njima treba pažljivo rukovati.

Dodao sam i šablon png formatu. Da biste ispisali veličinu koju želite, morat ćete je otvoriti u uređivaču fotografija kao što je GIMP. Šablon nije savršen jer sam ga napravio ručno pomoću miša, ali je dovoljno udoban za ljudske ruke.

Kao što smo raspravljali u prethodnim člancima, otkriveno je da je efikasnost fraktalnih antena približno 20% veća od konvencionalnih antena.Ovo može biti vrlo korisno za primjenu. Pogotovo ako želite da vaša vlastita TV antena prihvata digitalni signal ili HD video, da povećate domet mobitela, Wi-Fiopseg, FM ili AM radio i tako dalje.

Većina mobilnih telefona već ima ugrađene fraktalne antene. Ako ste primijetili u posljednjih nekoliko godina, mobilni telefoni više nemaju antene sa vanjske strane. To je zato što imaju interne fraktalne antene urezane u ploču, što im omogućava da ostvare bolji prijem i pokupe više frekvencija kao što su Bluetooth, mobilni signal i Wi-Fi, sve sa jedne antene u isto vrijeme!

Informacije sa Wikipedije: "Fraktalna antena se značajno razlikuje od tradicionalno dizajnirane antene po tome što može raditi s dobrim performansama na širokom rasponu frekvencija istovremeno. Obično se standardne antene moraju "rezati" na frekvenciji za koju će se koristiti i stoga standardna antena dobro radi samo na ovoj frekvenciji, što fraktalne antene čini odličnim rješenjem za širokopojasne i višepojasne aplikacije.”

Trik je u stvaranju vlastite fraktalne antene koja će rezonirati na frekvenciji koju želite. To znači da će izgledati drugačije i može se drugačije izračunati ovisno o tome šta želite postići. Malo matematike i bit će jasno kako se to radi. (Možete se ograničiti na online kalkulator)

U našem primjeru napravit ćemo jednostavnu antenu, ali možete napraviti složenije antene. Što kompleksnije to bolje. Koristit ćemo kalem pune žice 18 kalibra potrebnu za izradu antene kao primjer, ali možete ići dalje koristeći svoje vlastite ploče za graviranje kako biste napravili manju ili složeniju antenu sa većom rezolucijom i rezonancom.

(tab=TV antena)

U ovom tutorijalu pokušaćemo da kreiramo televizijsku antenu za digitalni signal ili signal visoke rezolucije koji se prenosi preko radio kanala. Sa ovim frekvencijama je lakše raditi, talasne dužine na tim frekvencijama se kreću od pola stope do nekoliko metara dužine za polovinu talasne dužine signala. Za UHF (decitimetarski val) kola, možete dodati direktor (direktor) ili reflektor (reflektor) koji će antenu učiniti više ovisnom o smjeru. VHF (ultra kratkovalna) antena također zavisi od smjera, ali umjesto da usmjerava direktno na TV stanicu, "uši" dipola VHF antene, mora biti okomito na val televizijske stanice koja emituje signal.

Prvo pronađite frekvencije koje želite da primate ili emitujete. Za TV, evo linka do dijagrama frekvencija: http://www.csgnetwork.com/tvfreqtable.html

A za izračunavanje veličine antene koristit ćemo online kalkulator: http://www.kwarc.org/ant-calc.html

Evo dobrog PDF-a o dizajnu i teoriji:skinuti

Kako pronaći talasnu dužinu signala: talasna dužina u stopama = (brzina svetlosti u stopama) / (frekvencija u hercima)

1) Koeficijent brzine svjetlosti u stopama = +983571056.43045

2) Koeficijent brzine svjetlosti u metrima = 299792458

3) Koeficijent brzine svjetlosti u inčima = 11802852700

Odakle početi: (VHF/UHF dipolni niz sa reflektorom koji dobro radi za široki frekvencijski raspon DB2):

(350 MHz je četvrtina vala od 8 inča - poluval od 16 inča, koji spada u ultra-visoki frekventni opseg - između kanala 13 i 14, i koji je središnja frekvencija između VHF-UHF opsega za bolje rezonancija). Ovi zahtjevi se mogu modificirati kako bi bolje funkcionirali u vašem području, jer vaš kanal distribucije može biti niži ili viši u grupi.

Na osnovu materijala sa linkova ispod ( http://uhfhdtvantenna.blogspot.com/ http://budgetiq.wordpress.com/2008/07/29/diy-hd-antenna/ http://members.shaw.ca/hdtvantenna/ i http://current .org/ptv/ptv0821make.pdf) , samo fraktalni dizajni vam omogućavaju da budete kompaktniji i fleksibilniji i mi ćemo koristiti DB2 model, koji ima visoko pojačanje i već je prilično kompaktan i popularan za unutarnju i vanjsku instalaciju.

Osnovni troškovi (košta oko 15 USD):

1. Montažna površina kao što je plastično kućište (8"x6"x3"). http://www.radioshack.com/product/index.jsp?productId=2062285
2. 6 šrafova. Koristio sam samorezne vijke za čelik i lim.
3. Odgovarajući transformator 300 Ohm do 75 Ohm. http://www.radioshack.com/product/index.jsp?productId=2062049
4. Neka čvrsta žica kalibra 18. http://www.radioshack.com/product/index.jsp?productId=2036274
5. Koaksijalni RG-6 sa terminatorima - limiterima (i gumenim omotačem ako se postavlja spolja).
6. Aluminij kada koristite reflektor.
7. Oštrica ili ekvivalent, po mogućnosti sa finim vrhom.
8. Dva para malih kliješta - igle.
9. Vodič je najmanje 8 inča.
10. Uglomjer za mjerenje uglova.
11. Bušilica i svrdlo koje je manjeg prečnika od vaših vijaka.
12. Male kliješta.
13. Odvijač ili šrafciger.

NAPOMENA: HDTV/DTV uređivanje u PDF-u http://www.ruckman.net/downloads-1#FRACTALTEMPLATE

Prvi korak:

Sastavite kućište sa reflektorom ispod plastičnog poklopca:

Drugi korak:

Izbušite male rupe s navojem na suprotnoj strani reflektora na sljedećim pozicijama i postavite provodljivi vijak.

Treći korak:

Izrežite četiri 8" komada žice sa čvrstim jezgrom i otkrijte je.

Četvrti korak:

Pomoću markera označite svaki centimetar na žici. (Ovo su mjesta na kojima ćemo praviti krivine)

peti korak:

Morate ponoviti ovaj korak za svaku žicu. Svaki zavoj na žici će biti jednak 60 stepeni, stvarajući tako fraktal. Podsjeća na jednakostranični trokut. Koristio sam dva para kliješta i kutomjer. Svaka krivina će biti na zarezu od 1". Provjerite jeste li vizualizirali smjer svakog skretanja prije nego što to učinite! Koristite dijagram ispod za pomoć.

Šesti korak:

Izrežite još 2 komada žice dužine najmanje 6 cm i otkrijte ih. Savijte ove žice oko gornjih i donjih vijaka i zavežite ih za sredinu vijka. Tako sva tri dolaze u kontakt. Upotrijebite rezače žice da odrežete neželjene dijelove žice.

Korak sedam:

Postavite i zašrafite sve svoje fraktale uglovima

Korak osam:

Pričvrstite odgovarajući transformator kroz dva vijka u sredini i zategnite ih.

Spremni! Sada možete testirati svoj dizajn!

Kao što možete vidjeti na slici ispod, svaki put kada podijelite svaki dio i kreirate novi trokut sa istom dužinom žice, on može stati u manji prostor, zauzimajući prostor u drugom smjeru.

Prevod: Dmitrij Šahov

U nastavku možete pogledati video o stvaranju fraktalnih antena:

(tab=Wi-Fi antena)

Ranije sam čuo za fraktalne antene i nakon nekog vremena poželeo sam da pokušam da napravim sopstvenu fraktalnu antenu da isprobam ovaj koncept, da tako kažem. Neke od prednosti fraktalnih antena opisanih u istraživačkim radovima o fraktalnim antenama su njihova sposobnost da efikasno primaju višepojasni RF signale dok su relativno male. Odlučio sam da napravim prototip fraktalne antene na osnovu tepiha Sierpinskog.

Dizajnirao sam svoju fraktalnu antenu tako da ima konektor kompatibilan sa mojom ruter Linksys WRT54GS 802.11g. Antena ima niskoprofilni dizajn pojačanja i u preliminarnom testiranju na udaljenosti od 1/2 km od WiFi Link pristupne tačke sa nekoliko stabala na putu, pokazala se prilično dobro. dobri rezultati i stabilnost signala.

Možete preuzeti PDF verzijašablon antene baziran na tepihu Sierpinski koji sam koristio, kao i ostala dokumentacija na ovim linkovima:

Izrada prototipa

Ovo je fotografija sa gotovim prototipom fraktalne antene:

Povezao sam Linksys WRT54GS RP-TNC - konektor na fraktalnu antenu radi testiranja

Kada sam dizajnirao svoj prvi prototip fraktalne antene, bio sam zabrinut da bi proces graviranja na PCB-u mogao izolovati trouglove jedan od drugog, pa sam malo proširio veze između njih. Napomena: Budući da je konačni prijelaz tonera završio preciznije nego što sam očekivao, sljedeća verzija prototipa fraktalne antene će biti prikazana sa finim kontaktnim tačkama između svake od fraktalnih iteracija Sierpinskog trougla. Važno je osigurati da elementi Sierpinskog tepiha (trokuti) budu u kontaktu jedni s drugima, a spojne točke trebaju biti što je moguće tanje:

Dizajn antene je odštampan laserski štampač Pulsar Pro FX. Ovaj proces mi je omogućio da kopiram dizajn antene na bakar presvučen PCB materijal:

Laserski štampana antenska struktura se zatim prenosi na PCB bakreni lim termičkim procesom koristeći modifikovani laminator:

Ovo je bakarni PCB materijal nakon prvog koraka procesa prijenosa tonera:

Sljedeći neophodan korak bio je korištenje Pulsar Pro FX "Green TRF Foil" laminatora na PCB-u. Zelena folija se koristi za popunjavanje praznina ili neravnomjerno zadebljanih premaza u prijenosu tonera:

Ovo je očišćena ploča sa antenskim dizajnom. Ploča je spremna za graviranje:

Ovdje sam maskirao stražnju stranu PCB-a pomoću električne trake:

Koristio sam direktnu metodu jetkanja željeznim hloridom da bih nagrizao ploču za 10 minuta. Direktna metoda jetkanja provodi se spužvom: potrebno je polako obrisati cijelu ploču željeznim kloridom. Zbog opasnosti po zdravlje od upotrebe željeznog hlorida, nosio sam zaštitne naočale i rukavice:

Ovo je ploča nakon graviranja:

Obrisala sam štampana pločaštapić umočen u aceton da biste uklonili slojeve za prijenos tonera. Prilikom čišćenja koristio sam rukavice jer će se aceton apsorbirati kroz tipične rukavice od lateksa za jednokratnu upotrebu:

Probušio sam rupu za konektor antene koristeći bušilicu i svrdlo:

Za svoj prvi prototip koristio sam RP-TNC konektor sa standardnih Linksys antena rutera:

Krupni plan Linksys - kompatibilnog RP-TNC antenskog konektora:

Nanio sam malo vode na PCB u području lemljenja neposredno prije lemljenja:

Sljedeći korak je lemljenje žice od RP-TNC konektora na bazu Sierpinski antene na štampanoj ploči:

Zalemite drugu žicu antenskog konektora na ravan PCB ploče:

Antena je spremna za upotrebu!

