Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Антенной называется радиотехническое устройство, предназначенное для излучения или приема электромагнитных волн. Антенна является одним из важнейших элементов любой радиотехнической системы, связанной с излучением или приемом радиоволн. К таким системам относят: системы радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиоуправления, радиорелейной связи, радиолокации, радиоастрономии, радионавигации и др.

В конструктивном отношении антенна представляет собой провода, металлические поверхности, диэлектрики, магнитодиэлектрики. Назначение антенны поясняется упрощенной схемой радиолинии. Электромагнитные колебания высокой частоты, модулированные полезным сигналом и создаваемые генератором, преобразуются передающей антенной в электромагнитные волны и излучаются в пространство. Обычно электромагнитные колебания подводят от передатчика к антенне не непосредственно, а с помощью линии питания (линия передачи электромагнитных волн, фидер).

При этом вдоль фидера распространяются связанные с ним электромагнитные волны, которые преобразуются антенной в расходящиеся электромагнитные волны свободного пространства.

Приемная антенна улавливает свободные радиоволны и преобразует их в связанные волны, подводимые с помощью фидера к приемнику. В соответствии с принципом обратимости антенн свойства антенны, работающей в режиме передачи, не изменяются при работе этой антенны в приемном режиме.

Устройства, аналогичные антеннам, применяют также для возбуждения электромагнитных колебаний в различных типах волноводов и объемных резонаторов.

1. Основные характеристики антенн

1.1 Краткие сведения основных параметров антенн

При выборе антенн сравнивают их основные характеристики: диапазон рабочих частот (полоса пропускания), коэффициент усиления, диаграмма направленности, входное сопротивление, поляризация. Количественно коэффициент усиления антенны Ga показывает, во сколько раз мощность сигнала, принятого данной антенной, больше мощности сигнала, принятого простейшей антенной - полуволновым вибратором (изотропным излучателем), помещённым в ту же точку пространства. Коэффициент усиления выражается в децибелах dB или дБ. Следует различать коэффициент усиления, определённый выше, обозначаемый dB или dBd (относительно диполя или полуволнового вибратора), и коэффициент усиления относительно изотропного излучателя, обозначаемый dBi или dB ISO. В любом случае необходимо сравнивать однотипные величины. Желательно иметь антенну с большим усилением, однако увеличение усиления требует, как правило, усложнения ее конструкции и габаритов. Не бывает простых малогабаритных антенн с большим коэффициентом усиления. Диаграмма направленности (ДН) антенны показывает, как антенна принимает сигналы с разных направлений. При этом необходимо обязательно рассматривать ДН антенны как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. Ненаправленные антенны в какой-либо плоскости имеют ДН в форме круга, то есть антенна может принимать сигналы со всех сторон одинаково, например диаграмма направленности вертикального штыря в горизонтальной плоскости. Направленная антенна характеризуется наличием одного или нескольких лепестков ДН, наибольший из которых называется главным. Обычно кроме главного имеются задний и боковые лепестки, уровень которых значительно меньше главного лепестка, ухудшающие тем не менее работу антенны, из-за чего стремятся максимально уменьшить их уровень.

Входным сопротивлением антенны считают отношение мгновенных значений напряжения к току сигнала в точках питания антенны. Если напряжение и ток сигнала при этом совпадают по фазе, то отношение представляет собой действительную величину и входное сопротивление является чисто активным. При сдвиге фаз кроме активной составляющей появляется реактивная - индуктивная или ёмкостная в зависимости от того, отстаёт ли по фазе ток от напряжения или опережает его. Входное сопротивление зависит от частоты принимаемого сигнала. Кроме перечисленных основных характеристик антенны обладают рядом других немаловажных параметров, таких как коэффициент стоячей волны КСВ (SWR - Standing Wave Ratio), уровень кросс-поляризации, диапазон рабочих температур, ветровые нагрузки и т.п.

1.2 Классификация антенн

Антенны можно классифицировать по различным признакам: по ДШ-пазонному принципу, по характеру излучающих элементов (антенны с линейными токами, или вибраторные антенны, антенны, излучающие через раскрыв - апертурные антенны, антенны поверхностных воли); по виду радиотехнической системы, в которой используется антенна (антенны для радиосвязи, для радиовещания, телевизионные и др.). Будем придерживаться диапазонной классификации. Хотя в различных диапазонах волн очень часто применяют антенны с одинаковыми (по типу) излучающими элементами, однако конструктивное выполнение их различное; значительно отличаются также параметры этих антенн и требования, предъявляемые к ним.

Рассматриваются антенны следующих волновых диапазонов (названия диапазонов даются в соответствии с рекомендациями «Регламента радиосвязи»; в скобках указываются названия, широко распространенные в литературе по антенно-фидерным устройствам): мириаметровые (сверхдлинные) волны (); километровые (длинные) волны (); гектометровые (средние) волны (); декаметровые (короткие) волны (); метровые волны (); дециметровые волны (); сантиметровые волны (); миллиметровые волны (). Последние четыре диапазона иногда объединяют общим названием «ультракороткие волны» (УКВ).

1.2.1 Диапазоны антенн

В последние годы на рынке радиосвязи и вещания появилось большое количество новых систем связи различного назначения, имеющих различные характеристики. С точки зрения пользователей, при выборе системы радиосвязи или вещательной системы в первую очередь обращается внимание на качество связи (вещания), а также на удобство пользования этой системой (терминалом пользователя), что определяется габаритами, весом, простотой управления, перечнем дополнительных функций. Все эти параметры существенным образом определяются типом и конструкцией антенных устройств и элементов антенно - фидерного тракта рассматриваемой системы, без которых осуществление радиосвязи немыслимо. В свою очередь, определяющим фактором конструкции и эффективности антенн является диапазон их рабочих частот.

В соответствии с принятой классификацией диапазонов частот выделяют и несколько больших классов (групп) антенн, принципиально различающихся между собой: антенны сверхдлинноволнового (СДВ) и длинноволнового (ДВ) диапазонов; антенны средневолнового (СВ) диапазона; антенны коротковолнового (КВ) диапазона; антенны ультракоротковолнового (УКВ) диапазона; антенны сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона.

Наиболее востребованными в последние годы с точки зрения предоставления услуг персональной связи, радио- и телевещания являются радиосистемы КВ, УКВ и СВЧ диапазона, антенные устройства которых и будут рассмотрены ниже. При этом необходимо заметить, что, несмотря на кажущуюся невозможность изобретения нового в антенном деле, в последние годы на основе новых технологий и принципов произведены существенные усовершенствования классических антенн и разработаны новые антенны, принципиально отличающиеся от ранее существовавших конструкцией, размерами, основными характеристиками и т.п., что привело к значительному увеличению количества типов применяемых в современных радиосистемах антенных устройств.

В любой системе радиосвязи могут существовать антенные устройства, предназначенные только для передачи, для приёмо-передачи или только для приёма.

Для каждого из диапазонов частот необходимо также различать антенные системы радиоустройств направленного и ненаправленного (всенаправленного) действия, что в свою очередь определяется назначением устройства (связи, вещания и т.д.), задачами, решаемыми устройством (оповещение, связь, вещание и т.д.). В общем случае для увеличения направленности антенн (для сужения диаграммы направленности) могут использоваться антенные решётки, состоящие из элементарных излучателей (антенн), которые при определённых условиях их фазирования могут обеспечить необходимые изменения направления луча антенны в пространстве (обеспечить управление положением диаграммы направленности антенны). В пределах каждого диапазона также можно выделить антенные устройства, работающие только на определённой частоте (одночастотные или узкодиапазонные), и антенны, работающие в довольно широком диапазоне частот (широкополосные или широкодиапазонные).

1.3 Излучение антенных решеток

Для получения высокой направленности излучения, часто требуемой на практике, можно использовать систему слабонаправленных антенн, таких как вибраторы, щели, открытые концы волноводов, и других, определенным образом расположенных в пространстве и возбуждаемых токами с требуемым соотношением амплитуд и фаз. В этом случае общая направленность, особенно при большом числе излучателей, определяется в основном габаритными размерами всей системы и в гораздо меньшей степени - индивидуальными направленными свойствами отдельных излучателей.

К числу таких систем относят антенные решетки (АР). Обычно АР называется система идентичных излучающих элементов, одинаково ориентированных в пространстве и расположенных по определенному закону. В зависимости от расположения элементов различают линейные, поверхностные и объемные решетки, среди которых наиболее распространены прямолинейные и плоские АР. Иногда излучающие элементы располагаются по дуге окружности или на криволинейных поверхностях, совпадающих с формой объекта, на котором расположена АР (конформная АР).

Простейшей является линейная АР, в которой излучающие элементы располагаются вдоль прямой, называемой осью решетки, на равных расстояниях друг от друга (эквидистантная АР). Расстояние d между фазовыми центрами излучателей называют шагом решетки. Линейная АР помимо самостоятельного значения является часто основой при анализе других типов АР.

2 . Анализ перспективных антенных структур

2.1 Антенны КВ и УКВ диапазонов

Рисунок 1 - Антенна базовых станций

В КВ и УКВ диапазонах в настоящее время работает большое количество радиосистем различного назначения: связи (радиорелейной, сотовой, транкинговой, спутниковой и т.п.), радиовещания, телевизионного вещания. По конструкции и характеристикам все антенные устройства этих систем можно разделить на две основные группы - антенны стационарных и антенны подвижных устройств. К стационарным можно отнести антенны базовых станций связи, приёмные телевизионные антенны, антенны радиорелейных линий связи, а к подвижным - антенны терминалов пользователей персональной связи, автомобильные антенны, антенны носимых (портативных) радиостанций.

Антенны базовых станций в основном являются ненаправленными в горизонтальной плоскости, так как обеспечивают связь в основном с подвижными объектами. Наибольшее распространение получили штыревые антенны вертикальной поляризации типа «Ground Plane» («GP») из-за простоты своей конструкции и достаточной эффективности. Такая антенна представляет собой вертикальный штырь длиной L, выбираемой в соответствии с рабочей длиной волны л, с тремя или более противовесами, устанавливаемыми, как правило, на мачте (рисунок 1).

Длина штырей L составляет величины л/4, л/2 и 5/8л, а противовесов - в пределах от 0.25л до 0.1л. Входное сопротивление антенны зависит от угла между противовесом и мачтой: чем меньше этот угол (чем больше противовесы прижаты к мачте), тем больше сопротивление. В частности, для антенны с L = л/4 входное сопротивление 50 Ом достигается при угле, равном 30є…45є. Диаграмма направленности такой антенны в вертикальной плоскости имеет максимум под углом 30є к горизонту. Коэффициент усиления антенн равен коэффициенту усиления вертикального полуволнового диполя. В такой конструкции, однако, отсутствует соединение штыря с мачтой, что требует дополнительного использования короткозамкнутого шлейфа из кабеля длиной л/4 для защиты антенны от грозы и статического электричества.

