Hágalo usted mismo antena de TV fractal. Cómo hacer una antena para un televisor con alambre o cable de aluminio: un diseño simple para recibir una señal de TV. Al aumentar la dimensión, la longitud total de la línea discontinua también aumenta de forma no lineal,

Lo primero que me gustaría escribir es una breve introducción a la historia, teoría y uso de las antenas fractales. Recientemente se han descubierto antenas fractales. Fueron inventados por primera vez por Nathan Cohen en 1988, luego publicó su investigación sobre cómo hacer una antena para un televisor con cable y la patentó en 1995.

Una antena fractal tiene varias características únicas, como está escrito en Wikipedia:

"Una antena fractal es una antena que utiliza un diseño fractal que se repite a sí mismo para maximizar la longitud o el perímetro (en el interior o el exterior) de un material que puede recibir o transmitir señales electromagnéticas dentro de una superficie o volumen total determinado".

¿Qué significa esto exactamente? Bueno, necesitas saber qué es un fractal. También de Wikipedia:

"Un fractal, por regla general, es una forma geométrica rugosa o fragmentada que se puede dividir en partes, cada una de las partes será una copia del todo en un tamaño reducido; esta es una propiedad llamada auto-semejanza".

Por lo tanto, un fractal es una forma geométrica que se repite una y otra vez, independientemente del tamaño de las partes individuales.

Se ha descubierto que las antenas fractales son aproximadamente un 20% más eficientes que las antenas convencionales. Esto puede ser útil, especialmente si desea que su antena de TV reciba video digital o de alta definición, aumente el rango celular, rango wifi, Recepción de radio FM o AM, etc.

La mayoría de los teléfonos móviles ya tienen antenas fractales. Puede que hayas notado esto porque teléfonos móviles Ya no tengo antenas en el exterior. Esto se debe a que dentro de ellos hay antenas fractales grabadas en la placa de circuito, lo que les permite recibir mejor la señal y tomar más frecuencias, como Bluetooth, celular y Wi-Fi desde una antena.

Wikipedia:

“La respuesta de una antena fractal difiere notablemente de los diseños de antenas tradicionales en que es capaz de operar con buen rendimiento en diferentes frecuencias simultáneamente. La frecuencia de las antenas estándar debe cortarse para poder recibir solo esa frecuencia. Por lo tanto, a diferencia de las antenas convencionales, una antena fractal es un diseño excelente para aplicaciones de banda ancha y multibanda ".

El truco consiste en diseñar su antena fractal para que resuene en la frecuencia central específica que desee. Esto significa que la antena se verá diferente dependiendo de lo que desee recibir. Para hacer esto, necesita aplicar las matemáticas (o una calculadora en línea).

En mi ejemplo, voy a hacer antena simple, pero puedes hacer uno más complejo. Cuanto más duro, mejor. Usaré una bobina de alambre de núcleo sólido de 18 hilos para hacer la antena, pero puede personalizar sus propias placas de circuito para que se adapten a su estética, haciéndolas más pequeñas o más complejas con mayor resolución y resonancia.

Voy a hacer una antena de TV para recibir TV digital o TV de alta definición. Estas frecuencias son más fáciles de trabajar y tienen una longitud de aproximadamente 15 cm a 150 cm para la mitad de la longitud de onda. Por simplicidad y bajo costo de las piezas, lo colocaré en una antena dipolo común, captará ondas en el rango de 136-174 MHz (VHF).

Para recibir ondas UHF (400-512 MHz), puede agregar un director o reflector, pero de esta manera la recepción dependerá más de la dirección de la antena. VHF también depende de la dirección, pero en lugar de apuntar directamente a la estación de TV en el caso de una instalación de UHF, deberá colocar las orejas de VHF perpendiculares a la estación de TV. Tomará un poco más de esfuerzo aquí. Quiero hacer la construcción lo más simple posible, porque esto ya es algo bastante complicado.

