В последние несколько лет я регулярно сталкиваюсь с задачами по разработке СШП (сверхширокополосных) СВЧ-модулей и функциональных узлов. И как ни грустно мне об этом говорить, но почти всю информацию по теме я черпаю из зарубежных источников. Однако некоторое время назад, в поисках нужной мне информации, я наткнулся на , сулившую решение всех моих проблем. О том, как решения проблем не получилось, я и хочу рассказать.

Одной из постоянных «головных болей» в области разработки СШП СВЧ-устройств является разработка СШП-антенн, которые должны обладать набором определенных свойств. Среди этих свойств можно выделить следующие:

1. Согласование в рабочей полосе частот (например, от 1 до 4 ГГц). Однако бывает, когда согласоваться надо в диапазоне частот от 0,5 ГГц до 5 ГГц. И вот тут возникает проблема опуститься по частоте ниже 1 ГГц. У меня вообще сложилось впечатление, что частота 1 ГГц обладает какой-то мистической силой – к ней можно приблизиться, но очень сложно преодолеть, т.к. при этом нарушается другое требование, предъявляемое к антенне, а именно

2. Компактность. Ведь ни для кого не секрет, что сейчас мало кому нужна волноводная рупорная антенна огромадных размеров. Все хотят, чтобы антенна была маленькой, легкой и компактной, чтобы ее можно было засунуть в корпус портативного устройства. Но при компактификации антенны становится очень трудно соблюсти п. 1 требований, предъявляемых к антенне, т.к. минимальная частота рабочего диапазона тесно связана с максимальным габаритом антенны. Кто-то скажет, что можно делать антенну на диэлектрике с высоким значением относительной диэлектрической проницаемости… И будет прав, но это противоречит следующему пункту нашего списка, который гласит, что

3. Антенна должна быть максимально дешевой и изготавливаться на основе самых доступных и недорогих материалов (например, FR-4). Потому как никто не захочет платить много-много денег за антенну, будь она даже трижды гениальной. Все хотят, чтобы стоимость антенны на этапе изготовления печатной платы стремилась к нулю. Ибо таков наш мир…

4. Есть еще одно требование, возникающее при решении различных задач, связанных, например, с локацией ближнего действия, а так же с созданием различных датчиков, применяющих СШП-технологию (тут надо уточнить, что речь идет о приложениях с малой мощностью, где каждый дБм на счету). И это требование гласит, что диаграмма направленности (ДН) проектируемой антенны должна формироваться только в одной полусфере. Для чего это нужно? Для того, чтобы антенна «светила» только в одном направлении, не рассеивая драгоценную мощность в «обратку». Так же это позволяет улучшить ряд показателей системы, в которой такая антенна применяется.

Для чего я все это пишу..? Для того, чтобы пытливый читатель понял, что разработчик подобной антенны сталкивается с массой ограничений и запретов, которые ему нужно героически или остроумно преодолеть.

И вдруг, как откровение проявляется статья , которая сулит решение всех вышеозначенных проблем (а так же и тех, которые упомянуты не были). Прочтение этой статьи вызывает легкое чувство эйфории. Хотя с первого раза полного осознания написанного не происходит, но волшебное слово «fractal» звучит очень многообещающе, т.к. евклидова геометрия свои аргументы уже исчерпала.

Беремся за дело смело и скармливаем структуру, предлагаемую автором статьи, симулятору. Симулятор утробно рычит кулером компьютера, пережевывая гигабайты цифр, и выплевывает переваренный результат… Глядя на результаты моделирования, чувствуешь себя маленьким обманутым мальчиком. Слезы наворачиваются на глаза, т.к. опять твои детские воздушные мечты натолкнулись на чугунную…реальность. Нет никакого согласования в диапазоне частот 0,1 ГГц – 24 ГГц. Даже в диапазоне 0,5 ГГц – 5 ГГц ничего похожего нет.

Тут еще остается робкая надежда, что ты чего-то не понял, что-то сделал не так… Начинаются поиски точки включения, различные вариации с топологией, но все тщетно – она мертва!

Самое печальное в этой ситуации то, что до последнего момента ищешь причину неудачи в себе. Спасибо товарищам по цеху, которые объяснили , что все правильно – не должно оно работать.

P.S. Надеюсь, что мой пятничный пост вызвал у вас улыбку.
Мораль же сего изложения такова – будь бдителен!
(А еще мне очень хотелось написать по этому поводу АНТИстатью, т.к. обманули).