Антенна длиной L = л/2 не нуждается в противовесах, роль которых играет мачта, а её ДН в вертикальной плоскости сильнее прижата к горизонту, что увеличивает её дальность действия. В этом случае для понижения входного сопротивления используется высокочастотный трансформатор, а основание штыря соединяется с заземлённой мачтой через согласующий трансформатор, что автоматически решает проблему грозозащиты и статического электричества. Усиление антенны по сравнению с полуволновым диполем составляет около 4 дБ.

Наиболее эффективной из антенн «GP» для дальней связи является антенна с L = 5/8л. Она несколько длиннее полуволновой антенны, а кабель фидера подключается к согласующей индуктивности, расположенной в основании вибратора. Противовесы (не менее 3-х) располагаются в горизонтальной плоскости. Усиление такой антенны составляет 5-6 dB, максимум ДН расположен под углом 15є к горизонту, а сам штырь заземляется на мачту через согласующую катушку. Эти антенны узкополоснее полуволновых, в связи с чем требуют более тщательной настройки.

Рисунок 2 - Антенна полуволнового вибратора

Рисунок 3 - Ромбическая антенна полуволнового вибратора

Большинство базовых антенн устанавливается на крышах домов, что может сильно влиять на их характеристики, поэтому необходимо учитывать следующее:

Основание антенны желательно располагать не ниже 3-х метров от плоскости крыши;

Вблизи антенны не должно быть металлических предметов и конструкций (телевизионных антенн, проводов и т.д.);

Устанавливать антенны желательно как можно выше;

Работа антенны не должна создавать помехи другим базовым станциям.

Существенную роль при установлении устойчивой радиосвязи играет поляризация принимаемого (излучаемого) сигнала; так как при дальнем распространении поверхностная волна испытывает существенно меньшее затухание при горизонтальной поляризации, то для дальней радиосвязи, а также при передаче телевидения применяются антенны с горизонтальной поляризацией (вибраторы расположены горизонтально).

Самой простой из направленных антенн является полуволновый вибратор. У симметричного полуволнового вибратора общая длина его двух одинаковых плеч примерно равна л/2 (0.95 л/2), диаграмма направленности имеет вид восьмёрки в горизонтальной плоскости и круга - в вертикальной. Коэффициент усиления, как указано выше, принят за единицу измерения.

Если угол между вибраторами такой антенны составляет величину б<180є, то получают антенну типа V, у которой ДН складывается из ДН составных её частей, причём угол раскрыва зависит от длины вибратора (рисунок 2). Так, например, при L =л получаем б=100є, а при L = 2л, б =70є, а усиление равно 3,5 дБ и 4,5 дБ, входное сопротивление - 100 и 120 Ом соответственно.

При соединении двух антенн типа V таким образом, чтобы их ДН суммировались, получают ромбическую антенну, у которой направленность выражена существенно сильнее (рисунок 3).

При подключении к вершине ромба, противоположной точкам питания, нагрузочного сопротивления Rn, рассеивающего мощность, равную половине мощности передатчика, достигается подавление заднего лепестка ДН на 15…20 dB. Направление главного лепестка в горизонтальной плоскости совпадает с диагональю a. В вертикальной плоскости главный лепесток ориентирован горизонтально.

Одной из лучших относительно простых направленных антенн является рамочная антенна типа «двойной квадрат», коэффициент усиления которой составляет 8…9 дБ, подавление заднего лепестка ДН - не менее чем 20 дБ, поляризация - вертикальная.

Рисунок 4 - Антенна «волновой канал»

Самое широкое распространение, особенно в УКВ диапазоне, получили антенны типа «волновой канал» (в зарубежной литературе - антенны Уда-Яги), так как они достаточно компактны и обеспечивают получение больших значений Ga при сравнительно небольших габаритах. Антенны этого типа представляют собой набор элементов: активных - вибратор и пассивных - рефлектор и нескольких директоров, установленных на одной общей стреле (рисунок 4). Такие антенны, особенно при большом количестве элементов, при изготовлении требуют тщательной настройки. Для трёхэлементной антенны (вибратор, рефлектор и один директор) основные характеристики могут быть обеспечены без дополнительной настройки.

Сложность антенн этого типа заключается также ещё и в том, что входное сопротивление антенны зависит от количества пассивных элементов и существенно зависит от настройки антенны, из-за чего в литературе довольно часто не указывается точно значение входного сопротивления таких антенн. В частности, при использовании в качестве вибратора петлевого вибратора Пистолькорса, обладающего входным сопротивлением около 300 Ом, при увеличении количества пассивных элементов входное сопротивление антенны уменьшается и достигает значений 30-50 Ом, что приводит к рассогласованию с фидером и требует дополнительного согласования. С увеличением числа пассивных элементов ДН антенны сужается, а коэффициент усиления растёт, например для трёхэлементной и пятиэлементной антенн коэффициенты усиления составляют 5…6 дБ и 8…9 дБ при ширине основного лепестка ДН 70є и 50є соответственно.

Более широкополосными по сравнению с антеннами типа «волновой канал» и не нуждающимися в настройке являются антенны бегущей волны (АБВ), у которых все вибраторы, расположенные на одинаковом расстоянии один от другого, являются активными и подключаются к собирательной линии (рисунок 5). Принятая ими энергия сигнала складывается в собирательной линии почти в фазе и поступает в фидер. Коэффициент усиления таких антенн определяется длиной собирательной линии, пропорционален отношению этой длины к длине волны принимаемого сигнала и зависит от направленных свойств вибраторов. В частности, для АБВ с шестью вибраторами различной длины, соответствующими требуемому диапазону частот и расположенными под углом 60є к собирательной линии, коэффициент усиления колеблется от 4 дБ до 9 дБ в пределах рабочего диапазона, а уровень заднего излучения ниже на 14 дБ.

Рисунок 5 - Антенна бегущей волны

Рисунок 6 - Антенна с логарифмической периодичностью структуры или логопериодическая антенна

Направленные свойства рассмотренных антенн изменяются в зависимости от длины волны принимаемого сигнала. Одним из наиболее распространённых типов антенн с неизменяемой формой ДН в широком диапазоне частот являются антенны с логарифмической периодичностью структуры или логопериодические антенны (ЛПА). Они отличаются широким диапазоном: максимальная длина волны принимаемого сигнала превосходит минимальную более чем в 10 раз. При этом во всём рабочем диапазоне обеспечивается хорошее согласование антенны с фидером, а коэффициент усиления практически не изменяется. Собирательная линия ЛПА обычно образуется двумя проводниками, расположенными друг над другом, к которым горизонтально крепятся плечи вибраторов поочерёдно через один (рисунок 6, вид сверху).

Вибраторы ЛПА оказываются вписанными в равнобедренный треугольник с углом при вершине б и основанием, равным наибольшему вибратору. Рабочая полоса антенны определяется размерами самого длинного и самого короткого вибраторов. Для логарифмической структуры полотна антенны должно быть выполнено определённое соотношение между длинами соседних вибраторов, а также между расстояниями от них до вершины структуры. Это соотношение называется периодом структуры ф:

B2? B1=B3? B2=A2? A1=A3? A2=…=ф

Таким образом, размеры вибраторов и расстояния до них от вершины треугольника уменьшаются в геометрической прогрессии. Характеристики антенны определяются величиной ф и б. Чем меньше угол б и чем больше б (б всегда меньше 1), тем больше коэффициент усиления антенны и меньше уровень заднего и боковых лепестков ДН. Однако при этом увеличивается число вибраторов, растут габариты и масса антенны. Оптимально выбирают значения угла б в пределах 3є…60є, а ф - 0,7…0,9.

В зависимости от длины волны принимаемого сигнала в структуре антенны возбуждаются несколько вибраторов, размеры которых наиболее близки к половине длины волны сигнала, поэтому ЛПА по принципу действия сходна с несколькими антеннами «волновой канал», соединёнными вместе, каждая из которых содержит вибратор, рефлектор и директор. При определённой длине волны сигнала возбуждается только одна тройка вибраторов, а остальные настолько расстроены, что не оказывают влияния на работу антенны. Поэтому коэффициент усиления ЛПА оказывается меньше, чем коэффициент усиления антенны «волновой канал» с таким же числом элементов, зато полоса пропускания у ЛПА оказывается значительно шире. Так, для ЛПА из десяти вибраторов и значениях б = 45є, ф = 0,84 расчётный коэффициент усиления составляет 6 дБ, который практически не изменяется во всём диапазоне рабочих частот.

Для радиорелейных линий связи весьма важно иметь узкую ДН, чтобы не создавать помехи другим радиоэлектронным средствам и обеспечивать качественную связь. Для сужения ДН широко применяются антенные решётки (АР), сужающие ДН в различных плоскостях и обеспечивающие различные значения ширины главного лепестка. Вполне понятно, что геометрические размеры АР и характеристики ДН существенным образом зависят от диапазона рабочих частот - чем выше частота, тем компактнее будет АР и уже ДН, а, следовательно, больше коэффициент усиления. Для одних и тех же частот с увеличением размеров АР (количества элементарных излучателей) ДН будет сужаться.

Для диапазона УКВ часто используются решётки, состоящие из вибраторных антенн (петлевых вибраторов), количество которых может достигать нескольких десятков, коэффициент усиления при этом увеличивается до 15 дБ и выше, а ширина ДН в любой из плоскостей может быть сужена до 10є, например для 16 вертикально расположенных петлевых вибраторов в диапазоне частот 395…535 МГц ДН сужается в вертикальной плоскости до 10є.

Основным видом применяемых в пользовательских терминалах антенн являются штыревые антенны вертикальной поляризации, имеющие круговую ДН в горизонтальной плоскости. Эффективность этих антенн является довольно низкой из-за малых значений коэффициентов усиления, а также из-за влияния на ДН окружающих предметов, а также отсутствия полноценного заземления и ограничения геометрических размеров антенн. Последнее требует качественного согласования антенны с входными цепями радиоустройства. Типовыми конструктивными вариантами согласования являются распределённая по длине индуктивность и индуктивность в основании антенны. Для увеличения дальности радиосвязи используются специальные удлинённые антенны длиной в несколько метров, чем достигается значительное повышение уровня принимаемого сигнала.