UDK 621.396

fraktalna ultra-širokopojasna antena zasnovana na kružnom monopolu

G.I. Abdrakhmanova

Državni vazduhoplovni tehnički univerzitet u Ufi,

Universita degli studi di Trento

Anotacija.U članku se razmatra problem projektiranja ultraširokopojasne antene bazirane na fraktalnoj tehnologiji. Prikazani su rezultati istraživanja promjena karakteristika zračenja u zavisnosti od faktora skale.i nivo iteracije. Izvršena je parametarska optimizacija geometrije antene kako bi se zadovoljili zahtjevi koeficijenta refleksije. Dimenzije razvijene antene su 34 × 28 mm 2, a radni frekvencijski opseg je 3,09 ÷ 15 GHz.

Ključne riječi:ultraširokopojasne radio komunikacije, fraktalna tehnologija, antene, refleksija.

sažetak:U radu je opisan razvoj nove ultraširokopojasne antene na bazi fraktalne tehnologije. Prikazani su rezultati istraživanja promjena karakteristika zračenja u zavisnosti od vrijednosti faktora skale i nivoa iteracije. Primijenjena je parametarska optimizacija geometrije antene za zadovoljavanje zahtjeva za koeficijentom refleksije. Veličina razvijene antene je 28 × 34 mm 2 , a širina pojasa je 3,09 ÷ 15 GHz.

Ključne riječi:ultraširokopojasna radio komunikacija, fraktalna tehnologija, antene, koeficijent refleksije.

1. Uvod

Danas su ultraširokopojasni (UWB) komunikacioni sistemi od velikog interesa za programere i proizvođače telekomunikacione opreme, jer omogućavaju prenos ogromnih tokova podataka velikim brzinama u ultra širokom frekventnom opsegu bez licence. Posebnosti prenijeti signali podrazumijevaju odsustvo moćnih pojačala i složenih komponenti za obradu signala kao dio primopredajnih kompleksa, ali ograničavaju domet (5-10 m).

Nedostatak odgovarajućih element baze, sposoban da efikasno radi sa ultrakratkim impulsima, koči masovno usvajanje UWB tehnologije.

Primopredajne antene su jedan od ključnih elemenata koji utiču na kvalitet prenosa/prijema signala. Glavni pravac patenata i istraživanja u oblasti projektovanja antenske tehnologije za UWB uređaje je minijaturizacija i smanjenje troškova proizvodnje uz obezbeđivanje potrebne frekvencije i energetske karakteristike, kao i u upotrebi novih oblika i struktura.

Dakle, geometrija antene je izgrađena na osnovu spline-a sa pravokutnim utorom u obliku slova U u sredini, što joj omogućava rad u UWB opsegu s funkcijom blokiranja WLAN -opseg, dimenzije antene - 45,6 × 29 mm 2. Asimetrična figura u obliku slova E dimenzija 28×10 mm 2, koja se nalazi na visini od 7 mm u odnosu na vodnu ravninu (50×50 mm 2) odabrana je kao zračeći element. Prikazana je planarna monopolna antena (22x22mm2) projektovana na osnovu pravougaonog zračećeg elementa i lestvičaste rezonantne strukture na poleđini.

2 Izjava o problemu

Zbog činjenice da kružne strukture mogu pružiti prilično širok propusni opseg, pojednostavljen dizajn, malu veličinu i smanjene troškove proizvodnje, u ovom radu se predlaže razvoj UWB antene zasnovane na kružnom monopolu. Potreban radni frekvencijski opseg – 3,1 ÷ 10,6 GHz na nivou koeficijenta refleksije -10 dB S 11, (sl. 1).

Rice. 1. Potrebna maska ​​za refleksiju S 11

U svrhu minijaturizacije, geometrija antene će se modernizirati korištenjem fraktalne tehnologije, što će također omogućiti proučavanje ovisnosti karakteristika zračenja od vrijednosti faktora skaliranja. δ i nivo fraktalne iteracije.

Zatim smo postavili zadatak optimizacije razvijene fraktalne antene kako bismo proširili radni opseg promenom sledećih parametara: dužina centralnog provodnika (CP) koplanarnog talasovoda (HF), dužina uzemljenja (GP ) od HF-a, rastojanje “CP HF - zrači element (IE)”.

Modeliranje antene i numerički eksperimenti se izvode u " CST Mikrovalna Studio".

3 Odabir geometrije antene

Kao osnovni element odabran je kružni monopol, čije dimenzije iznose četvrtinu valne dužine potrebnog raspona:

Gdje L ar– dužina zračivog elementa antene bez uzimanja u obzir CPU-a;f L– donja granična frekvencija,f L = f min uwb = 3,1·10 9 Hz; With– brzina svetlosti, With = 3·10 8 m/s 2 .

Dobijamo L ar= 24,19 mm ≈ 24 mm. Uzimajući u obzir da je krug poluprečnika odr = L ar / 2 = 12 mm, uzimajući originalnu dužinu CPU-aL f takođe jednaka r, dobijamo nultu iteraciju (slika 2).

Rice. 2. Nulta iteracija antene

Debljina dielektrične podlogeT si sa vrijednostima parametaraεs = 3,38, tg δ = 0,0025 se koristi kao osnova na čijoj prednjoj strani IE, CPU i PZ . Istovremeno, udaljenosti" PZ-CP" Zv i "PZ-IE" Z h uzeto jednako 0,76 mm. Vrijednosti ostalih parametara korištenih u procesu modeliranja prikazane su u tabeli 1.

Tabela 1. Parametri antene ( δ = 2)

Antenu napaja koplanarni talasovod koji se sastoji od centralnog provodnika i uzemljenja, SMA -konektor i koplanarni talasovod (CWP) koji se nalazi okomito na njega (slika 3).

Gdje εeff – efektivna dielektrična konstanta:

K – potpuni eliptički integral prve vrste;

Fraktalnost pri konstruisanju antene leži u posebnom načinu pakovanja elemenata: naknadne iteracije antene se formiraju postavljanjem krugova manjeg radijusa u elemente prethodne iteracije. U ovom slučaju, faktor skale δ određuje koliko puta će se razlikovati veličine susjednih iteracija. Ovaj proces za tu priliku δ = 2 je prikazano na sl. 4.

Rice. 4. Prva, druga i treća iteracija antene ( δ = 2)

Dakle, prva iteracija je dobijena oduzimanjem dva kruga poluprečnikar 1 od originalnog elementa. Druga iteracija se formira postavljanjem metalnih krugova prepolovljenih u radijusur 2 u svakom krugu prve iteracije. Treća iteracija je slična prvoj, ali je radijusr 3 . U radu se ispituje vertikalni i horizontalni raspored krugova.

3.1 Horizontalni raspored elemenata

Dinamika promjena koeficijenta refleksije u zavisnosti od nivoa iteracije prikazana je na Sl. 5 for δ = 2 i na Sl. 6 for δ = 3. Svaki novi red odgovara jednoj dodatnoj rezonantnoj frekvenciji. Dakle, nulta iteracija u razmatranom opsegu 0 ÷ 15 GHz odgovara 4 rezonancije, prva iteracija – 5, itd. Štaviše, počevši od druge iteracije, promjene u ponašanju karakteristika postaju manje uočljive.

Rice. 5. Ovisnost koeficijenta refleksije o redoslijedu iteracije ( δ = 2)

Suština modeliranja je da se u svakoj fazi, od karakteristika koje se razmatraju, odabere ona koja je određena kao najperspektivnija. S tim u vezi, uvedeno je sljedeće pravilo:

Ako je višak (razlika) u opsegu gde je polica iznad -10 dB mali, onda treba izabrati karakteristiku koja ima nižu policu u radnom opsegu (ispod -10 dB), pošto je kao rezultat optimizacije prva će biti eliminisan, a drugi je pao još niže.

Rice. 6. Zavisnost koeficijenta refleksije o redoslijedu iteracije ( δ = 3)

Na osnovu primljenih podataka iu skladu sa ovim pravilom za δ = 2 odabrana je kriva koja odgovara prvoj iteraciji δ = 3 – druga iteracija.

Zatim se predlaže proučavanje ovisnosti koeficijenta refleksije o vrijednosti faktora skale. Razmotrite promjenu δ u opsegu 2 ÷ 6 sa korakom 1 unutar prve i druge iteracije (sl. 7, 8).

Zanimljivo ponašanje grafova je da, počevši od δ = 3, karakteristike postaju ravnije i glatkije, broj rezonancija ostaje konstantan, a raste δ praćeno povećanjem nivoa S 11 u parnim rasponima i smanjenje u neparnim.

Rice. 7. Zavisnost koeficijenta refleksije od faktora skale za prvu iteraciju ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

U ovom slučaju, vrijednost odabrana za obje iteracije je δ = 6.