Кто не знает что это такое и где используется, то могу сказать, что посмотрите видео фильмы про фракталы. А используются такие антенны в наше время повсеместно, к примеру, в каждом сотовом телефоне.

Итак, в конце 2013 года к нам зашли в гости тесть с тёщей, то да сё и тут тёща в преддверии праздника Нового года попросила у нас антенну для своего небольшого телевизора. Тесть смотрит телевизор через спутниковую тарелку и обычно что-то своё, а тёще захотело посмотреть новогодние программы спокойно не дёргая тестя.

Ок, отдали мы ей нашу рамочную антенну (квадрат 330х330 мм), через которую иногда смотрела телек жена.

А тут приближалось время открытия Зимней Олимпиады в Сочи и жена говорит: Сделай антенну.

Мне сделать очередную антенну проблем не составляет, только была бы цель и смысл. Пообещал сделать. И вот пришло время... но мне подумалось, что лепить очередную рамочную антенну как-то скучновато, всё же 21 век на дворе и тут я вспомнил, что самое прогрессивное в построении антенн - это ЕН-антенны, HZ-антенны и фрактальные-антенны. Прикинув, что более всего подходит к моему делу - остановился на фрактальной антенне. Благо про фракталы я фильмов всяких насмотрелся и фоток всяких с Интернета надёргал ещё давно. Вот и захотелось идею воплотить в материальную реальность.

Одно дело фотки, другое - конкретная реализация некоего устройства. Заморачиваться долго не стал и решил построить антенну по прямоугольному фракталу.

Достал медную проволоку где-то диаметром 1 мм, взял плоскогубцы и стал мастерить... первый проект был полномасштабный с использованием многих фракталов. Делал, с непривычки, долго, холодными зимними вечерами в итоге сделал, приклеил всю фрактальную поверхность к ДВП с помощью жидкого полиэтелена, подпаял напрямую кабель, около 1 м длины, стал пробовать... Опа! А эта антенна принимала телеканалы гораздо чётче чем рамочная... порадовал меня такой результат, значит не зря корячился и натирал мозоли, пока гнул проволоку в фрактальную форму.

Прошла где-то неделя и возникла у меня идея, что по размерам новая антенна практически как и рамочная, особой выгоды нет, если не учитывать небольшое улучшение в приёме. И вот решил смонтировать новую фрактальную антенну, используя меньше фракталов, соответственно и по габаритам меньше.

Фрактальная антенна. Первый вариант

В субботу 08.02.2014 г. достал небольшой кусок медной проволоки, что осталась от первой фрактальной антенны и довольно быстро, около полу часа, смонтировал новую антенну...

Фрактальная антенна. Второй вариант

Потом подпаял кабель от первой и получилось уже законченное устройство. Фрактальная антенна. Второй вариант с кабелем

Приступил к проверке работоспособности... Ух ты блин! Да эта ещё лучше работает и принимает в цвете аж 10 каналов, чего раньше нельзя было достигнуть с помощью рамочной антенны. Выигрыш существенный! Если ещё обратить внимание, что условия приёма у меня совсем неважнецкие: второй этаж, наш дом полностью перекрыт от телецентра многоэтажками, никакой прямой видимости, то выигрыш впечатляет как по приёму, так и по размерам.

В Интернете есть фрактальные антенны выполненные травлением на фольгированном стеклотекстолите... думаю без разницы на чём делать, да и размеры слишком сильно не стоит точно соблюдать для телевизионной антенны, в пределах работы на коленке .

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)

Название	Описание	Формула	Значение
L a	Длина антенны	2 ∙ r + L f	36 мм
W a	Ширина антенны	2 ∙ r	24 мм
L f	Длина ЦП	r + 0,1	12,1 мм
W f	Ширина ЦП		1,66 мм
L g	Длина ПЗ	r – T s	11,24 мм
L s	Длина подложки	L a + G s	37 мм
W s	Ширина подложки	W a + 2 ∙ G s	26 мм
G s 1	Зазор подложки по вертикали		1 мм
G s 2	Зазор подложки по горизонтали		1 мм
T m	Толщина металла		0,035 мм
T s	Толщина подложки		0,76 мм
r	Радиус круга 0 ой итерации		12 мм
r 1	Радиус круга 1 ой итерации	r /2	6 мм
r 2	Радиус круга 2 ой итерации	r 1 /2	3 мм
r 3	Радиус круга 3 ей итерации	r 2 /2	1,5 мм
ε s	Диэлектрическая проницаемость		3,38

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;

	(5)

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

Название	Исходное значение, мм	Конечное значение, мм
∆ L f
Z h	Таблица 13,133208
6,195	27,910472
8,85	21,613615
10,6	12,503542
12,87	47,745235

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.