В настоящее время существует множество типов автомобильных антенн, различных по внешнему виду, конструкции, цене. К этим антеннам предъявляются жёсткие требования по механическим, электрическим, эксплуатационным и эстетическим параметрам. Наилучшие результаты по дальности связи имеет полноразмерная антенна длиной л/4, однако большие геометрические размеры не всегда удобны, поэтому используются различные методы укорочения антенн без существенного ухудшения их характеристик. Для обеспечения сотовой связи в автомобилях могут применяться микрополосковые резонансные антенны (одно-, двух- и трёхдиапазонные), не требующие монтажа наружных деталей, так как прикрепляются на внутреннюю сторону стекла автомобиля. Такие антенны обеспечивают приём-передачу сигналов вертикальной поляризации диапазона частот 450…1900 МГц, имеют коэффициент усиления до 2 дБ .

2.1.1 Общая характеристика антенн СВЧ-диапазона

В диапазоне СВЧ в последние годы также отмечается увеличение количества систем связи и вещания как ранее существовавших, так и вновь разработанных. Для наземных систем - это системы радиорелейной связи, радио- и телевещания, системы сотового телевидения и т.п., для спутниковых систем - непосредственного телевизионного вещания, телефонной, факсимильной, пейджинговой связи, видеоконференцсвязи, доступа в Интернет и т.п. Используемые диапазоны частот для указанных видов связи и вещания соответствуют выделенным для этих целей участкам частотного спектра, основными из которых являются: 3,4…4,2 ГГц; 5,6…6,5 ГГц; 10,7…11,7 ГГц; 13,7…14,5 ГГц; 17,7…19,7 ГГц; 21,2…23,6 ГГц; 24,5…26,5 ГГц; 27,5…28,5 ГГц; 36…40 ГГц. Иногда в технической литературе к диапазону СВЧ относят системы, работающие на частотах свыше 1 ГГц, хотя строго этот диапазон начинается с 3 ГГц.

Для наземных систем СВЧ-диапазона антенные устройства представляют собой зеркальные, рупорные, рупорно-линзовые антенны небольших размеров, устанавливаемые на мачтах и защищённые от вредных атмосферных воздействий. Направленные антенны в зависимости от назначения, конструкции и диапазона частот имеют широкий разброс характеристик, а именно: по коэффициенту усиления - от 12 до 50 дБ, по ширине ДН (уровень - 3дБ) - от 3,5 до 120є. Кроме того, в системах сотового телевидения используются биконические всенаправленные (в горизонтальной плоскости) антенны, состоящие из двух металлических конусов, направленных вершинами друг к другу, диэлектрической линзы, установленной между конусами, и устройства возбуждения. Такие антенны имеют коэффициент усиления 7…10 дБ, ширину главного лепестка в вертикальной плоскости 8…15є, а уровень боковых лепестков - не хуже минус 14 дБ.

3. Анализ возможных методов синтеза антенных фрактальных структур

3.1 Фрактальные антенны

Фрактальные антенны - относительно новый класс электрически малых антенн (ЭМА), принципиально отличающийся своей геометрией от известных решений. По сути, традиционная эволюция антенн базировалась на евклидовой геометрии, оперирующей объектами целочисленной размерности (линия, круг, эллипс, параболоид и т.п.) . Главное отличие фрактальных геометрических форм - их дробная размерность, что внешне проявляется в рекурсивном повторении в возрастающем либо уменьшаемом масштабах исходных детерминированных или случайных шаблонов. Фрактальные технологии получили распространение при формировании средств фильтрации сигналов, синтезе трехмерных компьютерных моделей природных ландшафтов, сжатии изображений. Вполне естественно, что фрактальная «мода» не обошла стороной и теорию антенн. Тем более, что прообразом современных фрактальных технологий в антенной технике явились предложенные в середине 60-х годов прошлого века логопериодические и спиральные конструкции. Правда, в строгом математическом смысле такие конструкции на момент разработки не имели отношения к фрактальной геометрии, являясь, по сути, лишь фракталами первого рода. Сейчас исследователи, в основном методом проб и ошибок, пытаются использовать известные в геометрии фракталы в антенных решениях. В результате имитационного моделирования и экспериментов установлено, что фрактальные антенны позволяют получить практически тот же коэффициент усиления, что и обычные, но при меньших габаритах, что важно для мобильных приложений. Рассмотрим результаты, полученные в области создания фрактальных антенн самых различных типов.

Опубликованные Коэном результаты исследований характеристик новой антенной конструкции привлекли внимание специалистов. Благодаря усилиям многих исследователей сегодня теория фрактальных антенн превратилась в самостоятельный, довольно развитый аппарат синтеза и анализа ЭМА.

3.2 Свойства фрактальных антенн

SFC могут применяться в качестве шаблонов для изготовления монополей и плеч диполей, формирования топологии печатных антенн, частотно-селективных поверхностей (Frequency Selection Surfaces, FSS) или обечаек зеркальных рефлекторов, построения контуров рамочных антенн и профилей апертуры рупоров, а также фрезеровки пазов в щелевых антеннах.

Экспериментальные данные, полученные специалистами компании Cushcraft для кривой Коха, четырех итераций меандра и спиральной антенны, позволяют сопоставить электрические свойства антенны Коха с другими излучателями с периодической структурой. Все сопоставленные излучатели обладали многочастотными свойствами, что проявилось в наличии периодических резонансов на графиках импедансов. Однако для многодиапазонных приложений более всего пригоден фрактал Коха, у которого с ростом частоты пиковые значения реактивных и активных сопротивлений уменьшаются, тогда как у меандра и спирали они возрастают.

В целом следует отметить, что теоретически представить механизм взаимодействия фрактальной приемной антенны и падающих на нее электромагнитных волн сложно из-за отсутствия аналитического описания волновых процессов в проводнике со сложной топологией. В такой ситуации основные параметры фрактальных антенн целесообразно определять путем математического моделирования.

Пример построения первой самоподобной фрактальной кривой продемонстрировал в 1890 году итальянский математик Джузеппе Пеано (Peano). Предложенная им линия в пределе полностью заполняет квадрат, обегая все его точки (рисунок 9). В дальнейшем были найдены и другие подобные объекты, получившие по имени первооткрывателя их семейства обобщающее название «кривые Пеано». Правда, вследствие чисто аналитического описания кривой, предложенного Пеано, возникла некоторая путаница в классификации SFС-линий. На самом деле наименование «кривые Пеано» следовало бы давать лишь оригинальным кривым, построение которых соответствует аналитике, опубликованной Пеано (рисунок 10).

Рисунок 9 - Итерации кривой Пеано: а) исходная линия, б) первая, в) вторая и г) третья итерации

Рисунок 10 - Итерации ломаной, предложенной Гильбертом в 1891 году

Нередко трактуется как рекурсивная кривая Пеано

Поэтому для конкретизации рассматриваемых объектов антенной техники при описании той или иной формы фрактальной антенны следует, по возможности, упоминать и имена авторов, предложивших соответствующую модификацию SFC. Это тем более важно, что согласно подсчетам, число известных разновидностей SFC приближается к трем сотням, причем эта цифра не является предельной.

Следует отметить, что кривая Пеано (рисунок 9) в исходном виде вполне пригодна для изготовления щелей в стенках волновода, печатных и других апертурных фрактальных антенн, но не приемлема для построения проволочной антенны, поскольку имеет соприкасающиеся участки. Поэтому специалистами компании Fractus была предложена ее модификация, получившая название «Peanodec» (рисунок 11).

Рисунок 11 - Вариант модификации кривой Пеано («Peanodec»): а) первая, б) вторая в) третья итерации

Перспективное применение антенн с топологией Коха - MIMO-системы связи (системы связи со многими входами и выходами). Для миниатюризации антенных решеток абонентских терминалов в таких средствах коммуникации специалисты Лаборатории электромагнетизма Университета Патраса (Греция) предложили фрактальное подобие перевернутой L-антенны (ILA). Суть идеи сводится к изгибу вибратора Коха на 90° в точке, делящей его на сегменты с соотношением длин 2:1. Для мобильных средств связи с частотой несущей ~2,4 Гц габариты такой антенны в печатном исполнении составляют 12,33Ч10,16 мм (~л/10Чл/12), полоса пропускания - ~20% и КПД - 93%.

Рисунок 12 - Пример двухдиапазонной (2,45 и 5,25 ГГц) антенной решетки

Диаграмма направленности по азимуту почти равномерна, коэффициент усиления в пересчете к входу фидера составляет ~3,4 дБ. Правда, как отмечено в статье, работа таких печатных элементов в составе решетки (рисунок 12) сопровождается снижением их КПД по сравнению с единичным элементом. Так, на частоте 2,4 ГГц КПД согнутого на 90° монополя Коха снижается с 93 до 72%, а на частоте 5,2 ГГц - с 90 до 80%. Несколько лучше обстоит дело с взаимным влиянием антенн высокочастотной полосы: на частоте 5,25 ГГц развязка между элементами, образующими центральную пару антенн, составляет 10 дБ. Что касается взаимного влияния в паре соседних разнодиапазонных элементов, то в зависимости от частоты сигнала развязка изменяется от 11 дБ (на 2,45 ГГц) до 15 дБ (на частоте 5,25 ГГц). Причина ухудшения эффективности работы антенн - взаимное влияние печатных элементов.

Таким образом, возможность выбора множества разнообразных параметров антенной системы на основе ломаной Коха позволяет при проектировании удовлетворять различные требования, предъявляемые к значению внутреннего сопротивления и распределению резонансных частот. Однако, поскольку взаимозависимость рекурсивной размерности и характеристик антенны может быть получена только для определенной геометрии, справедливость рассмотренных свойств, для других рекурсивных конфигураций нуждается в дополнительном исследовании.

3.3 Характеристики фрактальных антенн

Представленная на рисунке 13 или 20 антенна по фракталу Коха - лишь один из вариантов, реализуемый при использовании равностороннего инициирующего треугольника рекурсии, т.е. угол и при его основании (indentation angle или «угол углубления») равен 60°. Такой вариант фрактала Коха принято называть стандартным. Вполне естественно задаться вопросом, можно ли использовать модификации фрактала с иными значениями этого угла. Виной предложил рассматривать угол при основании инициирующего треугольника в качестве параметра, характеризующего антенную конструкцию. Изменяя этот угол, можно получать аналогичные рекурсивные кривые разной размерности (рисунок 13). Кривые сохраняют свойство самоподобия, однако результирующая длина линии может быть различной, что влияет на характеристики антенны. Виной первым исследовал корреляцию между свойствами антенны и размерностью обобщенного фрактала Коха D, определяемой в общем случае зависимостью

(1)

Было показано, что по мере увеличения угла и размерность фрактала также увеличивается, и при и>90° приближается к 2. Следует отметить, что используемое в теории фрактальных антенн понятие размерности несколько противоречит понятиям, принятым в геометрии, где эта мера применима только к бесконечно рекурсивным объектам.