Rice. 8. Zavisnost koeficijenta refleksije od faktora skale za drugu iteraciju ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

δ = 6, pošto ga karakterišu najniže police i najdublje rezonancije (slika 9).

Rice. 9. Poređenje S 11

3.2 Vertikalni raspored elemenata

Dinamika promjena koeficijenta refleksije u zavisnosti od nivoa iteracije za slučaj vertikalnog rasporeda krugova prikazana je na Sl. 10 for δ = 2 i na Sl. 11 for δ = 3.

Rice. 10. Ovisnost koeficijenta refleksije o redoslijedu iteracije ( δ = 2)

Na osnovu dobijenih podataka iu skladu sa pravilom za δ = 2 i δ = 3 odabrana je kriva koja odgovara trećoj iteraciji.

Rice. 11. Ovisnost koeficijenta refleksije o redoslijedu iteracije ( δ = 3)

Razmatranje zavisnosti koeficijenta refleksije od vrednosti faktora skale u prvoj i drugoj iteraciji (sl. 12, 13) otkriva optimalnu vrednost δ = 6, kao u slučaju horizontalnog rasporeda.

Rice. 12. Zavisnost koeficijenta refleksije od faktora skale za prvu iteraciju ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

U ovom slučaju, vrijednost odabrana za obje iteracije je δ = 6, što takođe predstavljan-višestruki fraktal, što znači da će možda morati da kombinuje karakteristike δ = 2 i δ = 3.

Rice. 13. Zavisnost koeficijenta refleksije od faktora skale za drugu iteraciju ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

Tako je od četiri upoređene opcije odabrana kriva koja odgovara drugoj iteraciji, δ = 6, kao u prethodnom slučaju (slika 14).

Rice. 14. Poređenje S 11 za četiri razmatrane geometrije antena

3.3 Poređenje

Razmatrati najbolje opcije vertikalne i horizontalne geometrije dobijene u prethodna dva pododjeljka, izbor je napravljen na prvom (slika 15), iako u ovom slučaju razlika između ovih opcija nije tako velika. Opsezi radne frekvencije: 3,825÷4,242 GHz i 6,969÷13,2 GHz. Zatim će se dizajn modernizirati kako bi se razvila antena koja radi u cijelom UWB opsegu.

Rice. 15. Poređenje S 11 da odaberete konačnu opciju

4 Optimizacija

Ovaj odeljak govori o optimizaciji antene na osnovu druge iteracije fraktala sa vrednošću koeficijenta δ = 6. Varijabilni parametri su prikazani u , a rasponi njihovih promjena su u tabeli 2.

Rice. 20. Izgled antene: a) prednja strana; b) poleđina

Na sl. 20 prikazuje karakteristike koje odražavaju dinamiku promjena S 11 korak po korak i dokazivanje valjanosti svake naredne radnje. Tabela 4 prikazuje rezonantne i granične frekvencije koje se dalje koriste za izračunavanje površinskih struja i obrazaca zračenja.

Table 3. Izračunati parametri antene

Distribucija površinskih struja antene na rezonantnim i graničnim frekvencijama UWB opsega prikazana je na Sl. 21, a obrasci zračenja su na Sl. 22.

a) 3,09 GHz b) 3,6 GHz

c) 6,195 GHz d) 8,85 GHz

e) 10,6 GHz f) 12,87 GHz

Rice. 21. Raspodjela površinskih struja

A) F(φ ), θ = 0° b) F(φ ), θ = 90°

V) F(θ ), φ = 0° g) F(θ ), φ = 90°

Rice. 22. Obrasci zračenja u polarnom koordinatnom sistemu

5 Zaključak

Ovaj rad predstavlja novu metodu projektovanja UWB antena zasnovanu na upotrebi fraktalne tehnologije. Ovaj proces uključuje dvije faze. U početku se geometrija antene određuje odabirom odgovarajućeg faktora skaliranja i fraktalnog nivoa iteracije. Zatim se na rezultujuću formu primenjuje parametarska optimizacija zasnovana na proučavanju uticaja veličina ključnih komponenti antene na karakteristike zračenja.

Utvrđeno je da kako se red iteracije povećava, broj rezonantnih frekvencija raste, a povećanje faktora skale unutar jedne iteracije karakterizira ravnomjernije ponašanje S 11 i postojanost rezonancija (počevši od δ = 3).

Razvijena antena omogućava visokokvalitetan prijem signala u frekvencijskom opsegu 3,09 ÷ 15 GHz u smislu nivoa S 11 < -10 дБ. Помимо этого антенна характеризуется малыми размерами 34×28 мм 2 , а следовательно может быть успешно применена в СШП приложениях.

6 Priznanja

Studija je podržana grantom Evropske unije " Erasmus Mundus akcija 2", takođe A.G.I. hvala profesoru Paolo Rocca za korisnu diskusiju.

Književnost

1. L . Lizzi, G. Oliveri, P. Rocca, A. Massa. Planarna monopolna UWB antena sa UNII1/UNII2 WLAN-band karakteristikama urezanih. Napredak u istraživanju elektromagnetike B, Vol. 25, 2010. – 277-292 str.

2. H. Malekpoor, S. Jam. Ultra-širokopojasne kratkopojasne antene napajane preklopljenim patch-om sa više rezonancija. Napredak u istraživanju elektromagnetike B, Vol. 44, 2012. – 309-326 str.

3. R.A. Sadeghzaden-Sheikhan, M. Naser-Moghadasi, E. Ebadifallah, H. Rousta, M. Katouli, B.S. Virdee. Planarna monopolna antena koja koristi rezonantnu strukturu u obliku merdevina na zadnjoj ravni za ultraširokopojasne performanse. IET mikrovalne pećnice, antene i propagacija, Vol. 4, br. 9, 2010. – 1327-1335 str.

4. Revizija dijela 15. Pravila Komisije u vezi sa ultraširokopojasnim sistemima prijenosa, Federalna komisija za komunikacije, FCC 02-48, 2002. – 118 str.

Pošaljite svoj dobar rad u bazu znanja je jednostavno. Koristite obrazac ispod

Studenti, postdiplomci, mladi naučnici koji koriste bazu znanja u svom studiranju i radu biće vam veoma zahvalni.

Objavljeno na http://www.allbest.ru/

Uvod

Antena je radio uređaj dizajniran da emituje ili prima elektromagnetne talase. Antena je jedan od najvažnijih elemenata svake radiotehnički sistem povezane sa emitovanjem ili prijemom radio talasa. Takvi sistemi uključuju: sisteme radio komunikacije, radio-difuziju, televiziju, radio kontrolu, radio relejne komunikacije, radar, radio astronomiju, radio navigaciju itd.

Strukturno, antena se sastoji od žica, metalnih površina, dielektrika i magnetodielektrika. Namjena antene je ilustrovana pojednostavljenim dijagramom radio veze. Visokofrekventne elektromagnetne oscilacije, modulirane korisnim signalom i koje stvara generator, pretvaraju se od predajne antene u elektromagnetne valove i zrače u svemir. Obično se elektromagnetski valovi dovode od odašiljača do antene ne direktno, već pomoću dalekovoda (voda za prijenos elektromagnetskih valova, fider).

U ovom slučaju, elektromagnetski valovi povezani s njim šire se duž fidera, koje antena pretvara u divergentne elektromagnetne valove slobodnog prostora.

Prijemna antena hvata slobodne radio talase i pretvara ih u spregnute talase, koji se putem fidera dovode do prijemnika. U skladu sa principom reverzibilnosti antene, svojstva antene koja radi u režimu odašiljanja se ne menjaju kada ova antena radi u režimu prijema.

Uređaji slični antenama također se koriste za pobuđivanje elektromagnetnih oscilacija u razne vrste talasovodi i volumetrijski rezonatori.

1. Glavne karakteristike antena

1.1 Kratke informacije o glavnim parametrima antena

Prilikom odabira antena upoređuju se njihove glavne karakteristike: radni frekvencijski opseg (propusnost), pojačanje, dijagram zračenja, ulazna impedansa, polarizacija. Kvantitativno, pojačanje antene Ga pokazuje koliko je puta snaga signala koju prima data antena veća od snage signala koju prima najjednostavnija antena - polutalasni vibrator (izotropni emiter) postavljen u istoj tački u prostoru. Pojačanje se izražava u decibelima dB ili dB. Mora se napraviti razlika između pojačanja definisanog iznad, označenog dB ili dBd (u odnosu na dipolni ili polutalasni vibrator), i pojačanja u odnosu na izotropni radijator, označenog dBi ili dB ISO. U svakom slučaju, potrebno je uporediti slične vrijednosti. Poželjno je imati antenu sa velikim pojačanjem, ali povećanje pojačanja obično zahteva povećanje složenosti njenog dizajna i dimenzija. Ne postoje jednostavne antene male veličine sa velikim pojačanjem. Shema zračenja (RP) antene pokazuje kako antena prima signale iz različitih smjerova. U ovom slučaju, potrebno je uzeti u obzir dijagram antene iu horizontalnoj iu vertikalnoj ravnini. Omnidirekcione antene u bilo kojoj ravnini imaju uzorak u obliku kruga, odnosno antena može podjednako primati signale iz svih smjerova, na primjer, uzorak zračenja okomite šipke u horizontalnoj ravnini. Usmjerenu antenu karakterizira prisustvo jednog ili nekoliko režnjeva uzorka, od kojih se najveći naziva glavnim. Obično, pored glavnog, postoji stražnji i bočne režnjeve, čiji je nivo znatno manji od glavnog režnja, ipak pogoršava performanse antene, zbog čega nastoje da smanje njihov nivo što je više moguće.

Ulazna impedancija antene smatra se omjerom trenutnih vrijednosti napona i struje signala na tačkama napajanja antene. Ako su napon i struja signala u fazi, onda je omjer realna vrijednost i ulazni otpor je čisto aktivan. Kada se faze pomjeraju, osim aktivne komponente, pojavljuje se i reaktivna komponenta - induktivna ili kapacitivna, ovisno o tome da li faza struje zaostaje za naponom ili je napreduje. Ulazna impedansa zavisi od frekvencije primljenog signala. Pored navedenih glavnih karakteristika, antene imaju niz drugih važnih parametara, kao što je koeficijent stajanja SWR talasi(SWR - omjer stojećeg talasa), nivo unakrsne polarizacije, opseg radne temperature, opterećenja vjetrom, itd.