Проволочные фрактальные антенны, исследованные в данной дипломной работе, изготавливались изгибанием проволоки по напечатанному на принтере бумажному шаблону. Поскольку проволока изгибалась вручную при помощи пинцета, то точность изготовления «изгибов» антенны составляла около 0,5 мм. Поэтому для исследований брались наиболее простые геометрические фрактальные формы: кривая Коха и «биполярный скачок» Минковского .

Известно , что фракталы позволяют уменьшать размеры антенн, при этом размеры фрактальной антенны сравнивают с размерами симметричного полуволнового линейного диполя. В дальнейших исследованиях в дипломной работе проволочные фрактальные антенны будут сравниваться с линейным диполем с /4-плечами равными 78 мм с резонансной частотой 900 МГц.

Проволочные фрактальные антенны на основе кривой Коха

В работе приводятся формулы для расчёта фрактальных антенн на основе кривой Коха (рисунок 24).

а) n = 0 б) n = 1 в) n = 2

Рисунок 24 - Кривая Коха различных итераций n

Размерность D обобщенного фрактала Коха вычисляется по формуле:

Если в формулу (35) подставить стандартный угол изгиба кривой Коха = 60, то получим D = 1,262.

Зависимость первой резонансной частоты диполя Коха f К от размерности фрактала D , номера итерации n и резонансной частоты прямолинейного диполя f D той же высоты, что и ломанная Коха (по крайним точкам) определяется формулой:

Для рисунка 24, б при n = 1 и D = 1,262 из формулы (36) получаем:

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

Для рисунка 24, в при n = 2 и D = 1,262 из формулы (36) получаем:

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

Формулы (37) и (38) позволяют решить и обратную задачу - если мы хотим, чтобы фрактальные антенны работали на частоте f K = 900 МГц, то прямолинейные диполи должны работать на следующих частотах:

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

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

По графику на рисунке 22 определяем длины /4-плеч прямолинейного диполя. Они будут равны 63,5 мм (для 1102 МГц) и 55 мм (для 1293 МГц).

Таким образом, были изготовлены 4 фрактальных антенны на основе кривой Коха: две - с размерами /4-плеч по 78 мм, а две с меньшими размерами. На рисунках 25-28 показаны изображения экрана РК2-47, по которым можно экспериментально определить резонансные частоты.

В таблицу 2 сведены расчетные и экспериментальные данные, из которых видно, что теоретические частоты f Т отличаются от экспериментальных f Э не более 4-9%, а это вполне хороший результат.

Рисунок 25 - Экран РК2-47 при измерении антенны с кривой Коха итерации n = 1 с /4-плечами равными 78 мм. Резонансная частота 767 МГц

Рисунок 26 - Экран РК2-47 при измерении антенны с кривой Коха итерации n = 1 с /4-плечами равными 63,5 мм. Резонансная частота 945 МГц

Рисунок 27 - Экран РК2-47 при измерении антенны с кривой Коха итерации n = 2 с /4-плечами равными 78 мм. Резонансная частота 658 МГц

Рисунок 28 - Экран РК2-47 при измерении антенны с кривой Коха итерации n = 2 с /4-плечами равными 55 мм. Резонансная частота 980 МГц

Таблица 2 - Сравнение расчетных (теоретических fТ) и экспериментальных fЭ резонансных частот фрактальных антенн на основе кривой Коха

Проволочные фрактальные антенны на основе «биполярного скачка». Диаграмма направленности

Фрактальные линии типа «биполярный скачок» описаны в работе , однако формул для расчетов резонансной частоты в зависимости от размеров антенны в работе не приводится. Поэтому было решено определить резонансные частоты экспериментально. Для простых фрактальных линий 1-й итерации (рисунок 29, б) было изготовлено 4 антенны - с длиной /4-плеча равным 78 мм, с вдвое меньшей длиной и двумя промежуточными длинами. Для сложных в изготовлении фрактальных линий 2-й итерации (рисунок 29, в) было изготовлено 2 антенны с длинами /4-плеч 78 и 39 мм.

На рисунке 30 показаны все изготовленные фрактальные антенны. На рисунке 31 показан внешний вид экспериментальной установки с фрактальной антенной «биполярный скачок» 2-й итерации. На рисунках 32-37 показано экспериментальное определение резонансных частот.