Рисунок 13 - Построение кривой Коха с углом и а) 30° и б) 70° при основании треугольника в генераторе фрактала

С увеличением размерности нелинейно возрастает и общая длина ломаной линии, определяемая соотношением:

(2)

где L0 - длина линейного диполя, расстояние между концами которого то же, что и у ломаной Коха, n - номер итерации. Переход от и = 60° к и = 80° на шестой итерации позволяет увеличить общую длину префрактала более чем в четыре раза. Как и следовало ожидать, между рекурсивной размерностью и такими свойствами антенны, как первичная резонансная частота, внутреннее сопротивление на резонансе и многодиапазонные характеристики, существует прямая связь. На основе компьютерных расчетов Виной получил зависимость первой резонансной частоты диполя Коха fk от размерности префрактала D, номера итерации n и резонансной частоты прямолинейного диполя fD той же высоты, что и ломаная Коха (по крайним точкам):

(3)

Рисунок 14 - Эффект «просачивания» электромагнитной волны

В общем случае для внутреннего сопротивления диполя Коха на первой резонансной частоте справедливо приближенное соотношение, приведенное:

(4)

где R0 - внутреннее сопротивление линейного диполя (D=1), которое в рассматриваемом случае равно 72 Ом. Выражения (3) и (4) можно использовать для определения геометрических параметров антенны с требуемыми значениями резонансной частоты и внутреннего сопротивления. Многополосные свойства диполя Коха также весьма чувствительны к значению угла и. С увеличением и номиналы резонансных частот сближаются, а, следовательно, растет их число в заданном спектральном диапазоне (рисунок 15). При этом, чем выше номер итерации, тем сильнее это сближение.

Рисунок 15 - Эффект сужения интервала между резонансными частотами

В Университете штата Пенсильвания был исследован еще один важный аспект диполя Коха - влияние несимметричности его запитки на степень приближения внутреннего сопротивления антенны к 50 Ом. В линейных диполях точка питания часто располагается асимметрично. Этот же подход может быть использован и для фрактальной антенны в виде кривой Коха, внутреннее сопротивление которой меньше нормативных значений. Так, в третьей итерации внутреннее сопротивление стандартного диполя Коха (и= 60°) без учета потерь при подключении фидера в центре составляет 28 Ом. При перемещении фидера к одному из концов антенны можно получить сопротивление 50 Ом.

Все рассмотренные до сих пор конфигурации ломаной Коха синтезировались рекурсивно. Однако, согласно Виной, если нарушить это правило, в частности, задавая разные углы и? на каждой новой итерации, свойства антенны можно изменять с большей гибкостью. Для сохранения подобия целесообразно выбрать регулярную схему изменения угла и. Например, изменять его по линейному закону иn =иn-1 - Ди·n, где n - номер итерации, Ди? - приращение угла в основании треугольника. Вариантом такого принципа построения ломаной является следующая последовательность углов: и1 = 20° для первой итерации, и2 = 10° для второй и т.д. Конфигурация вибратора в этом случае не будет строго рекурсивной, однако все его сегменты, синтезированные в одной итерации, будут иметь одинаковые размеры и форму. Поэтому геометрия такой гибридной ломаной воспринимается как самоподобная. При малом числе итераций наряду с отрицательным приращением Ди?может применяться квадратичное либо иное нелинейное изменение угла иn.

Рассмотренный подход позволяет задавать распределение резонансных частот антенны и значения ее внутреннего сопротивления. Однако перестановка порядка изменения значений углов и в итерациях не дает эквивалентного результата. Для одной и той же высоты ломаной линии различные комбинации одинаковых углов, к примеру и1 = 20°, и2 = 60° и и1= 60°, и2 = 20° (рисунок 16), дают одинаковую развернутую длину префракталов. Но, против ожидания, полное совпадение параметров не обеспечивает тождества резонансных частот и идентичность многополосных свойств антенн. Причина - изменение внутреннего сопротивления сегментов ломаной, т.е. ключевую роль играет конфигурация проводника, а не его размеры.

Рисунок 16 - Обобщенные префракталы Коха второй итерации с отрицательным приращением Dq (а), положительным приращением Dq (б) и третьей итерации с отрицательным приращением Dq = 40°, 30°, 20° (в)

4. Примеры фрактальных антенн

4.1 Обзор антенн

Антенная тематика является одной из наиболее перспективных и представляющих значительный интерес в современной теории передачи информации. Такое стремление развивать именно эту сферу научного развития, связано с непрерывно возрастающими требованиями к скорости и способам передачи информации в современном технологическом мире. Каждый день, общаясь друг с другом, мы передаем информацию таким естественным для нас способом - по воздуху. Точно таким же образом ученным пришла в голову мысль, научить общаться и многочисленные компьютерные сети.

Результатом стало появление новых разработок в этой области, их утверждение на рынке компьютерного оборудования, а позже и принятие стандартов беспроводной передачи информации. На сегодняшний день уже являются утвержденными и общепринятыми технологии передачи, такие, как BlueTooth, WiFi. Но на этом развитие не останавливается, и не может остановиться, появляются новые требования, новые пожелание рынка.

Скорости передачи, такие удивительно быстрые на момент разработки технологий, сегодня уже не удовлетворяют требованиям и пожеланиям пользователей этих разработок. Несколько ведущих центров разработок начали новый проект WiMAX с целью повысить скорость, основанных на расширении канала в уже существующем стандарте WiFi. Какое место во всем этом занимает антенная тематика?

Проблему расширение канала передачи можно частично решить, введя ещё большее сжатие, чем существующее. Использование же фрактальных антенн позволит решить эту проблему более качественно и наиболее эффективно. Причиной этого является то, что фрактальные антенны и частотноизбирательные поверхности и объемы на их основе обладают уникальными электродинамическими характеристиками, а именно: широкополосностью, повторяемостью пропускных полос в частотном диапазоне и т.д.

4.1.1 Построение древа Кейли

Древо Кейли является одним из классических примеров фрактальных множеств. Его нулевая итерация - всего лишь отрезок прямой заданной длины l. Первая и каждая следующая нечетная итерации представляет собой два отрезка точно такой же длины l как и предыдущая итерация, расположенных перпендикулярно отрезку предыдущей итерации так, что концы его соединены с серединой отрезков.

Вторая и каждая следующая четная итерация фрактала - это два отрезка l/2 в половину длины предыдущей итерации, расположенных, как и прежде, перпендикулярно предыдущей итерации.

Результаты построения древа Кейли приведены на рисунке 17. Общая высота антенны составляет 15/8l, а ширина - 7/4l.

Рисунок 17 - Построение древа Кейли

Расчеты и анализ антенны типа «Древо Кейли» были выполнены теоретические расчеты фрактальной антенны в виде древа Кейли 6-го порядка. Для решения этой практической задачи был задействован достаточно мощный инструмент по строгому расчету электродинамических свойств, проводящих элементов - программа ЭДЭМ. Мощные инструменты и удобный интерфейс этой программы делают её незаменимым для такого уровня расчетов.

Перед авторами стояла задача проектирования антенны, оценка теоретических значений резонансных частот приема и пропускания сигнала, представление задачи в интерфейсе языка программы ЭДЭМ. Спроектированная фрактальная антенна на основе «Древа Кейли" показана на рисунке 18.

Затем, на спроектированную фрактальную антенну направлялась плоская электромагнитная волна, а программа рассчитывала распространение поля до и после антенны, вычисляла электродинамические характеристики фрактальной антенны.

Проведенные авторами результаты расчетов фрактальной антенны «Древо Кейли» позволили сделать следующие выводы. Показано, что ряд резонансных частот повторяется примерно на удвоенном значении от предыдущей частоты. Были определены распределения токов на поверхности антенны. Исследованы участки, как полного пропускания, так и полного отражения электромагнитного поля.

Рисунок 18 - Древо Кейли 6-го порядка

4 .1.2 Мультимедийная антенна

Миниатюризация шагает по планете семимильными шагами. Не за горами появление компьютеров размером с бобовое зерно, пока же компания Fractus предлагает нашему вниманию антенну, габариты которой меньше рисового зёрнышка (рисунок 19).

Рисунок 19 - Фрактальная антенна

Новинка, получившая название Micro Reach Xtend, работает на частоте 2,4 ГГц и поддерживает беспроводные технологии Wi-Fi и Bluetooth, а также некоторые другие менее популярные стандарты. Устройство создано на основе запатентованных технологий фрактальных антенн, а его площадь составляет всего 3,7 х 2 мм. По мнению разработчиков, крошечная антенна позволит уменьшить размер мультимедийных продуктов, в которых она в ближайшем будущем найдёт своё применение, или же запихнуть в один девайс больше возможностей.

Телевизионные станции передают сигналы в диапазоне 50-900 МГц, которые уверенно принимаются на расстоянии многих километров от передающей антенны. Известно, что колебания более высоких частот хуже проходят через здания и различные преграды, чем низкочастотные, которые просто огибают их. Поэтому технология Wi-Fi, используемая в обычных системах беспроводной связи и работающая на частотах выше 2,4 ГГц, обеспечивает приём сигнала лишь на расстоянии не больше 100 м. С такой несправедливостью по отношению к передовой Wi-Fi-технологии скоро будет покончено, конечно, без вреда для ТВ-потребителей. В будущем приборы, созданные на основе Wi-Fi-технологии, будут работать на частотах между работающими ТВ-каналами, увеличивая, таким образом, дальность уверенного приёма. Чтобы не мешать работе телевидения, каждая из Wi-Fi-систем (передатчик и приёмник) будет постоянно сканировать лежащие рядом частоты, предотвращая столкновения в эфире. При переходе на более широкий частотный диапазон возникает необходимость иметь антенну, одинаково хорошо принимающую сигналы и высоких, и низких частот. Обычные штыревые антенны не отвечают этим требованиям, т.к. они в соответствии со своей длиной избирательно принимают частоты определённой длины волны. Антенной, подходящей для приёма сигналов в широком частотном диапазоне, стала так называемая фрактальная антенна, имеющая форму фрактала - структуры, выглядящей одинаково независимо от того, с каким увеличением мы её рассматриваем. Фрактальная антенна ведёт себя так, как вела бы себя структура из множества штырьковых антенн разной длины, скрученных между собой.

4.1.3 «Ломаная» антенна

Американский инженер Натан Коэн лет десять назад решил собрать дома любительскую радиостанцию, но столкнулся с неожиданной трудностью . Его квартира находилась в центре Бостона, и городские власти строго запретили ставить антенну снаружи здания. Выход нашелся неожиданно, перевернув всю последующую жизнь радиолюбителя.