1.2 Klasifikacija antena

Antene se mogu klasifikovati prema različitim kriterijumima: prema principu LW-opsega, prema prirodi zračećih elemenata (antene sa linearnim strujama, ili vibratorske antene, antene koje emituju kroz otvor - otvorne antene, površinske antene); prema vrsti radiotehničkog sistema u kojem se antena koristi (antene za radio komunikacije, radio-difuziju, televiziju itd.). Pridržavat ćemo se klasifikacije asortimana. Iako se antene sa istim (tipom) zračećih elemenata vrlo često koriste u različitim valnim opsezima, njihov dizajn je različit; Parametri ovih antena i zahtjevi za njima također se značajno razlikuju.

Razmatraju se antene sledećih talasnih opsega (nazivi opsega dati su u skladu sa preporukama „Radio pravilnika”; nazivi koji se široko koriste u literaturi o antenskim fiderskim uređajima su navedeni u zagradama): mirijametar (ultra -dugi) talasi (); kilometarski (dugi) talasi (); hektometarski (prosječni) talasi (); dekametarski (kratki) talasi (); meterwaves(); decimetarski talasi (); centimeterwaves(); milimetarski talasi (). Posljednja četiri pojasa se ponekad kombinuju pod zajedničkim nazivom "ultra-kratki talasi" (VHF).

1.2.1 Opsezi antene

Posljednjih godina tržište radio komunikacija i emitiranja je vidjelo veliki broj nove komunikacione sisteme za različite namene, koji imaju razne karakteristike. Sa stanovišta korisnika, pri izboru radio komunikacionog sistema ili sistema za emitovanje, pažnja se prvo poklanja kvalitetu komunikacije (emitovanja), kao i jednostavnosti korišćenja ovog sistema (korisničkog terminala), koja je određena dimenzije, težina, jednostavnost rukovanja i popis dodatnih funkcija. Svi ovi parametri značajno su determinisani tipom i konstrukcijom antenskih uređaja i elemenata antensko-feeder putanje razmatranog sistema, bez kojih je nezamisliva radio komunikacija. Zauzvrat, odlučujući faktor u dizajnu i efikasnosti antena je njihov radni frekvencijski opseg.

U skladu sa prihvaćenom klasifikacijom frekvencijskih opsega, razlikuje se nekoliko velikih klasa (grupa) antena, koje se međusobno suštinski razlikuju: antene ultra-dugotalasnog (VLF) i dugotalasnog (LW) opsega; srednjetalasne (MF) antene; kratkotalasne (HF) antene; ultrakratkotalasne (VHF) antene; mikrotalasne antene.

Najpopularniji posljednjih godina sa stanovišta pružanja osobnih komunikacijskih usluga, radio i televizijskog emitiranja su HF, VHF i mikrovalni radio sistemi, o čijim će antenskim uređajima biti riječi u nastavku. Treba napomenuti da, uprkos naizgled nemogućnosti izmišljanja nečeg novog u antenskom poslu, posljednjih godina, na osnovu novih tehnologija i principa, napravljena su značajna poboljšanja klasičnih antena i razvijene su nove antene koje se suštinski razlikuju od dosadašnjih. postojećih po dizajnu, veličini, osnovnim karakteristikama itd., što je dovelo do značajnog povećanja broja tipova antenskih uređaja koji se koriste u savremenim radio sistemima.

U bilo kom sistemu radio komunikacije mogu postojati antenski uređaji dizajnirani samo za odašiljanje, za odašiljanje i prijem ili samo za prijem.

Za svaki frekventni opseg potrebno je razlikovati i antenske sisteme radio uređaja sa usmjerenim i neusmjerenim (omnidirekcionim) djelovanjem, što je pak određeno namjenom uređaja (komunikacija, emitiranje itd.), tj. zadatke koje uređaj rješava (obavještavanje, komunikacija, emitiranje, itd.). Općenito, za povećanje usmjerenosti antena (za sužavanje dijagrama zračenja) mogu se koristiti antenski nizovi, koji se sastoje od elementarnih radijatora (antena), koji, pod određenim uvjetima njihovog faziranja, mogu obezbijediti potrebne promjene u smjeru antenski snop u prostoru (obezbeđuju kontrolu položaja dijagrama zračenja antene). Unutar svakog opsega moguće je razlikovati i antenske uređaje koji rade samo na određenoj frekvenciji (jednofrekventna ili uskopojasna) i antene koje rade u prilično širokom rasponu frekvencija (širokopojasne ili širokopojasne).

1.3 Zračenje iz antenskih nizova

Za postizanje visoke usmjerenosti zračenja, koja je često potrebna u praksi, možete koristiti sistem slabo usmjerenih antena, kao što su vibratori, prorezi, otvoreni krajevi valovoda i dr., smještenih na određeni način u prostoru i pobuđenih strujama sa potrebnim amplituda i odnos faza. U ovom slučaju, ukupna usmjerenost, posebno kod velikog broja emitera, uglavnom je određena ukupne dimenzije cjelokupnog sistema i, u mnogo manjoj mjeri, individualnim svojstvima usmjerenosti pojedinih emitera.

Takvi sistemi uključuju antenske nizove (AR). Tipično, AR je sistem identičnih zračećih elemenata, identično orijentiranih u prostoru i smještenih prema određenom zakonu. Ovisno o lokaciji elemenata, razlikuju se linearne, površinske i volumetrijske rešetke, među kojima su najčešće pravocrtne i ravne AR. Ponekad se zračeći elementi nalaze duž kružnog luka ili na zakrivljenim površinama koje se poklapaju s oblikom objekta na kojem se nalazi AR (konformni AR).

Najjednostavniji je linearni niz, u kojem se zračeći elementi nalaze duž prave linije, koja se naziva osa niza, na jednakim udaljenostima jedan od drugog (ekvidistantni niz). Udaljenost d između faznih centara emitera naziva se korak rešetke. Linearni AR, pored svog nezavisnog značaja, često je osnova za analizu drugih tipova AR.

2 . Analiza perspektivnih antenskih struktura

2.1 HF i VHF antene

Slika 1 - Antena bazne stanice

U HF i VHF opsezima trenutno radi veliki broj radio sistema različite namjene: komunikacije (radio relejni, celularni, tranking, satelitski, itd.), radio i televizijsko emitovanje. Prema dizajnu i karakteristikama, svi antenski uređaji ovih sistema mogu se podijeliti u dvije glavne grupe - antene stacionarnih uređaja i antene mobilnih uređaja. Stacionarne antene obuhvataju antene baznih komunikacionih stanica, prijemne televizijske antene, antene radio relejnih komunikacionih linija, a mobilne antene obuhvataju antene ličnih komunikacionih korisničkih terminala, automobilske antene i antene nosivih (prenosnih) radio stanica.

Antene baznih stanica su uglavnom omnidirekcione u horizontalnoj ravni, jer pružaju komunikaciju uglavnom sa pokretnim objektima. Najrasprostranjenije antene vertikalne polarizacije su tipa “Ground Plane” (“GP”) zbog jednostavnosti njihovog dizajna i dovoljne efikasnosti. Takva antena je vertikalni štap dužine L, odabran u skladu sa radnom talasnom dužinom l, sa tri ili više protivtega, obično postavljenih na jarbol (slika 1).

Dužina klinova L je l/4, l/2 i 5/8l, a protivutezi se kreću od 0,25l do 0,1l. Ulazna impedansa antene zavisi od ugla između protivutega i jarbola: što je ovaj ugao manji (što su protivutezi više pritisnuti na jarbol), to je veći otpor. Konkretno, za antenu sa L = l/4, ulazna impedancija od 50 Ohma se postiže pod uglom od 30°...45°. Dijagram zračenja takve antene u vertikalnoj ravni ima maksimum pod uglom od 30° prema horizontu. Pojačanje antene je jednako pojačanju vertikalnog polutalasnog dipola. U ovom dizajnu, međutim, nema veze između igle i jarbola, što zahtijeva dodatnu upotrebu kratko spojenog kabla dužine l/4 radi zaštite antene od grmljavine i statičkog elektriciteta.

Antena dužine L = l/2 ne treba protivteže, čiju ulogu ima jarbol, a njen uzorak u vertikalnoj ravni je više pritisnut na horizont, što povećava njen domet. U ovom slučaju se koristi visokofrekventni transformator za snižavanje ulazne impedanse, a baza pina je povezana sa uzemljenim jarbolom preko odgovarajućeg transformatora, čime se automatski rješava problem zaštite od groma i statičkog elektriciteta. Pojačanje antene u poređenju sa polutalasnim dipolom je oko 4 dB.

Najefikasnija od “GP” antena za komunikaciju na daljinu je antena sa L = 5/8l. Nešto je duži od polutalasne antene, a napojni kabl je spojen na odgovarajuću induktivnost koja se nalazi na dnu vibratora. Protivtegovi (najmanje 3) nalaze se u horizontalnoj ravni. Pojačanje takve antene je 5-6 dB, maksimalni DP se nalazi pod uglom od 15° prema horizontu, a sam pin je uzemljen na jarbol kroz odgovarajući kalem. Ove antene su uže od polutalasnih antena i stoga zahtijevaju pažljivije podešavanje.

Slika 2 - Polutalasna vibratorna antena

Slika 3 - Rombična antena polutalasnog vibratora

Većina baznih antena je instalirana na krovovima, što može uvelike uticati na njihove performanse, pa se mora uzeti u obzir sledeće:

Preporučljivo je postaviti bazu antene ne niže od 3 metra od ravni krova;

U blizini antene ne bi trebalo biti metalnih predmeta ili konstrukcija (televizijske antene, žice, itd.);

Preporučljivo je postaviti antene što je više moguće;

Rad antene ne smije ometati druge bazne stanice.