а) n = 0 б) n = 1 в) n = 2

Рисунок 29 - Кривая Минковского «биполярный скачок» различных итераций n

Рисунок 30 - Внешний вид всех изготовленных проволочных фрактальных антенн (диаметры проводов 1 и 0,7 мм)

Рисунок 31 - Экспериментальная установка: панорамный измеритель КСВН и ослабления РК2-47 с фрактальной антенной типа «биполярный скачок» 2-й итерации

Рисунок 32 - Экран РК2-47 при измерении антенны «биполярный скачок» итерации n = 1 с /4-плечами равными 78 мм.

Резонансная частота 553 МГц

Рисунок 33 - Экран РК2-47 при измерении антенны «биполярный скачок» итерации n = 1 с /4-плечами равными 58,5 мм.

Резонансная частота 722 МГц

Рисунок 34 - Экран РК2-47 при измерении антенны «биполярный скачок» итерации n = 1 с /4-плечами равными 48 мм. Резонансная частота 1012 МГц

Рисунок 35 - Экран РК2-47 при измерении антенны «биполярный скачок» итерации n = 1 с /4-плечами равными 39 мм. Резонансная частота 1200 МГц

Рисунок 36 - Экран РК2-47 при измерении антенны «биполярный скачок» итерации n = 2 с /4-плечами равными 78 мм.

Первая резонансная частота 445 МГц, вторая - 1143 МГц

Рисунок 37 - Экран РК2-47 при измерении антенны «биполярный скачок» итерации n = 2 с /4-плечами равными 39 мм.

Резонансная частота 954 МГц

Как показали проведённые экспериментальные исследования, если взять симметричный полуволновый линейный диполь и фрактальную антенну одинаковых длин (рисунок 38), то фрактальные антенны типа «биполярного скачка» будут работать на более низкой частоте (на 50 и 61%), а фрактальные антенны в виде кривой Коха работают на частотах ниже на 73 и 85%, чем у линейного диполя. Следовательно, действительно, фрактальные антенны можно делать меньших размеров. На рисунке 39 показаны размеры фрактальных антенн для одних и тех же резонансных частот (900-1000 МГц) в сравнении с плечом обычного полуволнового диполя.

Рисунок 38 - «Обычная» и фрактальная антенны одинаковой длины

Рисунок 39 - Размеры антенн для одних и тех же резонансных частот

5. Измерение диаграмм направленности фрактальных антенн

Диаграммы направленности антенн обычно измеряются в «безэховых» камерах, стенки которых поглощают падающее на них излучение. В данной дипломной работе измерения проводились в обычной лаборатории физико-технического факультета, и отраженный сигнал от металлических корпусов приборов и железных стендов вносил некоторую погрешность в измерения.

В качестве источника СВЧ сигнала использовался собственный генератор панорамного измерителя КСВН и ослабления РК2-47. В качестве приёмника излучения фрактальной антенны использовался измеритель уровня электромагнитного поля АТТ-2592, позволяющий проводить измерения в диапазоне частот от 50 МГц до 3,5 ГГц.

Предварительные измерения показали, что существенно искажает диаграмму направленности симметричного полуволнового линейного диполя излучение с внешней стороны коаксиального кабеля, который был напрямую (без согласующих устройств) подключён к диполю. Одним из способов подавления излучения линии передачи, является применение монополя вместо диполя совместно с четырьмя взаимно перпендикулярными /4 «противовесами», играющими роль «земли» (рисунок 40).

Рисунок 40 - /4 монополь и фрактальная антенна с «противовесами»

На рисунках 41 - 45 показаны экспериментально измеренные диаграммы направленности исследуемых антенн с «противовесами» (резонансная частота излучения при переходе от диполя к монополю практически не изменяется). Измерения плотности потока мощности СВЧ излучения в микроваттах на квадратный метр проводились в горизонтальной и вертикальной плоскостях через 10. Измерения проводились в «дальней» зоне антенны на расстоянии 2.

Первой исследовалась антенна в виде прямолинейного /4-вибратора. Из диаграммы направленности этой антенны видно (рисунок 41), что она отличается от теоретической. Это объясняется погрешностями измерений.

Погрешности измерений для всех исследуемых антенн могут быть следующие:

Отражением излучения от металлических предметов внутри лаборатории;

Отсутствием строгой взаимной перпендикулярности между антенной и противовесами;

Не полным подавлением излучения внешней оболочки коаксиального кабеля;

Неточностью отсчета угловых величин;

Неточным «нацеливанием» измерителя АТТ-2592 на антенну;

Помехами от сотовых телефонов.

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!