Вместо того чтобы изготовить антенну традиционной формы, Коэн взял кусок алюминиевой фольги и вырезал из него фигуру в форме математического объекта, известного как кривая Кох. Кривая эта, открытая в 1904 году немецким математиком Хельгой фон Кох, - фрактал, ломаная линия, которая выглядит как серия бесконечно уменьшающихся треугольников, вырастающих один из другого подобно крыше многоступенчатой китайской пагоды. Как и все фракталы, эта кривая «самоподобна», то есть на любом, самом малом отрезке имеет один и тот же вид, повторяя саму себя. Строят такие кривые путем бесконечного повторения простой операции. Линия делится на равные отрезки, и на каждом делается изгиб в виде треугольника (метод фон Кох) или квадрата (метод Германа Минковского). Затем на всех сторонах получившейся фигуры в свою очередь выгибаются аналогичные квадраты или треугольники, но уже меньшего размера. Продолжая построение до бесконечности, можно получить кривую, «сломанную» в каждой точке (рисунок 20).

Рисунок 20 - Построение кривой Кох и Минковского

Построение кривой Кох - одного из самых первых фрактальных объектов. На бесконечной прямой выделяются отрезки длиной l. Каждый отрезок делится на три равные части, и на средней строится равносторонний треугольник со стороной l/3. Далее процесс повторяется: на отрезках l/3 строятся треугольники со сторонами l/9, на них - треугольники со сторонами l/27 и так далее. Эта кривая обладает самоподобием, или масштабной инвариантностью: каждый ее элемент в уменьшенном виде повторяет саму кривую.

Фрактал Минковского строится аналогично кривой Кох и имеет такие же свойства. При его построении вместо системы треугольников на прямой строятся меандры - «прямоугольные волны» бесконечно убывающих размеров.

Строя кривую Кох, Коэн ограничился только двумя-тремя шагами. Затем он наклеил фигуру на небольшой лист бумаги, присоединил ее к приемнику и с удивлением обнаружил, что она работает не хуже обычных антенн. Как оказалось позднее, его изобретение стало родоначальником принципиально нового типа антенн, ныне выпускаемых серийно.

Антенны эти очень компактны: встроенная в корпус фрактальная антенна для мобильного телефона имеет размер обычного слайда (24 х 36 мм). Кроме того, они работают в широком диапазоне частот. Все это обнаружено экспериментально; теории фрактальных антенн пока не существует.

Параметры фрактальной антенны, сделанной серией последовательных шагов по алгоритму Минковского, меняются очень интересным образом. Если прямолинейную антенну изогнуть в форме «прямоугольной волны» - меандра, ее усиление возрастет. Все последующие меандры усиления антенны уже не меняют, но диапазон принимаемых ею частот расширяется, а сама антенна при этом становится гораздо компактнее. Правда, эффективными оказываются лишь первые пять-шесть шагов: чтобы сгибать проводник дальше, придется уменьшить его диаметр, а это повысит сопротивление антенны и приведет к потере усиления.

Пока одни ломают голову над теоретическими проблемами, другие активно внедряют изобретение в жизнь. Как считает Натан Коэн, ныне профессор университета в Бостоне и главный технический инспектор «Fractal Antenna Systems», «через несколько лет фрактальные антенны станут неотъемлемой частью сотовых и радиотелефонов и многих других устройств с беспроволочной связью».

антенна решетка фрактальный

4.2 Применение фрактальных антенн

Среди множества антенных конструкций, используемых сегодня в средствах связи, вынесенный в заголовок статьи тип антенн является сравнительно новым и принципиально отличается от известных решений. Первые публикации, рассматривавшие электродинамику фрактальных структур, появились еще в 80-е годы XX века. Начало же практическому использованию фрактального направления в антенной технике более 10 лет назад положил американский инженер Натан Коэн, ныне профессор Боаонского университета и главный технический инспектор компании «Fractal Antenna Systems». Проживая в центре Бостона, дабы обойти запрет городских властей на установку наружных антенн, он решил замаскировать антенну любительской радиостанции под декоративную фигуру из алюминиевой фольги. За основу он взял известную в геометрии кривую Кох (рисунок 20), описание которой в 1904 г. предложил шведский математик Нильс Фабиан Хельге фон Кох (1870-1924).

Подобные документы

Понятие и принцип работы передающих антенн и их диаграммы направленности. Расчет размеров и резонансных частот для фрактальных антенн. Проектирование печатной микрополосковой антенны на основании фрактала Коха и 10 макетов антенн проволочного типа.

дипломная работа , добавлен 02.02.2015


Развитие фрактальных антенн. Методы построения и принцип работы фрактальной антенны. Построение кривой Пеано. Формирование фрактальной прямоугольной ломанной антенны. Двухдиапазонная антенная решетка. Фрактальные частотно–избирательные поверхности.

дипломная работа , добавлен 26.06.2015


Структурная схема модуля приемной активных фазированных антенных решеток. Расчёт относительного уменьшения возбуждения на краю антенны. Энергетический потенциал приемной фазированных антенных решеток. Точность выставки луча. Выбор и расчет излучателя.

курсовая работа , добавлен 08.11.2014


Знакомство с видами деятельности ООО "Антенн-Сервис": монтаж и ввод в эксплуатацию эфирных и спутниковых антенных комплексов, проектирование телекоммуникационных сетей. Общая характеристика основных свойств и области применения спутниковых антенн.

дипломная работа , добавлен 18.05.2014


Виды и классификация антенн систем сотовой связи. Технические характеристики антенны KP9-900. Основные потери эффективности антенны в рабочем положении аппарата. Методы расчета антенн для сотовых систем связи. Характеристики моделировщика антенн MMANA.

курсовая работа , добавлен 17.10.2014


Типы устройств СВЧ в схемах распределительных трактов антенных решеток. Проектирование устройств СВЧ на основе метода декомпозиции. Работа с программой "Модель-С" для автоматизированного и параметрического видов синтеза многоэлементных устройств СВЧ.

контрольная работа , добавлен 15.10.2011


Основные задачи теории антенн и характеристики данного приспособления. Уравнения Максвелла. Поле электрического диполя в неограниченном пространстве. Отличительные особенности вибраторных и апертурных антенн. Способы управления амплитудой решеток.

учебное пособие , добавлен 27.04.2013


Линейная решетка с цилиндрической спиральной антенной в качестве излучателя. Применение антенных решеток для обеспечения качественной работы антенны. Проектирование сканирующей в вертикальной плоскости антенной решетки. Расчет одиночного излучателя.

курсовая работа , добавлен 28.11.2010


Методы создания эффективных антенн. Линейная антенная решётка. Оптимальная антенна бегущей волны. Коэффициент направленного действия. Плоские антенные решетки. Входное сопротивление излучающего элемента. Особенность и применение неэквидистантных решеток.

курсовая работа , добавлен 14.08.2015


Применение антенн как для излучения, так и для приема электромагнитных волн. Существование большого многообразия различных антенн. Проектирование линейной решетки стержневых диэлектрических антенн, которая собрана из стержневых диэлектрических антенн.

УДК 621.396

фрактальная сверхширокополосная антенна на основе кругового монополя

Г. И. Абдрахманова

Уфимский государственный авиационный технический университет,

Universita degli studi di Trento

Аннотация. В статье рассмотрена задача проектирования сверхширокополосной антенны на основе фрактальной технологии. Представлены результаты исследований изменения характеристик излучения в зависимости от величины коэффициента масштаба и уровня итерации. Проведена параметрическая оптимизация геометрии антенны на соответствие требованиям коэффициента отражения. Размеры разработанной антенны составляют 34 × 28 мм 2 , а диапазон рабочих частот – 3,09 ÷ 15 ГГц.

Ключевые слова: сверхширокополосная радиосвязь, фрактальная технология, антенны, коэффициент отражения.

Abstract: The development of a new ultra-wideband antenna on the basis of fractal technology is described in the paper. The research results on radiation characteristics changes depending on the value of scale factor and iteration level are presented. The parametric optimization of the antenna geometry for satisfying the reflection coefficient requirements was applied. The developed antenna size is 28 × 34 mm 2 , and the bandwidth – 3,09 ÷ 15 GHz.

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

1 Введение

На сегодняшний день сверхширокополосные (СШП) системы связи представляют большой интерес для разработчиков и производителей телекоммуникационного оборудования, поскольку позволяют передавать огромные потоки данных с высокой скоростью в сверхширокой полосе частот на безлицензионной основе. Особенности передаваемых сигналов подразумевают отсутствие мощных усилителей и сложных компонентов обработки сигналов в составе приемо-передающих комплексов, но ограничивают дальность действия (5-10 м).

Отсутствие соответствующей элементной базы, способной эффективно работать со сверхкороткими импульсами, сдерживает массовое внедрение СШП технологии.

Приемо-передающие антенны являются одним из ключевых элементов, влияющих на качество передачи/приема сигналов. Основное направление патентов и исследований в области проектирования антенной техники для СШП устройств состоит в миниатюризации и снижении производственных затрат при обеспечении требуемых частотных и энергетических характеристик, а также в применении новых форм и структур.

Так, в геометрия антенны построена на основе сплайна с прямоугольной П-образной прорезью в центре, что позволяет оперировать в СШП полосе с функцией заграждения WLAN -диапазона, размеры антенны – 45,6×29 мм 2 . Ассиметричная Е-образная фигура размером 28×10 мм 2 , расположенная на высоте 7 мм относительно проводящей плоскости (50×50 мм 2) выбрана в качестве излучающего элемента в . Планарная монопольная антенна (22×22 мм 2), спроектированная на основе прямоугольного излучающего элемента и лестничной резонансной структуры на оборотной стороне, представлена .

2 Постановка задачи

Ввиду того, что круговые структуры могут обеспечивать довольно широкую полосу пропускания, упрощение конструкции, малые размеры и снижение затрат при производстве, в данной работе предлагается разработать СШП антенну на основе кругового монополя. Требуемый диапазон рабочих частот – 3,1 ÷ 10,6 ГГц по уровню -10 дБ коэффициента отражения S 11 , (рис. 1).

Рис. 1. Требуемая маска для коэффициента отражения S 11

С целью миниатюризации геометрия антенны будет модернизирована за счет применения фрактальной технологии, что также позволит исследовать зависимость характеристик излучения от значения коэффициента масштаба δ и уровня итерации фрактала.

Далее поставлена задача оптимизации разработанной фрактальной антенны с целью расширения рабочего диапазона за счет изменения следующих параметров: длины центрального проводника (ЦП) компланарного волновода (КВ), длины плоскости земли (ПЗ) КВ, расстояния «ПЗ КВ - излучающий элемент (ИЭ)».

Моделирование антенны и численные эксперименты проводятся в среде « CST Microwave Studio ».