Componentes principales:

• Superficie de montaje, como una caja de plástico (20 cm x 15 cm x 8 cm)
• 6 tornillos. Usé tornillos para chapa de acero
• Transformador con resistencias de 300 Ohm a 75 Ohm.
• Cable de manguera 18 AWG (0,8 mm)
• Cable coaxial RG-6 con terminadores (y con funda de goma si la instalación será al aire libre)
• Aluminio cuando se usa un reflector. El archivo adjunto de arriba era así.
• Marcador fino
• Dos pares de alicates pequeños
• La regla no mide menos de 20 cm.
• Transportador de medición de ángulos
• Dos taladros, uno un poco más pequeño que sus tornillos
• Cortador de alambre pequeño
• Destornillador o destornillador

Nota: La parte inferior de la antena de alambre de aluminio está en el lado derecho de la imagen donde sobresale el transformador.

Paso 1: agregar un reflector

Montar la carcasa con reflector debajo de la cubierta de plástico

Paso 2: taladrar agujeros y fijar puntos de anclaje

Taladre pequeños orificios roscados en el lado opuesto del reflector en estas posiciones y coloque el tornillo conductor.

Paso 3: mide, corta y pela los cables

Corta cuatro trozos de alambre de 20 cm y colócalos en la caja.

Paso 4: mida y marque los cables

Con un marcador, marque cada 2,5 cm en el cable (habrá dobleces en estos lugares)

Paso 5: creando fractales

Este paso debe repetirse para cada trozo de cable. Cada curva debe ser exactamente de 60 grados, ya que crearemos triángulos equiláteros para el fractal. Usé dos pares de alicates y un transportador. Cada doblez se hace en la etiqueta. Antes de hacer los pliegues, visualiza la dirección de cada uno. Utilice el diagrama adjunto para esto.

Paso 6: creación de dipolos

Corta dos pedazos más de alambre de al menos 15 cm de largo, envuélvelos alrededor de los tornillos superior e inferior a lo largo del lado largo y luego envuélvelos en los del centro. Luego corte el exceso de longitud.

Paso 7: Montaje de los dipolos y montaje del transformador

Adjunte cada uno de los fractales a los tornillos de las esquinas.

Conecte un transformador de impedancia adecuada a los dos tornillos centrales y apriete.

¡El montaje está completo! ¡Dale un vistazo y disfrutalo!

Paso 8: más iteración / experimentación

Hice algunos elementos nuevos usando una plantilla de papel de GIMP. Usé un pequeño cable telefónico sólido. Resultó ser lo suficientemente pequeño, fuerte y flexible para doblarse en las formas complejas requeridas para la frecuencia central (554 MHz). Este es el valor promedio de la señal UHF digital para los canales. televisión terrestre en mi área.

Foto adjunta. Puede ser difícil ver los cables de cobre con poca luz con un fondo de cartón y cinta adhesiva encima, pero a estas alturas ya tienes la idea.

En este tamaño, los elementos son bastante frágiles, por lo que deben manipularse con cuidado.

También agregué una plantilla en formato png. Para imprimir el tamaño que desee, debe abrirlo en un editor de fotos como GIMP. La plantilla no es perfecta porque la hice a mano con un mouse, pero es lo suficientemente cómoda para manos humanas.

En matemáticas, los conjuntos se denominan fractales y consisten en elementos similares al conjunto en su conjunto. Mejor ejemplo: si miras de cerca la línea de una elipse, se vuelve recta. Fractal, no importa lo cerca que esté, la imagen seguirá siendo compleja y similar a la vista general. Los elementos están dispuestos de forma extraña. En consecuencia, consideramos que los círculos concéntricos son el ejemplo más simple de un fractal. No importa lo cerca que estén, aparecen nuevos círculos. Hay muchos ejemplos de fractales. Por ejemplo, en Wikipedia, se da un dibujo de un repollo Romanesco, donde una cabeza de repollo consta de conos que se asemejan exactamente a una cabeza de repollo dibujada. Los lectores ahora comprenden que hacer antenas fractales no es fácil. Pero interesante.

¿Por qué necesitas antenas fractales?

El propósito de la antena fractal es atrapar más con menos víctimas. En los videos occidentales, es posible encontrar un paraboloide donde un segmento de una cinta fractal servirá como emisor. Ya están fabricando elementos de dispositivos de microondas a partir de papel de aluminio, más efectivos que los ordinarios. Le mostraremos cómo hacer una antena fractal hasta el final y hacer la combinación solo con el medidor de ROE. Mencionemos que hay un sitio completo, por supuesto, extranjero, donde se promociona el producto correspondiente con fines comerciales, no hay dibujos. Nuestra antena fractal casera es más sencilla, la principal ventaja es que puedes hacer la estructura tú mismo.