Značajnu ulogu u uspostavljanju stabilne radio komunikacije igra polarizacija primljenog (emitovanog) signala; Budući da površinski val tijekom širenja na velike udaljenosti doživljava znatno manje slabljenje s horizontalnom polarizacijom, onda se za daljinske radio komunikacije, kao i za televizijski prijenos, koriste antene s horizontalnom polarizacijom (vibratori se nalaze horizontalno).

Najjednostavnija od usmjerenih antena je polutalasni vibrator. Za simetrični polutalasni vibrator, ukupna dužina njegova dva identična kraka je približno jednaka l/2 (0,95 l/2), dijagram zračenja ima oblik osmice u horizontalnoj ravni i kruga u vertikalnoj avion. Pojačanje, kao što je gore navedeno, uzima se kao jedinica mjere.

Ako je ugao između vibratora takve antene jednak 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.

Kada se dvije antene tipa V povežu na način da se njihovi dijagrami zbroje, dobije se rombična antena kod koje je usmjerenost znatno izraženija (slika 3).

Prilikom spajanja na vrh dijamanta, nasuprot tačaka napajanja, otpornik opterećenja Rn, rasipanje snage jednake polovini snage predajnika, postiže se potiskivanje zadnjeg režnja uzorka za 15...20 dB. Smjer glavnog režnja u horizontalnoj ravni poklapa se sa dijagonalom a. U vertikalnoj ravni, glavni režanj je orijentisan horizontalno.

Jedna od najboljih relativno jednostavnih usmjerenih antena je petljasta antena s "dvostrukim kvadratom", čije je pojačanje 8...9 dB, potiskivanje zadnjeg režnja uzorka nije manje od 20 dB, polarizacija je vertikalna.

Slika 4 - Antena sa talasnim kanalom

Najrasprostranjenije, posebno u VHF opsegu, su antene tipa "talasni kanal" (u stranoj literaturi - antene Uda-Yagi), budući da su prilično kompaktne i daju velike vrijednosti Ga​​​​s relativno malim dimenzijama. Antene ovog tipa su skup elemenata: aktivni - vibrator i pasivni - reflektor i nekoliko direktora instaliranih na jednom zajedničkom nosaču (slika 4). Takve antene, posebno one sa velikim brojem elemenata, zahtijevaju pažljivo podešavanje tokom proizvodnje. Za antenu sa tri elementa (vibrator, reflektor i jedan direktor) osnovne karakteristike se mogu postići bez dodatne konfiguracije.

Složenost antena ovog tipa leži i u činjenici da ulazna impedansa antene zavisi od broja pasivnih elemenata i značajno zavisi od konfiguracije antene, zbog čega se u literaturi često ne navodi tačna vrednost antene. ulazna impedansa takvih antena. Konkretno, kada koristite vibrator petlje Pistolkors, koji ima ulaznu impedanciju od oko 300 Ohma, kao vibrator, s povećanjem broja pasivnih elemenata, ulazna impedancija antene se smanjuje i dostiže vrijednosti od 30-50 Ohma, što dovodi do neusklađenosti sa fiderom i zahtijeva dodatno usklađivanje. Sa povećanjem broja pasivnih elemenata, dijagram antene se sužava i pojačanje se povećava, na primjer, za antene od tri i pet elemenata, pojačanja su 5...6 dB i 8...9 dB sa širina glavnog snopa uzorka 70º i 50º, respektivno.

Više širokopojasne u odnosu na antene tipa „talasnog kanala“ i koje ne zahtevaju podešavanje su antene putujućih talasa (AWA), u kojima su svi vibratori, koji se nalaze na istoj udaljenosti jedan od drugog, aktivni i povezani na sabirnu liniju (slika 5). Energija signala koju primaju zbraja se u sabirnoj liniji gotovo u fazi i ulazi u dovod. Pojačanje ovakvih antena je određeno dužinom sabirne linije, proporcionalno je odnosu ove dužine i talasne dužine primljenog signala i zavisi od svojstava usmerenosti vibratora. Konkretno, za ABC sa šest vibratora različitih dužina koji odgovaraju traženom frekventnom opsegu i koji se nalaze pod uglom od 60° u odnosu na sabirnu liniju, pojačanje se kreće od 4 dB do 9 dB unutar radnog opsega, a nivo povratnog zračenja je 14 dB niže.

Slika 5 - Antena putujućeg talasa

Slika 6 - Antena sa strukturom logaritamske periodičnosti ili logaritamska periodična antena

Svojstva usmerenosti razmatranih antena variraju u zavisnosti od talasne dužine primljenog signala. Jedna od najčešćih vrsta antena sa konstantnim oblikom dijagrama u širokom frekventnom opsegu su antene sa logaritamskom periodičnošću strukture ili logaritamske periodične antene (LPA). Imaju širok raspon: maksimalna valna dužina primljenog signala premašuje minimalnu za više od 10 puta. Istovremeno je osigurano dobro usklađivanje antene sa fiderom u cijelom radnom opsegu, a pojačanje ostaje praktično nepromijenjeno. Sabirnu liniju LPA obično čine dva provodnika smještena jedan iznad drugog, na koje su krakovi vibratora pričvršćeni vodoravno, jedan po jedan (slika 6, pogled odozgo).

Pokazalo se da su LPA vibratori upisani u jednakokraki trokut sa uglom na vrhu b i osnovom jednakom najvećem vibratoru. Radni opseg antene je određen dimenzijama najdužeg i najkraćeg vibratora. Za logaritamsku antensku strukturu mora biti zadovoljen određeni odnos između dužina susjednih vibratora, kao i između udaljenosti od njih do vrha strukture. Ovaj odnos se naziva period strukture f:

B2? B1=B3? B2=A2? A1=A3? A2=…=f

Tako se veličina vibratora i udaljenost do njih od vrha trokuta eksponencijalno smanjuju. Karakteristike antene određene su vrijednostima f i b. Što je manji ugao b i veći b (b je uvek manji od 1), to je veće pojačanje antene i niži nivo zadnjeg i bočnog dela dijagrama zračenja. Međutim, istovremeno se povećava broj vibratora, povećavaju se dimenzije i težina antene. Optimalne vrijednosti za ugao b biraju se unutar 3ê…60ê, a φ - 0,7…0,9.

U zavisnosti od talasne dužine primljenog signala, u strukturi antene se pobuđuje nekoliko vibratora, čije su dimenzije najbliže polovini talasne dužine signala, pa je LPA u principu sličan nekoliko antena „talasnog kanala“ povezanih zajedno, svaka od kojih sadrži vibrator, reflektor i direktor. Na određenoj talasnoj dužini signala pobuđuje se samo jedan trio vibratora, a ostali su toliko podešeni da ne utiču na rad antene. Stoga se ispostavlja da je pojačanje LPA manje od pojačanja antene "talasnog kanala" s istim brojem elemenata, ali se ispostavlja da je propusni opseg LPA mnogo širi. Dakle, za LPA koji se sastoji od deset vibratora i vrijednosti b = 45ê, f = 0,84, izračunati dobitak je 6 dB, što se praktički ne mijenja u cijelom rasponu radnih frekvencija.

Za radiorelejne komunikacijske linije vrlo je važno imati uski dijagram zračenja kako ne bi ometao drugu radio-elektronsku opremu i osigurao kvalitetnu komunikaciju. Za sužavanje uzorka, široko se koriste antenski nizovi (AR), koji sužavaju uzorak u različitim ravninama i daju različite vrijednosti širine glavnog režnja. Sasvim je jasno da geometrijske dimenzije antenskog niza i karakteristike dijagrama zračenja značajno ovise o rasponu radnih frekvencija - što je frekvencija veća, to će niz biti kompaktniji i uži dijagram zračenja, a samim tim i , veći je dobitak. Za iste frekvencije, sa povećanjem veličine AR-a (broj elementarnih emitera), obrazac će se suziti.

Za VHF opseg često se koriste nizovi koji se sastoje od vibratorskih antena (loop vibratora), čiji broj može doseći nekoliko desetina, pojačanje se povećava na 15 dB i više, a širina uzorka u bilo kojoj ravnini može se suziti na 10º , na primjer za 16 vertikalno postavljenih vibratora petlje u frekvencijskom opsegu 395…535 MHz, obrazac se sužava u vertikalnoj ravni na 10º.

Glavni tip antena koji se koristi u korisničkim terminalima su vertikalno polarizirane bičaste antene, koje imaju kružni uzorak u horizontalnoj ravni. Efikasnost ovih antena je prilično niska zbog niskih vrijednosti pojačanja, kao i zbog uticaja okolnih objekata na dijagram zračenja, kao i zbog nedostatka odgovarajućeg uzemljenja i ograničenja geometrijskih dimenzija antena. Ovo posljednje zahtijeva visokokvalitetno usklađivanje antene s ulaznim krugovima radio uređaja. Tipične opcije usklađivanja dizajna su induktivnost raspoređena duž dužine i induktivnost na dnu antene. Za povećanje dometa radio komunikacije koriste se posebne proširene antene duge nekoliko metara, čime se postiže značajno povećanje razine primljenog signala.

Trenutno postoji mnogo vrsta auto antena, koje se razlikuju po izgledu, dizajnu i cijeni. Ove antene podliježu strogim zahtjevima za mehaničke, električne, operativne i estetske parametre. Najbolji rezultati u pogledu dometa komunikacije postižu se antenom pune veličine dužine l/4, međutim, velike geometrijske dimenzije nisu uvijek prikladne, pa se koriste različite metode skraćivanja antena bez značajnog pogoršanja njihovih karakteristika. Da obezbedi celularne komunikacije U automobilima se mogu koristiti mikrotrakaste rezonantne antene (single-, dual- i tri-band) koje ne zahtijevaju ugradnju vanjskih dijelova, jer su pričvršćene na unutrašnju stranu stakla automobila. Takve antene obezbeđuju prijem i prenos vertikalno polarizovanih signala u frekvencijskom opsegu 450...1900 MHz, a imaju pojačanje do 2 dB.