3 Выбор геометрии антенны

В качестве базового элемента выбран круговой монополь, размеры которого составляют четверть длины волны требуемого диапазона:

где L ar – длина излучающего элемента антенны без учета ЦП; f L – нижняя граничная частота, f L = f min uwb = 3,1·10 9 Гц; с – скорость света, с = 3·10 8 м/с 2 .

Получаем L ar = 24,19 мм ≈ 24 мм. Учитывая, что в качестве ИЭ выбран круг радиусом r = L ar / 2 = 12 мм, и принимая первоначальную длину ЦП L f также равной r , получаем нулевую итерацию (рис. 2).

Рис. 2. Нулевая итерация антенны

Диэлектрическая подложка толщиной T s и со значениями параметров ε s = 3,38, tg δ = 0,0025 используется как основа, на лицевой стороне которой размещены ИЭ, ЦП и ПЗ. При этом расстояния « ПЗ-ЦП» Z v и « ПЗ-ИЭ» Z h приняты равными 0,76 мм. Значения остальных параметров, используемых в процессе моделирования, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры антенны (δ = 2)

Антенна запитана при помощи компланарного волновода, состоящего из центрального проводника и плоскости земли, SMA -коннектора и расположенного перпендикулярно ему компланарного волноводного порта (КВП) (рис. 3).

где ε eff – эффективная диэлектрическая проницаемость:

K – полный эллиптический интеграл первого рода;

Фрактальность при построении антенны заключается в особом способе упаковки элементов: последующие итерации антенны образуются за счет размещения кругов меньшего радиуса в элементах предыдущей итерации. При этом коэффициент масштаба δ определяет, во сколько раз будут отличаться размеры соседних итераций. Данный процесс для случая δ = 2 представлен на рис. 4.

Рис. 4. Первая, вторая и третья итерации антенны (δ = 2)

Так, первая итерация получена за счет вычитания двух кругов радиусом r 1 из исходного элемента. Вторая итерация образована за счет размещения уменьшенных в два раза металлических кругов радиусом r 2 в каждом круге первой итерации. Третья итерация аналогична первой, но радиус при этом r 3 . В работе рассматривается вертикальное и горизонтальное расположение кругов.

3.1 Горизонтальное расположение элементов

Динамика изменения коэффициента отражения в зависимости от уровня итерации представлена на рис. 5 для δ = 2 и на рис. 6 для δ = 3. Каждому новому порядку соответствует одна дополнительная резонансная частота. Так, нулевой итерации в рассматриваемом диапазоне 0 ÷ 15 ГГц соответствуют 4 резонанса, первой итерации – 5 и т. д. При этом, начиная со второй итерации, изменения в поведении характеристик становятся менее заметными.

Рис. 5. Зависимость коэффициента отражения от порядка итерации (δ = 2)

Суть моделирования заключается в том, что на каждом этапе из рассматриваемых характеристик выбирается та, которая определена как наиболее перспективная. В связи с этим введено правило:

Если превышение (разница) в диапазоне, где полки выше -10 дБ, невелико, то следует выбирать ту характеристику, у которой ниже полки в рабочем диапазоне (ниже -10 дБ), т. к. в результате оптимизации первые будут устранены, а вторые опущены еще ниже.

Рис. 6. Зависимость коэффициента отражения от порядка итерации (δ = 3)

На основании полученных данных и в соответствии с данным правилом для δ = 2 выбрана кривая, соответствующая первой итерации, для δ = 3 – второй итерации.

Далее предлагается исследовать зависимость коэффициента отражения от значения коэффициента масштаба. Рассмотрим изменение δ в диапазоне 2 ÷ 6 с шагом 1 в пределах первой и второй итераций (рис. 7, 8).

Интересное поведение графиков состоит в том, что, начиная с δ = 3, характеристики становятся более пологими и гладкими, количество резонансов остается постоянным, а рост δ сопровождается повышением уровня S 11 в четных диапазонах и снижением – в нечетных.

Рис. 7. Зависимость коэффициента отражения от коэффициента масштаба для первой итерации (δ = 2; 3; 4; 5; 6)

В данном случае для обеих итераций выбрано значение δ = 6.

Рис. 8. Зависимость коэффициента отражения от коэффициента масштаба для второй итерации (δ = 2; 3; 4; 5; 6)

δ = 6, поскольку она характеризуется самыми низкими полками и глубокими резонансами (рис. 9).

Рис. 9. Сравнение S 11

3.2 Вертикальное расположение элементов

Динамика изменения коэффициента отражения в зависимости от уровня итерации для случая вертикального расположения кругов представлена на рис. 10 для δ = 2 и на рис. 11 для δ = 3.

Рис. 10. Зависимость коэффициента отражения от порядка итерации (δ = 2)

На основании полученных данных и в соответствии с правилом для δ = 2 и δ = 3 выбрана кривая, соответствующая третьей итерации.

Рис. 11. Зависимость коэффициента отражения от порядка итерации (δ = 3)

Рассмотрение зависимости коэффициента отражения от значения коэффициента масштаба в пределах первой и второй итераций (рис. 12, 13) выявляет оптимальное значение δ = 6, как и в случае горизонтального расположения.

Рис. 12. Зависимость коэффициента отражения от коэффициента масштаба для первой итерации (δ = 2; 3; 4; 5; 6)

В данном случае для обоих итераций выбрано значение δ = 6, которое также представляет собой n -кратный фрактал, а значит, возможно, должен совмещать в себе особенности δ = 2 и δ = 3.

Рис. 13. Зависимость коэффициента отражения от коэффициента масштаба для второй итерации (δ = 2; 3; 4; 5; 6)

Таким образом, из четырех сравниваемых вариантов выбрана кривая, соответствующая второй итерации, δ = 6, как и в предыдущем случае (рис. 14).

Рис. 14. Сравнение S 11 для четырех рассматриваемых геометрий антенны

3.3 Сравнение

Рассматривая лучшие варианты вертикальной и горизонтальной геометрий, полученные в двух предыдущих подразделах, выбор останавливается на первой (рис. 15), хотя в данном случае разница между этими вариантами не столь велика. Рабочие диапазоны частот: 3,825÷4,242 ГГц и 6,969÷13,2 ГГц. Далее конструкция будет модернизирована с целью разработки антенны, функционирующей во всем СШП диапазоне.

Рис. 15. Сравнение S 11 для выбора итогового варианта

4 Оптимизация

В данном разделе рассматривается оптимизация антенны на основе второй итерации фрактала со значением коэффициента δ = 6. Варьируемые параметры представлены на , а диапазоны их изменений – в таблице 2.

Рис. 20. Внешний вид антенны: а) лицевая сторона; б) оборотная сторона

На рис. 20 приведены характеристики, отражающие динамику изменения S 11 по шагам и доказывающие обоснованность каждого последующего действия. В таблице 4 показаны резонансные и граничные частоты, используемые далее для расчета поверхностных токов и диаграммы направленности.

Таблица 3. Рассчитанные параметры антенны

Распределение поверхностных токов антенны на резонансных и граничных частотах СШП диапазона представлено на рис. 21, а диаграммы направленности – на рис. 22.

а) 3,09 ГГц б) 3,6 ГГц

в) 6,195 ГГц г) 8,85 ГГц

д) 10,6 ГГц е) 12,87 ГГц

Рис. 21. Распределение поверхностных токов

а) F (φ ), θ = 0° б) F (φ ), θ = 90°

в) F (θ ), φ = 0° г) F (θ ), φ = 90°

Рис. 22. Диаграммы направленности в полярной системе координат

5 Заключение

В данной работе представлен новый метод проектирования СШП антенн на основе применения фрактальной технологии. Данный процесс подразумевает два этапа. Первоначально определяется геометрия антенны посредством выбора соответствующего коэффициента масштаба и уровня итерации фрактала. Далее к полученной форме применяется параметрическая оптимизация на основе изучения влияния размеров ключевых компонентов антенны на характеристики излучения.

Установлено, что с ростом порядка итерации количество резонансных частот увеличивается, а возрастание коэффициента масштаба в пределах одной итерации характеризуется более пологим поведением S 11 и постоянством резонансов (начиная с δ = 3).

Разработанная антенна обеспечивает качественный прием сигналов в полосе частот 3,09 ÷ 15 ГГц по уровню 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

Исследование поддержано грантом Европейского Союза « Erasmus Mundus Action 2», также А. Г. И. благодарит профессора Paolo Rocca за полезное обсуждение.

Литература

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

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

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

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

За последние полвека жизнь стремительно стала меняться. Большинство из нас принимает достижения современных технологий как должное. Ко всему, что делает жизнь более комфортной, привыкаешь очень быстро. Редко кто задается вопросами «Откуда это взялось?» и «Как оно работает?». Микроволновая печь разогревает завтрак - ну и прекрасно, смартфон дает возможность поговорить с другим человеком - отлично. Это кажется нам очевидной возможностью.

Но жизнь могла бы быть совершенно иной, если бы человек не искал объяснения происходящим событиям. Взять, например, сотовые телефоны. Помните выдвижные антенны на первых моделях? Они мешали, увеличивали размеры устройства, в конце концов, часто ломались. Полагаем, они навсегда канули в Лету, и отчасти виной тому… фракталы.

Фрактальные рисунки завораживают своими узорами. Они определенно напоминают изображения космических объектов - туманностей, скопления галактик и так далее. Поэтому вполне закономерно, что, когда Мандельброт озвучил свою теорию фракталов, его исследования вызвали повышенный интерес у тех, кто занимался изучением астрономии.

Один из таких любителей по имени Натан Коэн (Nathan Cohen) после посещения лекции Бенуа Мандельброта в Будапеште загорелся идеей практического применения полученных знаний. Правда, сделал он это интуитивно, и не последнюю роль в его открытии сыграл случай. Будучи радиолюбителем, Натан стремился создать антенну, обладающую как можно более высокой чувствительностью.
Единственный способ улучшить параметры антенны, который был известен на то время, заключался в увеличении ее геометрических размеров. Однако владелец жилья в центре Бостона, которое арендовал Натан, был категорически против установки больших устройств на крыше.

Тогда Натан стал экспериментировать с различными формами антенн, стараясь получить максимальный результат при минимальных размерах. Загоревшись идеей фрактальных форм, Коэн, что называется, наобум сделал из проволоки один из самых известных фракталов - «снежинку Коха».

Шведский математик Хельге фон Кох (Helge von Koch) придумал эту кривую еще в 1904 году. Она получается путем деления отрезка на три части и замещения среднего сегмента равносторонним треугольником без стороны, совпадающей с этим сегментом. Определение немного сложное для восприятия, но на рисунке все ясно и просто.