Las primeras antenas fractales, bicónicas, aparecieron, según un video de fractenna.com, en 1897 por Oliver Lodge. No busque en Wikipedia. En comparación con un dipolo convencional, un par de triángulos en lugar de un vibrador da una expansión de banda del 20%. Al crear estructuras periódicas que se repiten, fue posible ensamblar antenas en miniatura no peor que sus contrapartes grandes. A menudo encontrará una antena bicónica en forma de dos marcos o formas de placa de fantasía.

En última instancia, esto permitirá recibir más canales de televisión.

Si escribe una solicitud en YouTube, aparece un video sobre la fabricación de antenas fractales. Comprenderá mejor cómo funciona si imagina la estrella de seis puntas de la bandera israelí, en la que se cortó la esquina junto con los hombros. Resultó que quedaron tres esquinas, dos tienen un lado en su lugar, el otro no. La sexta esquina está ausente por completo. Ahora colocamos dos estrellas similares verticalmente, con ángulos centrales entre sí, ranuras a la izquierda y a la derecha, encima de ellas, un par similar. Resultó conjunto de antenas- la antena fractal más simple.

Las estrellas están conectadas en las esquinas por un alimentador. Emparejado por columnas. La señal se elimina de la línea, exactamente en el medio de cada cable. La estructura se ensambla mediante pernos sobre un sustrato dieléctrico (plástico) del tamaño apropiado. El lado de la estrella es exactamente una pulgada, la distancia entre las esquinas de las estrellas verticalmente (longitud del alimentador) es cuatro pulgadas, horizontalmente (la distancia entre los dos cables del alimentador) es una pulgada. Las estrellas tienen ángulos de 60 grados en sus vértices, ahora el lector dibujará un patrón similar en forma de plantilla, para que luego pueda hacer una antena fractal por su cuenta. Hicimos un boceto de trabajo, no se respeta la escala. No podemos garantizar que las estrellas salieron exactamente, Microsoft Paint sin grandes oportunidades para hacer dibujos precisos. Suficiente para mirar la imagen para que la estructura de la antena fractal sea obvia:

1. El rectángulo marrón muestra el sustrato dieléctrico. La antena fractal que se muestra en la figura tiene un patrón de radiación simétrico. Si protege el emisor de interferencias, el protector se coloca en cuatro postes detrás del sustrato a una distancia de una pulgada. En las frecuencias, no es necesario colocar una hoja sólida de metal, una malla con un lado de un cuarto de pulgada es suficiente, no olvide conectar el blindaje a la trenza del cable.
2. La línea de alimentación de 75 ohmios debe coincidir. Busque o fabrique un transformador que convierta 300 ohmios en 75 ohmios. Es mejor abastecerse de un medidor de ROE y seleccionar los parámetros deseados no con el tacto, sino con el dispositivo.
3. Hay cuatro estrellas, dóblelas con alambre de cobre. Limpiamos el aislamiento de laca en el punto de unión con el alimentador (si lo hubiera). El alimentador de antena interno consta de dos cables paralelos. Es una buena idea colocar la antena en una caja para protegerla de las inclemencias del tiempo.

Montaje de una antena fractal para televisión digital

Después de leer la revisión hasta el final, cualquiera puede hacer antenas fractales. Nos metimos tan rápido en el diseño que nos olvidamos de hablar de polarización. Suponemos que es lineal y horizontal. Esto se deriva de consideraciones:

• El video es, obviamente, de origen estadounidense, hablando de HDTV. Por lo tanto, podemos aceptar la moda del país especificado.
• Como saben, pocos estados del planeta emiten desde satélites con polarización circular, entre ellos la Federación de Rusia y los Estados Unidos. Por lo tanto, creemos que otras tecnologías de transferencia de información son similares. ¿Por qué? Hubo una Guerra Fría, creemos, ambos países eligieron estratégicamente qué y cómo transferir, otros países partieron de consideraciones puramente prácticas. La polarización circular se implementa específicamente para satélites espías (que se mueven constantemente en relación con el observador). Por lo tanto, hay razones para creer que existe una similitud en la transmisión de radio y televisión.
• Se dice que la estructura de la antena es lineal. Simplemente no hay ningún lugar al que tomar la polarización circular o elíptica. Por lo tanto, si solo no hay profesionales entre nuestros lectores que conozcan MMANA, si la antena no se engancha en la posición aceptada, gírela 90 grados en el plano del emisor. La polarización cambiará a vertical. Por cierto, muchos podrán captar FM, si las dimensiones se establecen más veces en 4. Es mejor tomar un cable más grueso (por ejemplo, 10 mm).

Esperamos haber explicado a los lectores cómo utilizar la antena fractal. Un par de consejos para un montaje sencillo. Entonces, intente encontrar un cable con protección barnizada. Doble las formas como se muestra en la imagen. Si los diseñadores no están de acuerdo, recomendamos hacer esto:

1. Pele las estrellas y los cables del alimentador donde se unen. Sujete los alambres del alimentador por las orejas con los pernos en el sustrato en las partes intermedias. Para hacer esto correctamente, mida una pulgada por adelantado y dibuje dos líneas paralelas con un lápiz. Los cables deben estar a lo largo de ellos.
2. Suelde una sola estructura, comprobando cuidadosamente las distancias. Los autores del video recomiendan hacer un emisor para que las estrellas queden planas sobre los comederos en sus esquinas, y con sus extremos opuestos descansando sobre el borde del sustrato (cada uno en dos lugares). Para una estrella aproximada, las ubicaciones están marcadas en azul.
3. Para cumplir con la condición, tire de cada estrella en un lugar con un perno con una abrazadera dieléctrica (por ejemplo, cables de PVA de batista y similares). En la figura, los puntos de fijación se muestran en rojo para una estrella. El perno se dibuja en un círculo.

El cable de alimentación se ejecuta (opcional) con parte trasera... Taladre agujeros en su lugar. Ajuste de ROE se lleva a cabo cambiando la distancia entre los alambres del alimentador, pero en este diseño es un método sádico. Le recomendamos que simplemente mida la impedancia característica de la antena. Recordemos cómo se hace esto. Necesitará un generador para la frecuencia del programa que se está viendo, por ejemplo, 500 MHz, además, un voltímetro de alta frecuencia, que no se guardará frente a la señal.

Luego se mide el voltaje producido por el generador, para lo cual se cierra a un voltímetro (en paralelo). A partir de una resistencia variable con una autoinductancia extremadamente baja y una antena, montamos un divisor resistivo (conectamos en serie después del generador, primero la resistencia, luego la antena). Medimos el voltaje de la resistencia variable con un voltímetro, mientras ajustamos el valor hasta que las lecturas del generador sin carga (ver párrafo anterior) se conviertan en el doble de la corriente. Esto significa que el valor de la resistencia variable se ha vuelto igual a la impedancia característica de la antena a una frecuencia de 500 MHz.

Ahora es posible fabricar el transformador como se desee. Es difícil encontrar lo que necesita en la red; para aquellos a quienes les gusta escuchar transmisiones de radio, encontraron una respuesta lista para usar en http://www.cqham.ru/tr.htm. El sitio ha escrito y dibujado cómo hacer coincidir la carga con un cable de 50 ohmios. Tenga en cuenta que las frecuencias corresponden al rango de HF, el CB se ajusta aquí parcialmente. La impedancia característica de la antena se mantiene en el rango de 50 a 200 ohmios. Es difícil decir cuánto dará la estrella. Si hay un dispositivo en la granja para medir la impedancia de onda de la línea, recuerde: si la longitud del alimentador es un múltiplo de un cuarto de la longitud de onda, la impedancia de la antena se transmite a la salida sin cambios. Para un rango pequeño y grande, tales condiciones no se pueden garantizar (recuerde que, en particular, las antenas fractales incluyen un rango extendido), pero para propósitos de medición, este hecho se usa en todas partes.

Los lectores ahora saben todo sobre estos increíbles dispositivos transceptores. Una forma tan inusual sugiere que la diversidad del universo no encaja en el marco típico.