2.1.1 Opšte karakteristike mikrotalasnih antena

U mikrotalasnom opsegu poslednjih godina takođe je došlo do povećanja broja komunikacionih i radiodifuznih sistema, kako ranije postojećih, tako i novorazvijenih. Za zemaljske sisteme - to su radio relejni komunikacioni sistemi, radio i televizijsko emitovanje, sistemi mobilne televizije itd., za satelitske sisteme - direktno televizijsko emitovanje, telefon, faks, pejdžing komunikacije, video konferencije, pristup Internetu itd. Frekvencijski opsezi koji se koriste za ove vrste komunikacija i emitovanja odgovaraju dijelovima frekvencijskog spektra koji su dodijeljeni za ove svrhe, a glavni su: 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. Ponekad u tehničkoj literaturi mikrotalasni opseg uključuje sisteme koji rade na frekvencijama iznad 1 GHz, iako ovaj opseg striktno počinje od 3 GHz.

Za zemaljske mikrotalasne sisteme, antenski uređaji su male veličine ogledala, rog, rog-leće antene, postavljene na jarbolima i zaštićene od štetnih atmosferskih uticaja. Usmjerene antene, ovisno o namjeni, dizajnu i frekvencijskom rasponu, imaju širok raspon karakteristika, i to: u pojačanju - od 12 do 50 dB, u širini snopa (nivo - 3 dB) - od 3,5 do 120º. Pored toga, sistemi za celularnu televiziju koriste bikonične omnidirekcione (u horizontalnoj ravni) antene, koje se sastoje od dva metalna konusa čiji su vrhovi okrenuti jedan prema drugom, dielektrične leće postavljene između čunjeva i uređaja za pobuđivanje. Takve antene imaju pojačanje od 7...10 dB, širina glavnog režnja u vertikalnoj ravni je 8...15ê, a nivo bočnih režnjeva nije gori od minus 14 dB.

3. Analiza mogućih metoda za sintezu fraktalnih struktura antene

3.1 Fraktalne antene

Fraktalne antene su relativno nova klasa električnih malih antena (EMA), koje se fundamentalno razlikuju po svojoj geometriji od poznatih rješenja. U stvari, tradicionalna evolucija antena bila je zasnovana na euklidskoj geometriji, operišući sa objektima celobrojne dimenzije (linija, krug, elipsa, paraboloid, itd.). Glavna razlika između fraktalnih geometrijskih oblika je njihova frakcijska dimenzija, koja se eksterno manifestuje u rekurzivnom ponavljanju originalnih determinističkih ili nasumičnih obrazaca u rastućoj ili opadajućoj skali. Fraktalne tehnologije postale su široko rasprostranjene u razvoju alata za filtriranje signala, sintezi trodimenzionalnih kompjuterskih modela prirodnih pejzaža i kompresiji slike. Sasvim je prirodno da fraktalna "moda" nije zaobišla teoriju antena. Štaviše, prototip modernih fraktalnih tehnologija u antenskoj tehnologiji bili su logperiodični i spiralni dizajni predloženi sredinom 60-ih godina prošlog stoljeća. Istina, u strogom matematičkom smislu, takve strukture u vrijeme razvoja nisu imale nikakve veze sa fraktalnom geometrijom, budući da su zapravo samo fraktali prve vrste. Trenutno, istraživači, uglavnom putem pokušaja i grešaka, pokušavaju koristiti poznate fraktale u geometriji u antenskim rješenjima. Kao rezultat simulacijskog modeliranja i eksperimenata, utvrđeno je da fraktalne antene omogućavaju postizanje gotovo istog dobitka kao i konvencionalne, ali sa manjim dimenzijama, što je važno za mobilne aplikacije. Razmotrimo rezultate dobijene u oblasti stvaranja fraktalnih antena različitih tipova.

Rezultati istraživanja karakteristika novog dizajna antene koje je objavio Cohen privukli su pažnju stručnjaka. Zahvaljujući naporima mnogih istraživača, danas se teorija fraktalnih antena pretvorila u nezavisan, prilično razvijen aparat za sintezu i analizu EMA.

3.2 Svojstvafraktalne antene

SFC se mogu koristiti kao šabloni za izradu monopola i dipolnih krakova, formiranje topologije štampanih antena, površina za odabir frekvencije (FSS) ili reflektorskih školjki, konstruisanje kontura kružnih antena i profila otvora rogova, kao i glodanje proreza u slot antenama.

Eksperimentalni podaci koje su Cushcraft stručnjaci dobili za Kochovu krivulju, četiri iteracije kvadratnog vala i spiralne antene omogućavaju nam da uporedimo električna svojstva Kochove antene s drugim emiterima s periodičnom strukturom. Svi upoređeni emiteri su imali višefrekventna svojstva, što se manifestovalo u prisustvu periodičnih rezonancija u grafovima impedanse. Međutim, za višepojasne aplikacije najprikladniji je Koch fraktal, za koji se sa povećanjem frekvencije vršne vrijednosti reaktivnog i aktivnog otpora smanjuju, dok se za meandar i spiralu povećavaju.

Općenito, treba napomenuti da je teško teorijski zamisliti mehanizam interakcije između fraktalne prijemne antene i elektromagnetnih valova koji na nju upadaju zbog nedostatka analitičkog opisa valnih procesa u vodiču sa složenom topologijom. U takvoj situaciji preporučljivo je matematičkim modeliranjem odrediti glavne parametre fraktalnih antena.

Primjer konstruiranja prve samoslične fraktalne krivulje demonstrirao je 1890. talijanski matematičar Giuseppe Peano. U granici, linija koju je predložio u potpunosti ispunjava kvadrat, obilazeći sve njegove tačke (slika 9). Naknadno su pronađeni i drugi slični predmeti, koji su po otkrivaču njihove porodice dobili opći naziv "Peano curves". Istina, zbog čisto analitičkog opisa krive koju je predložio Peano, nastala je konfuzija u klasifikaciji SFC linija. U stvari, naziv “Peano krive” treba dati samo originalnim krivuljama, čija konstrukcija odgovara analitici koju je objavio Peano (slika 10).

Slika 9 - Iteracije Peano krive: a) početna linija, b) prva, c) druga i d) treća iteracija

Slika 10 – Iteracije polilinije koju je predložio Hilbert 1891. godine

Često se tumači kao rekurzivna Peano kriva

Stoga, da bi se precizirali predmeti antenske tehnologije koji se razmatraju, prilikom opisivanja jednog ili drugog oblika fraktalne antene treba, ako je moguće, navesti imena autora koji su predložili odgovarajuću modifikaciju SFC-a. Ovo je tim važnije što se, prema procjenama, broj poznatih sorti SFC približava tri stotine, a ta brojka nije granica.

Treba napomenuti da je Peano kriva (slika 9) u svom izvornom obliku prilično pogodna za pravljenje proreza u zidovima talasovoda, štampanih i drugih fraktalnih antena sa otvorom, ali nije prihvatljiva za konstrukciju žičane antene, jer ima dodirne sekcije. Stoga su stručnjaci za Fractus predložili njegovu modifikaciju, nazvanu “Peanodec” (slika 11).

Slika 11 - Varijanta modifikacije Peano krive (“Peanodec”): a) prva, b) druga c) treća iteracija

Obećavajuća primena antena sa Koch topologijom su MIMO komunikacioni sistemi (komunikacioni sistemi sa mnogo ulaza i izlaza). Da bi minijaturizirali antenske nizove korisničkih terminala u takvim komunikacijama, stručnjaci iz Laboratorije za elektromagnetizam Univerziteta u Patrasu (Grčka) predložili su fraktalnu sličnost sa invertiranom L-antenom (ILA). Suština ideje se svodi na savijanje Kochovog vibratora za 90° u tački koja ga dijeli na segmente s omjerom dužina 2:1. Za mobilne komunikacije sa nosećom frekvencijom od ~2,4 Hz, dimenzije takve štampane antene su 12,33×10,16 mm (~L/10ChL/12), propusni opseg je ~20%, a efikasnost 93%.

Slika 12 - Primjer dvopojasnog (2,45 i 5,25 GHz) antenskog niza

Azimutski dijagram zračenja je gotovo ujednačen, dobitak u smislu ulaza fidera je ~3,4 dB. Istina, kao što je navedeno u članku, rad takvih tiskanih elemenata kao dijela rešetke (slika 12) je praćen smanjenjem njihove efikasnosti u odnosu na jedan element. Tako se na frekvenciji od 2,4 GHz efikasnost Kochovog monopola savijenog za 90° smanjuje sa 93 na 72%, a na frekvenciji od 5,2 GHz - sa 90 na 80%. Nešto je bolja situacija sa međusobnim uticajem antena visokofrekventnog opsega: na frekvenciji od 5,25 GHz, izolacija između elemenata koji čine centralni par antena iznosi 10 dB. Što se tiče međusobnog uticaja u paru susednih elemenata različitog opsega, u zavisnosti od frekvencije signala, izolacija varira od 11 dB (na 2,45 GHz) do 15 dB (na frekvenciji od 5,25 GHz). Razlog pogoršanja efikasnosti antena je međusobni uticaj štampanih elemenata.

Dakle, mogućnost odabira mnogo različitih parametara antenskog sistema zasnovanog na Koch izlomljenoj liniji omogućava dizajnu da zadovolji različite zahtjeve za vrijednost unutrašnjeg otpora i distribuciju rezonantnih frekvencija. Međutim, budući da se međuzavisnost rekurzivne dimenzije i karakteristika antene može dobiti samo za određenu geometriju, valjanost razmatranih svojstava za druge rekurzivne konfiguracije zahtijeva dodatna istraživanja.

3.3 Karakteristike fraktalnih antena

Koch fraktalna antena prikazana na slikama 13 ili 20 samo je jedna od opcija koja se može implementirati korištenjem jednakostraničnog inicijalno rekurzivnog trougla, tj. ugao i na njegovoj osnovi (ugao uvlačenja ili „ugao uvlačenja“) je 60°. Ova verzija Kochovog fraktala se obično naziva standardnom. Sasvim je prirodno zapitati se da li je moguće koristiti modifikacije fraktala sa drugim vrijednostima ovog ugla. Vinoy je predložio da se ugao na bazi početnog trougla razmotri kao parametar koji karakteriše dizajn antene. Promjenom ovog ugla možete dobiti slične rekurzivne krivulje različitih dimenzija (slika 13). Krive zadržavaju svojstvo samosličnosti, ali rezultujuća dužina linije može biti različita, što utiče na karakteristike antene. Vinoy je prvi proučavao korelaciju između svojstava antene i dimenzije generalizovanog Kohovog fraktala D, određene u opštem slučaju zavisnošću

(1)

Pokazalo se da sa povećanjem ugla raste i dimenzija fraktala, koja se pri u>90° približava 2. Treba napomenuti da je koncept dimenzije koji se koristi u teoriji fraktalnih antena donekle u suprotnosti sa konceptima prihvaćenim u geometriji. , pri čemu je ova mjera primjenjiva samo na beskonačno rekurzivne objekte.