Существуют также другие разновидности «кривой Коха», но примерная форма кривой остается похожей.
Когда Натан подключил антенну к радиоприемному устройству, он был очень удивлен - чувствительность резко увеличилась. После серии экспериментов будущий профессор Бостонского университета понял, что антенна, сделанная по фрактальному рисунку, имеет высокий КПД и покрывает гораздо более широкий частотный диапазон по сравнению с классическими решениями. Кроме того, форма антенны в виде кривой фрактала позволяет существенно уменьшить геометрические размеры.

Натан Коэн даже вывел теорему, доказывающую, что для создания широкополосной антенны достаточно придать ей форму самоподобной фрактальной кривой. Автор запатентовал свое открытие и основал фирму по разработке и проектированию фрактальных антенн Fractal Antenna Systems , справедливо полагая, что в будущем благодаря его открытию сотовые телефоны смогут избавиться от громоздких антенн и станут более компактными.

В принципе, так и произошло. Правда, и по сей день Натан ведет судебную тяжбу с крупными корпорациями, которые незаконно используют его открытие для производства компактных устройств связи. Некоторые известные производители мобильных устройств, как, например, Motorola, уже пришли к мирному соглашению с изобретателем фрактальной антенны.

PS: Предвидя возникшие вопросы по этой теме, предполагаю не столь эффективную работу таких антенн. Физику и природу не обманешь. Всякое скручивание и уменьшение размеров антенн вызывает уменьшение её КПД. Такого рода антенны и системы из них возможно применять на достаточно высоких частотах и при желании их миниатюризации. Это уже находит своё применение в сотовых телефонах, резонаторах на микросхемах, печатных платах и так далее.
Высокой эффективности ждать здесь не приходится, но работать в стиснённых условиях они будут и уже работают.

Ответы на вопросы из форума, гостевой и почты.

Мир не без добрых людей:-)
Валерий UR3CAH: "Добрый день, Егор. Я думаю данная статья (а именно раздел "Фрактальные антенны: лучше меньше, да лучше") соответствует тематики Вашего сайта и будет Вам интересна:) А правда ли это? 73!"
Да, конечно интересна. Мы в какой-то степени уже касались этой темы при обсуждении геометрии гексабимов . Там тоже была дилема с "уложением" электрической длины в геометрические размеры:-). Так что спасибо, Валерий, большое за присланный материал.
"Фрактальные антенны: лучше меньше, да лучше
За последние полвека жизнь стремительно стала меняться. Большинство из нас принимает достижения современных технологий как должное. Ко всему, что делает жизнь более комфортной, привыкаешь очень быстро. Редко кто задается вопросами «Откуда это взялось?» и «Как оно работает?». Микроволновая печь разогревает завтрак - ну и прекрасно, смартфон дает возможность поговорить с другим человеком - отлично. Это кажется нам очевидной возможностью.
Но жизнь могла бы быть совершенно иной, если бы человек не искал объяснения происходящим событиям. Взять, например, сотовые телефоны. Помните выдвижные антенны на первых моделях? Они мешали, увеличивали размеры устройства, в конце концов, часто ломались. Полагаем, они навсегда канули в Лету, и отчасти виной тому… фракталы.

Фрактальные рисунки завораживают своими узорами. Они определенно напоминают изображения космических объектов - туманностей, скопления галактик и так далее. Поэтому вполне закономерно, что, когда Мандельброт озвучил свою теорию фракталов, его исследования вызвали повышенный интерес у тех, кто занимался изучением астрономии. Один из таких любителей по имени Натан Коэн (Nathan Cohen) после посещения лекции Бенуа Мандельброта в Будапеште загорелся идеей практического применения полученных знаний. Правда, сделал он это интуитивно, и не последнюю роль в его открытии сыграл случай. Будучи радиолюбителем, Натан стремился создать антенну, обладающую как можно более высокой чувствительностью.
Единственный способ улучшить параметры антенны, который был известен на то время, заключался в увеличении ее геометрических размеров. Однако владелец жилья в центре Бостона, которое арендовал Натан, был категорически против установки больших устройств на крыше. Тогда Натан стал экспериментировать с различными формами антенн, стараясь получить максимальный результат при минимальных размерах. Загоревшись идеей фрактальных форм, Коэн, что называется, наобум сделал из проволоки один из самых известных фракталов - «снежинку Коха». Шведский математик Хельге фон Кох (Helge von Koch) придумал эту кривую еще в 1904 году. Она получается путем деления отрезка на три части и замещения среднего сегмента равносторонним треугольником без стороны, совпадающей с этим сегментом. Определение немного сложное для восприятия, но на рисунке все ясно и просто.
Существуют также другие разновидности «кривой Коха», но примерная форма кривой остается похожей.
Когда Натан подключил антенну к радиоприемному устройству, он был очень удивлен - чувствительность резко увеличилась. После серии экспериментов будущий профессор Бостонского университета понял, что антенна, сделанная по фрактальному рисунку, имеет высокий КПД и покрывает гораздо более широкий частотный диапазон по сравнению с классическими решениями. Кроме того, форма антенны в виде кривой фрактала позволяет существенно уменьшить геометрические размеры. Натан Коэн даже вывел теорему, доказывающую, что для создания широкополосной антенны достаточно придать ей форму самоподобной фрактальной кривой.
Автор запатентовал свое открытие и основал фирму по разработке и проектированию фрактальных антенн Fractal Antenna Systems, справедливо полагая, что в будущем благодаря его открытию сотовые телефоны смогут избавиться от громоздких антенн и станут более компактными. В принципе, так и произошло. Правда, и по сей день Натан ведет судебную тяжбу с крупными корпорациями, которые незаконно используют его открытие для производства компактных устройств связи. Некоторые известные производители мобильных устройств, как, например, Motorola, уже пришли к мирному соглашению с изобретателем фрактальной антенны."

При кажущейся "нереальной и фантастической" ситуация с приростом полезного сигнала абсолютно реальна и прагматична. Не надо быть семи пядей во лбу чтобы догадатся откуда появляются лишние микровольты. При очень большом увеличении электрической длинны антенны все её ломанные участки располагаются в пространстве синфазно предыдущим. А мы уже знаем откуда берётся усиление в многоэлементных антеннах: за счёт сложения в одном элементе энергии переизлучённой другими элементами. Понятно, что в качестве направленных их использовать по той же причине:-) нельзя, но факт остаётся фактом: фрактальная антенна реально эффективнее прямого провода.

• Назад
• Вперёд

You have no rights to post comments Недостаточно прав для комментирования

• Duchifat: и правда 9 милливатт?

  С новой антенной заметно лучше стал принимать израильский Duchifat-1. Его всегда слышно слабо, но вот вроде со стэком из двух 7ми элемнтных антенн стало получше. Принял пару фреймов телеметрии. Скудновато, боюсь это у меня декодер не верный. Или неточный "перевод" цифр пакета в параметры от DK3WN. В пакете мощность от дачтика (forward) - всего 7,2 милливатта. Но если он говорит правду, то 10 милливатт его мощности на Земле слышно отменно:-)

• Как прекрасен этот мир, посмотри

  Только что посидел за одним столом со всем миром. Прохождение балует равенством микровольт со всех направлений. То же самоео чём я писал и вчера и позавчера. Кто ходит ко мне в гости давно, уже читал. И слушал. Ниже фонограмма трёх интересных QSO проведенных с интервалом минут по 5-7. Между ними были еще связи, но не такие выразительные, японцы, американцы.... Их уже DXами называть нельзя по причине их многочисленности:-)

  Так вот для неверующих три аудио одно за другим 9M2MSO, Малайзия, Пуэрто-Рико NP4JS и наконец очаровательная Сесиль из Венесуэлы YY1YLY. Я благодарен Всевышнему за то что мы такие разные, разноцветные, прикольные и интересные. Все связи как на подбор SSB. как будто специально для тоо, чтобы все могли послушать.... :-)

• Успешный долгожитель

  Пролетал успешный DelfiC3 при его 125 милливаттах отменно слышно, декодируется с Java примочкой RASCAL отменно еще и посылает принятые строки на сайт команды поддержки. AUDIO - Картинка декодера ниже.

  

• Пропал WEB приёмник?

  Только успели поговорить про Java машину, как фирма SUN подсунула нам очереднную свинью:-) Конечно всё для блага пользователя. Только они забыли, что надо оповестить об ужесточении требований безопасности миллионы пользователей WEB приёмников, которые в 90 процентах случаев работают через Java машину. И, кстати, не только их. Создатели WED приёмников (И, кстати, сам Windows тоже:-) пытаются обходиться без JAVA используя HTML5 и прочие извороты, но получается не всегда. Слишком длинная история их связывает: всё замыкается на особенности железа. Мой ноут, например, с помощью HTML5 может обеспечить управление приёмником, но не может получить звук:-) Прикидываете, приёмник всё показывает, но при этом молчит:-) Короче на сегодняшний день ввам поможет только Вадим, UT3RZ.

  "UT3RZ Вадим. Прилуки. http://cqpriluki.at.uaВ связи с обновлением Jawa 14 января 2014 г. до версии 7 Update 51 (build 1.7.0_51-b13) возникли проблемы с прослушиванием WEB SDR приемников.Создатели Jawa, преследуя цели безопасности пользователей компьютеров, в свою новую версию 7 Update 51 внесли необходимость подтверждения пользователем безопасности, вручную.

• Проверьте уши своего TNC

  По причине скуки послушал (потыкал;-) канал диджипитера МКС. Шуршит вполне исправно и достаточно активно. Аудиоконтроль, конечно, всё записал. Жаба задавила прибивать запись. Вот кладу, проверьте настройки своих модемов или TNC. Красиво там, в Космосе. Правда действительно скучновато: одни и те же лица круглый год:-(

  

• Телеграмма UR8RF

  Радіо Промінь
  

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

• Интернет идёт к Морзе

  В декабре 2011г. компания Google объявила о выпуске приложения Gmail под iOS, которое позволяет быстро делать небольшие заметки. В пресс-релизе компании отмечалось, что такими записями пользовались еще пещерные люди, делая рисунки на скалах. И вот теперь софт для быстрых заметок получил свое логическое продолжение – Google объявила о принципиально новом способе набора текста на клавиатуре мобильных устройств.
  Gmail Tap – так называется приложение, с которым переход от привычной 26-кнопочной клавиатуры смартфонов на двухкнопочную станет реальностью. Вы не ослышались. Отныне пользователи устройств как на iOS, так и на Android смогут использовать Gmail Tap для набора текстовых сообщений при помощи лишь двух кнопок – точки и тире. Специалисты Google во главе с Ридом Морзе (пра-правнуком знаменитого изобретателя азбуки Морзе) предлагают пользователям упрощенную версию «Морзянки», с которой СМС-сообщения можно будет набирать не медленнее, чем со стандартной клавиатуры. Вызывает восхищение возможность набирать два сообщения одновременно. Режим для продвинутых пользователей «multi email mode» предполагает использование двух клавиатур – стандартной снизу и дополнительной в верхней части экрана. И даже начинающий пользователь Gmail Tap сможет быстро научиться набирать текст, практически не глядя на клавиатуру. Посмотрите, как это просто:

Как мы рассматривали в предыдущих статьях - было установлено, что эффективность фрактальных антенн примерно на 20% больше, чем обычные антенны. Это может быть очень полезным для применения. Особенно, если вы хотите, чтобы ваша собственная телевизионная антенна воспринимала цифровой сигнал или видео высокой четкости, для увеличения диапазона сотовых телефонов, Wi-Fi диапазона, FM или AM радиоприемника, и так далее.