Slika 13 - Konstrukcija Kochove krive sa uglom od a) 30° i b) 70° u osnovi trokuta u fraktalnom generatoru

Kako se dimenzija povećava, ukupna dužina izlomljene linije raste nelinearno, određena relacijom:

(2)

gdje je L0 dužina linearnog dipola čija je udaljenost između krajeva ista kao i Kochova izlomljena linija, n je broj iteracije. Prelazak sa u = 60° na u = 80° na šestoj iteraciji omogućava povećanje ukupne dužine prefraktala za više od četiri puta. Kao što biste očekivali, postoji direktna veza između rekurzivne dimenzije i takvih svojstava antene kao što su primarna rezonantna frekvencija, unutrašnji otpor pri rezonanciji i karakteristike višepojasnih opsega. Na osnovu kompjuterskih proračuna, Vinoy je dobio zavisnost prve rezonantne frekvencije Kochovog dipola fk od dimenzije prefraktala D, broja iteracije n i rezonantne frekvencije pravolinijskog dipola fD iste visine kao i Kochova izlomljena linija ( na krajnjim tačkama):

(3)

Slika 14 - Efekat curenja elektromagnetnog talasa

U opštem slučaju, za unutrašnji otpor Kochovog dipola na prvoj rezonantnoj frekvenciji, važi sledeća približna relacija:

(4)

gdje je R0 unutrašnji otpor linearnog dipola (D=1), koji je u razmatranom slučaju jednak 72 Ohma. Izrazi (3) i (4) se mogu koristiti za određivanje geometrijskih parametara antene sa potrebnim vrijednostima rezonantne frekvencije i unutrašnjeg otpora. Višepojasna svojstva Kochovog dipola su također vrlo osjetljiva na vrijednost ugla u. Sa povećanjem, nazivne vrijednosti rezonantnih frekvencija postaju bliže, a samim tim i njihov broj u datom spektralnom rasponu se povećava (slika 15). Štaviše, što je veći broj iteracije, to je jača konvergencija.

Slika 15 – Efekat suženja intervala između rezonantnih frekvencija

Još jedan je studirao na Pennsylvania State University. važan aspekt Koch dipol - utjecaj asimetrije njegovog napajanja na stupanj do kojeg se unutrašnji otpor antene približava 50 Ohma. Kod linearnih dipola, tačka napajanja se često nalazi asimetrično. Isti pristup se može koristiti za fraktalnu antenu u obliku Kochove krive, čiji je unutrašnji otpor manji od standardnih vrijednosti. Dakle, u trećoj iteraciji, unutrašnji otpor standardnog Kochovog dipola (u = 60°), bez uzimanja u obzir gubitaka pri povezivanju fidera u centru, iznosi 28 Ohma. Pomicanjem fidera na jedan kraj antene može se postići otpor od 50 oma.

Sve do sada razmatrane konfiguracije Kochove izlomljene linije sintetizirane su rekurzivno. Međutim, prema Vini, ako prekršite ovo pravilo, posebno navođenjem različitih kutova i? Sa svakom novom iteracijom, svojstva antene mogu se mijenjati uz veću fleksibilnost. Da bi se očuvala sličnost, preporučljivo je odabrati redovnu shemu za promjenu kuta i. Na primjer, promijenite ga prema linearnom zakonu in = in-1 - Di·n, gdje je n broj iteracije, Di? - prirast ugla u osnovi trougla. Varijanta ovog principa konstruisanja izlomljene linije je sledeći niz uglova: u1 = 20° za prvu iteraciju, u2 = 10° za drugu, itd. Konfiguracija vibratora u ovom slučaju neće biti striktno rekurzivna, međutim, svi njegovi segmenti sintetizirani u jednoj iteraciji će imati iste veličine i oblik. Stoga se geometrija takve hibridne isprekidane linije percipira kao sama sebi slična. Uz mali broj iteracija, uz negativni prirast Di, može se koristiti kvadratna ili druga nelinearna promjena ugla un.

Razmatrani pristup vam omogućava da postavite raspodjelu rezonantnih frekvencija antene i vrijednosti njenog unutrašnjeg otpora. Međutim, preuređivanje redoslijeda promjene vrijednosti uglova u iteracijama ne daje ekvivalentan rezultat. Za istu visinu izlomljene linije, različite kombinacije identičnih uglova, na primjer u1 = 20°, u2 = 60° i u1 = 60°, u2 = 20° (slika 16), daju istu proširenu dužinu prefraktala. Ali, suprotno očekivanjima, potpuna podudarnost parametara ne osigurava identičnost rezonantnih frekvencija i identitet višepojasnih svojstava antena. Razlog je promjena unutrašnjeg otpora segmenata isprekidane linije, tj. Ključnu ulogu igra konfiguracija provodnika, a ne njegova veličina.

Slika 16 - Generalizirani Kochovi prefraktali druge iteracije s negativnim prirastom Dq (a), pozitivnim prirastom Dq (b) i treće iteracije s negativnim prirastom Dq = 40°, 30°, 20° (c)

4. Primjeri fraktalnih antena

4.1 Pregled antene

Teme o antenama jedna su od najperspektivnijih i od značajnog interesa u modernoj teoriji prijenosa informacija. Ova želja za razvojem upravo ove oblasti naučnog razvoja povezana je sa stalno rastućim zahtevima za brzinom i načinima prenosa informacija u savremenom tehnološkom svetu. Svakodnevno, komunicirajući jedni s drugima, prenosimo informacije na tako prirodan način za nas - putem zraka. Na potpuno isti način, naučnici su došli na ideju da nauče brojne kompjuterske mreže da komuniciraju.

Rezultat je bila pojava novih dostignuća u ovoj oblasti, njihovo odobravanje na tržištu računarske opreme, a kasnije i usvajanje standarda bežični prijenos informacije. Danas su tehnologije prijenosa kao što su BlueTooth i WiFi već odobrene i općenito prihvaćene. Ali razvoj tu ne staje, i ne može se zaustaviti novi zahtjevi i nove želje tržišta.

Brzine prenosa, tako neverovatno velike u vreme kada su tehnologije bile razvijene, danas više ne zadovoljavaju zahteve i želje korisnika ovih razvoja. Pokrenuto je nekoliko vodećih razvojnih centara novi projekat WiMAX u cilju povećanja brzine, na osnovu proširenja kanala u već postojećem WiFi standardu. Koje mjesto u svemu tome zauzima tema o antenama?

Problem proširenja kanala prijenosa može se djelomično riješiti uvođenjem još veće kompresije od postojeće. Upotreba fraktalnih antena će ovaj problem riješiti bolje i efikasnije. Razlog tome je što fraktalne antene i frekvencijsko-selektivne površine i zapremine zasnovane na njima imaju jedinstvene elektrodinamičke karakteristike, i to: širokopojasnost, ponovljivost širina opsega u frekvencijskom opsegu itd.

4.1.1 Izgradnja Cayley drveta

Cayley drvo je jedan od klasičnih primjera fraktalnih skupova. Njegova nulta iteracija je samo pravi segment date dužine l. Prva i svaka naredna neparna iteracija sastoje se od dva segmenta potpuno iste dužine l kao prethodna iteracija, koja se nalaze okomito na segment prethodne iteracije tako da su njeni krajevi povezani sa sredinom segmenata.

Druga i svaka naredna parna iteracija fraktala su dva segmenta l/2 polovine dužine prethodne iteracije, smještena, kao i prije, okomito na prethodnu iteraciju.

Rezultati konstruisanja Cayley drveta prikazani su na slici 17. Ukupna visina antene je 15/8l, a širina 7/4l.

Slika 17 - Konstrukcija Cayley drveta

Proračuni i analiza “Cayley Tree” antene Izvršeni su teorijski proračuni fraktalne antene u obliku Cayley Tree 6. reda. Za rješavanje ovog praktičnog problema korišten je prilično moćan alat za rigorozni proračun elektrodinamičkih svojstava provodnih elemenata - EDEM program. Moćni alati i korisničko sučelje ovog programa čine ga nezamjenjivim za ovaj nivo proračuna.

Autori su se suočili sa zadatkom projektovanja antene, procene teoretskih vrednosti rezonantnih frekvencija prijema i prenosa signala i prikaza problema u interfejsu programskog jezika EDEM. Dizajnirana fraktalna antena zasnovana na "Cayley Tree" prikazana je na slici 18.

Zatim je ravan elektromagnetski talas poslat do projektovane fraktalne antene, a program je izračunao širenje polja pre i posle antene i izračunao elektrodinamičke karakteristike fraktalne antene.

Rezultati proračuna fraktalne antene “Tree of Cayley” koje su izvršili autori omogućili su nam da izvučemo sljedeće zaključke. Pokazano je da se niz rezonantnih frekvencija ponavlja na približno dvostruko većoj frekvenciji od prethodne. Određene su raspodjele struje na površini antene. Proučavane su oblasti i ukupne transmisije i totalne refleksije elektromagnetnog polja.

Slika 18 - Cayley drvo 6. reda

4 .1.2 Multimedijalna antena

Minijaturizacija napreduje širom planete skokovima i granicama. Pojava računara veličine zrna pasulja je pred vratima, ali u međuvremenu, kompanija Fractus nam skreće pažnju na antenu čije su dimenzije manje od zrna pirinča (slika 19).