Большинство сотовых телефонов уже имеют встроенные фрактальные антенны. Если вы заметили, в последние несколько лет, мобильные телефоны уже не имеют антенн на внешней стороне. Это потому, что у них есть внутренние фрактальные антенны выгравированные на печатной плате, что позволяет им получить более качественный прием и воспринимать больше частот, таких как Bluetooth, сотовый сигнал и Wi-Fi все от одной антенны одновременно!

Информация из Wikipedia: "Фрактальная антенна заметно отличается от антенны с традиционной конструкции, тем, что она может работать с хорошей производительности на самых разных частотах одновременно. Обычно стандартные антенны должны быть" вырезаны "на частоте, для которой они должны быть использоваться и, таким образом, стандартная антенна хорошо работает только на этой частоте. Это делает фрактальные антенны отличным решением для широкополосных и многополосный приложений».

Хитрость заключается в том, чтобы создать свою фрактальную антенну, которая будет резонировать на той частоте, какую Вы хотите получить. Это значит, она будет выглядеть по-другому и может быть рассчитана по - разному в зависимости от того, что вы хотите получить. Немного математики и станет понятно как это сделать. (Можно ограничится и он-лайн калькулятором)

В нашем примере, мы сделаем простейшую антенну, но вы можете сделать более сложные антенны. Чем сложнее, тем лучше. Мы будем использовать катушку 18 калибра одножильного провода, необходимую для создания антенны в качестве примера, но вы может пойти дальше, используя ваши собственные платы для травления, чтобы сделать антенну меньшей, или более сложной с большим разрешением и резонансом.

{tab=Телевизионная антенна}

В этом руководстве мы попробуем создать телевизионную антенну для цифрового сигнала или сигнала высокого разрешения передаваемого по радиоканалу. С этими частотами легче работать, длины волн на этих частотах составляют от половины фута до нескольких метров в длину для половины длины волны сигнала. Для ДМВ (децитиметровые волны) схемы вы можете добавить директор (director) или отражатель (рефлектор) которые сделают антенну более зависящей от направления. УКВ (ультракороткие волны) антенны также зависит от направления, но, вместо того чтобы указывать непосредственно на ТВ станции, "уши" дипольных УКВ антенн, дожны быть перпендикулярны к волне телевизионной станции, передающей сигнал.

Для начала найдите, частоты которые вы хотите получить или транслировать. Для ТВ, вот ссылка на график частот: http://www.csgnetwork.com/tvfreqtable.html

И для расчета размера антенны мы будем использовать онлайн-калькулятор: http://www.kwarc.org/ant-calc.html

Вот хороший PDF по проектированию и теории: скачать

Как найти длину волны сигнала: длина волны в футах = (коэффициент скорости света в футах) / (частота в герцах)

1) Коэффициент скорости света в футах = +983571056,43045

2) Коэффициент скорости света в метрах = 299792458

3) Коэффициент скорости света в дюймах = 11802852700

С чего начать: (VHF / UHF дипольный массив с отражателем, который хорошо работает для широкого диапазона частот DB2):

(350 МГц – четверть 8-дюймовый волны - 16 дюймовая полуволна, который падает в диапазоне сверхвысоких частот - между каналами 13 и 14, и которая является центральной частотой между МВ-ДМВ диапазона для лучшего резонанса). Эти требования можно изменить, чтобы работало лучше в вашем районе, так как ваш канал распространения может быть ниже или выше по группе.

На основании материалов по нижеперечисленным ссылкам ( 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) , только фрактальные конструкции позволяют быть более компактными и гибкими и мы будем использовать DB2 модель, которая имеет высокий коэффициент усиления и уже довольно компактна и популярной для внутренней и наружной установки.

Основные затраты (стоило около $ 15):

1. Монтажная поверхность, такие как пластиковый корпус (8 "x6" x3 "). http://www.radioshack.com/product/index.jsp?productId=2062285
2. 6 винтов. Я использовал саморезы для стали и листового металла.
3. Согласующий трансформатор 300 Ом до 75 Ом. http://www.radioshack.com/product/index.jsp?productId=2062049
4. Некоторое количество 18-го калибра твердых проводов. http://www.radioshack.com/product/index.jsp?productId=2036274
5. Коаксильные RG-6 с терминаторами - ограничителями (и резиновую оболочку, если монтаж производится снаружи).
6. Алюминий при использовании отражателя.
7. Маркер Шулера или эквивалент желательно с тонким наконечником.
8. Две пары небольших плоскогубцев - иглы.
9. Направитель не менее 8 дюймов.
10. Транспортир для измерения угла.
11. Дрель и сверло, которое меньше диаметра, чем ваши винты.
12. Малые кусачки.
13. Отвертка или шуруповерт.

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

Шаг первый:

Соберите корпус с отражателем под пластиковой крышкой:

Шаг второй:

Просверлить небольшие резьбовые отверстия на противоположной стороне от отражателя в следующих позициях и поместите проводящий винт (screw).

Шаг третий:

Вырезать четыре 8 " куска твердого провода с сердечником и оголить его.

Шаг четвертый:

Используя маркер, отметьте каждый дюйм на проводе. (Это места где мы собираемся делать изгибы)

Шаг пятый:

Необходимо повторить этот шаг для каждого провода. Каждый изгиб на проводе будет равен 60 градусам, таким образом получается как бы фрактал. Напоминающий равносторонний треугольник. Я использовал две пары плоскогубцев и транспортир. Каждый изгиб будет на 1 " делении. Убедитесь, что вы визуализируете направление каждого поворота, прежде чем сделать это! Используйте схему ниже для помощи.

Шаг шестой:

Вырежете еще 2 куска провода не менее 6 см в длину и оголите их. Согните эти провода вокруг верхнего и нижнего винтов, и свяжите с центром винта. Таким образом, все три входят в контакт. Используйте кусачки для отделения ненужных частей провода.

Шаг седьмой:

Поместите и заверните все ваши фракталы углами в винты

Шаг восьмой:

Прикрепите согласующий трансформатор через два винта в центра и затяните их вниз.

Готово! Теперь вы можете проверить свою конструкцию!

Как вы можете видеть на фото внизу, каждый раз, когда вы разделите каждый раздел и создаете новый треугольник с такой же длиной провода, он может поместиться в меньшем пространстве, занимая место в другом направлении.

Перевод: Дмитрий Шахов

Ниже вы посмотреть видео по созданию фрактальных антенн (англ.):

{tab=Wi-Fi антенна}

Ранее мне приходилось слышать о фрактальных антеннах и через некоторое время мне самому захотелось попробовать сделать свою собственную фрактальные антенну, чтобы, так сказать, опробовать эту концепцию. Некоторыми из преимуществ фрактальных антенн, описанных в научно-исследовательских работах по фрактальным антеннам, являются их способность эффективного приема многополосных RF- сигналов, при своих относительно малых размерах. Я решил создать прототип фрактальной антенны на основе ковра Серпинского.

Я разработал мою фрактальную антенну с учетом разъема, совместимого с моим маршрутизатором Linksys WRT54GS 802.11g. Антенна имеет низкопрофильную конструкцию усиления и на предварительном тестировании на расстоянии 1/2 км от точки лоступа WiFi Link с несколькими деревьями на пути показала довольно хорошие результаты и устойчивость сигнала.

Вы можете скачать PDF версию шаблона антенны на основе ковра Серпинского, которую я использовал, а также другую документацию по этим ссылкам:

Делаем прототип

Это фото с уже готовым прототипом фрактальной антенны:

Я прикрепил Linksys WRT54GS RP-TNC - разъем к фрактальной антенне для тестирования

Когда я проектировал мой первый прототип фрактальной антенны я был обеспокоен, что на печатной плате в процессе травления треугольники могли изолироватся друг от друга, поэтому я немного расширил связи между ними. Примечание: Так как окончательный переход тонер закончил более точно, чем я ожидал, то следующая версия прототипа фрактальной антенны будет представлена с тонкими точками контакта между каждой из фрактальных итерации треугольника Серпинского. Важно убедиться, что элементы ковра Серпинского (треугольники) находятся в контакте друг с другом и точки соединения должны быть как можно тоньше:

Конструкция антенны была напечатаны на лазерном принтере Pulsar Pro FX. Этот процесс позволил мне скопировать конструкцию антенны на покрытый медью материал печатной платы:

Лазерную печатную конструкции антенны затем переносят на лист меди печатной платы тепловым процессом с использованием модифицированного ламинатора:

Это материал медной печатной платы после первого этапа процесса передачи тонера:

Следующим необходимым шагом было использование ламинатором Pulsar Pro FX "Зеленой TRF фольги" на печатной плате. Зеленая фольга используется, чтобы заполнить любые пробелы тонера или неравномерно утолщенных покрытий в передаче тонера:

Это очищенная плата с конструкцией антенны. Плата готова к травлению:

Здесь я замаскировал заднюю сторону печатной платы с помощью изоленты:

Я использовал метод прямого травления хлоридом железа для травления платы за 10 минут. Метод прямого травления осуществляется с помощью губки: необходимо медленно протирать хлоридом железа всю плату. Из-за опасности для здоровья при использовании хлорного железа я одел защитные очки и перчатки:

Это плата после травления:

Я вытер печатную плату тампоном обмакнутым в ацетоне для удаления покрытий переноса тонера. Я использовал перчатки при очистке, потому что ацетон впитается через типичные латексные одноразовые перчатки:

Я просверлил отверстие для антенного разъема с помощью дрели и сверла:

Для моего первого прототипа я использовал RP-TNC разъем из стандартных антенн Linksys маршрутизатора:

Крупным планом Linksys - совместимый RP-TNC разъем антенны:

Я немного нанес воды на печатную плату в месте пайки непосредственно перед пайкой:

Следующим шагом нужно припаять провод от RP-TNC разъема к основанию антенны Серпинского на печатной плате:

Второй провод разъема антенны припаиваем к плоскости платы PCB:

Антенна готова к использованию!