Slika 19 - Fraktalna antena

Novi proizvod, nazvan Micro Reach Xtend, radi na frekvenciji od 2,4 GHz i podržava bežične tehnologije Wi-Fi i Bluetooth, kao i neki drugi manje popularni standardi. Uređaj je baziran na patentiranoj tehnologiji fraktalnih antena, a njegova površina je samo 3,7 x 2 mm. Prema rečima programera, mala antena će omogućiti da se smanji veličina multimedijalnih proizvoda u kojima će naći svoju primenu u bliskoj budućnosti, ili da se ugura više mogućnosti u jedan uređaj.

Televizijske stanice emituju signale u rasponu od 50-900 MHz, koji se pouzdano primaju na udaljenosti od mnogo kilometara od predajne antene. Poznato je da vibracije viših frekvencija prolaze kroz zgrade i razne prepreke gore od niskofrekventnih, koje se jednostavno savijaju oko njih. Stoga se Wi-Fi tehnologija koristi u konvencionalnim sistemima bežična komunikacija i koji radi na frekvencijama iznad 2,4 GHz, omogućava prijem signala samo na udaljenosti ne većoj od 100 m. Ovakva nepravda prema naprednoj Wi-Fi tehnologiji uskoro će biti okončana, naravno, bez štete za TV potrošače. U budućnosti će uređaji kreirani na bazi Wi-Fi tehnologije raditi na frekvencijama između aktivnih TV kanala, čime će se povećati domet pouzdanog prijema. Kako ne bi ometao rad televizije, svaki od Wi-Fi sistema (predajnik i prijemnik) će stalno skenirati obližnje frekvencije, sprječavajući sudare u zraku. Prilikom prelaska na širi frekventni opseg postaje neophodno imati antenu koja može podjednako dobro primati signale i visokih i niskih frekvencija. Konvencionalne bičaste antene ne ispunjavaju ove zahtjeve, jer Oni, u skladu sa svojom dužinom, selektivno prihvataju frekvencije određene talasne dužine. Antena pogodna za prijem signala u širokom frekventnom opsegu je takozvana fraktalna antena, koja ima oblik fraktala - strukture koja izgleda isto bez obzira sa kojim uvećanjem je gledamo. Fraktalna antena se ponaša kao struktura koja se sastoji od mnogo pin antena različitih dužina uvijenih zajedno.

4.1.3 “Pokvarena” antena

Američki inženjer Nathan Cohen prije desetak godina odlučio je sastaviti amatersku radio stanicu kod kuće, ali je naišao na neočekivanu poteškoću. Njegov stan se nalazio u centru Bostona, a gradske vlasti su strogo zabranile postavljanje antene izvan zgrade. Rješenje je pronađeno neočekivano, preokrenuvši cijeli daljnji život radio-amatera.

Umjesto da napravi antenu tradicionalnog oblika, Cohen je uzeo komad aluminijske folije i izrezao ga u oblik matematičkog objekta poznatog kao Kochova kriva. Ova kriva, koju je 1904. godine otkrila njemačka matematičarka Helga von Koch, je fraktal, izlomljena linija koja izgleda kao niz beskonačno opadajućih trouglova koji izrastaju jedan iz drugog poput krova višestepene kineske pagode. Kao i svi fraktali, ova kriva je „samoslična“, odnosno na svakom najmanjem segmentu ima isti izgled, ponavljajući se. Takve krive se konstruiraju beskonačnim ponavljanjem jednostavne operacije. Linija je podijeljena na jednake segmente, a na svakom segmentu je napravljena krivina u obliku trokuta (fon Kochova metoda) ili kvadrata (metoda Hermana Minkowskog). Zatim se na svim stranama rezultirajuće figure savijaju slični kvadrati ili trokuti, ali manje veličine. Nastavljajući konstrukciju beskonačno, možete dobiti krivu koja je „prelomljena“ u svakoj tački (slika 20).

Slika 20 - Konstrukcija krivulje Koch i Minkowski

Konstrukcija Kochove krive - jedan od prvih fraktalnih objekata. Na beskonačnoj pravoj liniji razlikuju se segmenti dužine l. Svaki segment je podeljen na tri jednaka dela, a na srednjem je konstruisan jednakostranični trougao sa stranicom l/3. Zatim se postupak ponavlja: na segmentima l/3 grade se trouglovi sa stranicama l/9, na njima se grade trouglovi sa stranicama l/27 itd. Ova kriva ima samosličnost ili invarijantnost skale: svaki njen element u redukovanom obliku ponavlja samu krivu.

Fraktal Minkowskog je konstruisan slično kao i Kochova krivulja i ima ista svojstva. Prilikom njegove izgradnje, umjesto sistema trouglova, meandri se grade na pravoj liniji - "pravokutnim valovima" beskonačno opadajućih veličina.

Kada je konstruisao Kochovu krivu, Cohen se ograničio na samo dva ili tri koraka. Zatim je zalijepio figuru na mali komad papira, pričvrstio je na prijemnik i iznenadio se kada je otkrio da ne radi ništa lošije od konvencionalnih antena. Kako se kasnije ispostavilo, njegov izum je postao osnivač fundamentalno novog tipa antena, sada masovno proizvedenih.

Ove antene su veoma kompaktne: fraktalna antena za mobilni telefon ugrađena u kućište ima veličinu običnog klizača (24 x 36 mm). Osim toga, rade u širokom frekventnom opsegu. Sve je to otkriveno eksperimentalno; Teorija fraktalnih antena još ne postoji.

Parametri fraktalne antene napravljene nizom uzastopnih koraka koristeći Minkowski algoritam mijenjaju se na vrlo zanimljiv način. Ako je ravna antena savijena u obliku "kvadratnog vala" - meandra, njeno pojačanje će se povećati. Svi naredni meandri pojačanja antene se ne mijenjaju, ali se raspon frekvencija koje prima širi, a sama antena postaje mnogo kompaktnija. Istina, djelotvorno je samo prvih pet ili šest koraka: da biste dalje savijali provodnik, morat ćete smanjiti njegov promjer, a to će povećati otpor antene i dovesti do gubitka pojačanja.

Dok se neki muče oko teorijskih problema, drugi aktivno implementiraju izum u praksu. Prema riječima Nathana Cohena, sada profesora na Univerzitetu u Bostonu i glavnog tehničkog inspektora Fractal Antenna Systems, “za nekoliko godina fraktalne antene će postati sastavni dio mobilnih i radio telefona i mnogih drugih bežičnih komunikacijskih uređaja.”

fraktal antenskog niza

4.2 Primjena fraktalnih antena

Među mnogim dizajnima antena koji se danas koriste u komunikacijama, tip antene spomenut u naslovu članka je relativno nov i fundamentalno se razlikuje od poznatih rješenja. Prve publikacije koje se bave ispitivanjem elektrodinamike fraktalnih struktura pojavile su se još 80-ih godina 20. stoljeća. To je početak praktična upotreba Fraktalni pravac u antenskoj tehnologiji započeo je prije više od 10 godina američki inženjer Nathan Cohen, danas profesor na Univerzitetu Boaon i glavni tehnički inspektor kompanije Fractal Antenna Systems. Živeći u centru Bostona, kako bi zaobišao zabranu gradske vlasti o postavljanju vanjskih antena, odlučio je da zamaskira antenu amaterske radio stanice u ukrasnu figuru od aluminijske folije. Kao osnovu uzeo je Kohovu krivulju poznatu u geometriji (slika 20), čiji je opis 1904. godine predložio švedski matematičar Niels Fabian Helge von Koch (1870-1924).

Slični dokumenti

Pojam i princip rada predajnih antena i dijagrami njihovog zračenja. Proračun veličina i rezonantnih frekvencija za fraktalne antene. Dizajn štampane mikrotrakaste antene zasnovane na Koch fraktalu i 10 prototipova žičanih antena.

teze, dodato 02.02.2015


Razvoj fraktalnih antena. Metode konstrukcije i principi rada fraktalne antene. Konstrukcija Peano krive. Formiranje fraktalne pravougaone izlomljene antene. Dvopojasni antenski niz. Fraktalne frekvencijsko-selektivne površine.

rad, dodato 26.06.2015


Strukturna shema prijemni modul aktivnog faznog antenskog niza. Proračun relativne redukcije pobude na rubu antene. Energetski potencijal prijemnih faznih antenskih nizova. Preciznost poravnanja zraka. Izbor i proračun emitera.

kurs, dodato 08.11.2014


Uvod u delatnost Antena-Servis doo: montaža i puštanje u rad zemaljskih i satelitskih antenskih sistema, projektovanje telekomunikacionih mreža. opšte karakteristike osnovna svojstva i područja primjene satelitskih antena.

rad, dodato 18.05.2014


Vrste i klasifikacija antena za celularne komunikacione sisteme. Specifikacije antene KP9-900. Glavni gubitak efikasnosti antene je u radnom položaju uređaja. Metode za proračun antena za ćelijskih sistema komunikacije. Karakteristike MMANA modelara antena.

kurs, dodato 17.10.2014


Vrste mikrotalasnih uređaja u distributivnim krugovima antenskih nizova. Dizajn mikrotalasnih uređaja na osnovu metode razlaganja. Rad sa programom "Model-S" za automatizovane i parametarske tipove sinteze višeelementnih mikrotalasnih uređaja.

test, dodano 15.10.2011


Glavni zadaci teorije antena i karakteristike ovog uređaja. Maxwellove jednadžbe. Električno dipolno polje u neograničenom prostoru. Prepoznatljive karakteristike vibrator i otvor antene. Metode kontrole amplitude rešetki.

tutorial, dodano 27.04.2013


Linearni niz sa cilindričnom spiralnom antenom kao radijatorom. Upotreba antenskih nizova kako bi se osigurale visokokvalitetne performanse antene. Dizajn antenskog niza za vertikalno skeniranje. Proračun jednog emitera.

kurs, dodan 28.11.2010


Metode za stvaranje efikasnih antena. Linearni antenski niz. Optimalna antena putujućih talasa. Koeficijent usmjerenja. Ravni antenski nizovi. Ulazna impedansa zračećeg elementa. Osobine i primjena neekvidistantnih rešetki.

kurs, dodato 14.08.2015


Upotreba antena i za zračenje i za prijem elektromagnetnih talasa. Postoji veliki izbor različitih antena. Dizajn linearnog niza štapnih dielektričnih antena, koji se sastavlja od štapnih dielektričnih antena.