UDC 621.396

Antena fractal de banda ultra ancha basada en un monopolo circular

GRAMO.I. Abdrakhmanova

Universidad Técnica Estatal de Aviación de Ufa,

Universita degli studi di Trento

Anotación.El artículo aborda el problema de diseñar una antena de banda ultraancha basada en tecnología fractal. Se presentan los resultados de los estudios de cambios en las características de la radiación en función de la magnitud del factor de escala.y el nivel de iteración. Se ha realizado una optimización paramétrica de la geometría de la antena para cumplir con los requisitos del coeficiente de reflexión. Las dimensiones de la antena desarrollada son 34 × 28 mm 2 y el rango de frecuencia de funcionamiento es 3,09 ÷ 15 GHz.

Palabras clave:radiocomunicación de banda ultra ancha, tecnología fractal, antenas, coeficiente de reflexión.

Abstracto:En el artículo se describe el desarrollo de una nueva antena de banda ultraancha sobre la base de la tecnología fractal. Se presentan los resultados de la investigación sobre las características de la radiación que cambian según el valor del factor de escala y el nivel de iteración. Se aplicó la optimización paramétrica de la geometría de la antena para satisfacer los requisitos del coeficiente de reflexión. El tamaño de la antena desarrollada es de 28 × 34 mm 2 y el ancho de banda - 3,09 ÷ 15 GHz.

Palabras clave:radiocomunicación de banda ultra ancha, tecnología fractal, antenas, coeficiente de reflexión.

1. Introducción

En la actualidad, los sistemas de comunicación de banda ultraancha (UWB) son de gran interés para los desarrolladores y fabricantes de equipos de telecomunicaciones, ya que permiten transferir grandes flujos de datos a alta velocidad en una banda de frecuencia ultraancha sin licencia. Las características de las señales transmitidas implican la ausencia de potentes amplificadores y componentes complejos de procesamiento de señales como parte de los complejos de recepción y transmisión, pero limitan el rango de operación (5-10 m).

La falta de una base de elementos adecuada capaz de trabajar eficazmente con pulsos ultracortos dificulta la introducción masiva de la tecnología UWB.

Las antenas transmisoras y receptoras son uno de los elementos clave que afectan la calidad de transmisión / recepción de señales. La principal dirección de las patentes y la investigación en el diseño de tecnología de antenas para dispositivos UWB es miniaturizar y reducir los costos de producción al tiempo que se aseguran las características de frecuencia y energía requeridas, así como en la aplicación de nuevas formas y estructuras.

Entonces, la geometría de la antena se construye sobre la base de una ranura con una ranura rectangular en forma de U en el centro, lo que le permite operar en la banda UWB con una función de barrera. WLAN -rango, dimensiones de la antena - 45,6 × 29 mm 2. Se elige como elemento radiante en. Se muestra una antena plana monopolo (22 × 22 mm 2), diseñada sobre la base de un elemento radiante rectangular y una estructura resonante de escalera en la parte posterior.

2 Enunciado del problema

Debido a que las estructuras circulares pueden proporcionar un ancho de banda bastante amplio, simplificación del diseño, tamaño pequeño y costos de fabricación reducidos, en este trabajo se propone desarrollar una antena UWB basada en un monopolo circular. El rango de frecuencia de funcionamiento requerido es de 3,1 ÷ 10,6 GHz a un nivel de -10 dB de coeficiente de reflexión S 11, (figura 1).

Arroz. 1. Máscara de reflectancia necesaria S 11

A los efectos de la miniaturización, se modernizará la geometría de la antena mediante el uso de tecnología fractal, lo que permitirá también investigar la dependencia de las características de radiación del valor del factor de escala. δ y el nivel de iteración del fractal.

A continuación, la tarea es optimizar la antena fractal desarrollada para expandir el rango de operación cambiando los siguientes parámetros: la longitud del conductor central (CP) de la guía de ondas coplanar (CW), la longitud del plano de tierra (PL) de la CW, la distancia "CW CW - elemento radiante (IE)".

El modelado de antenas y los experimentos numéricos se realizan en el medio ambiente " Estudio de microondas CST ".

3 Elección de la geometría de la antena

Se eligió un monopolo circular como elemento básico, cuyas dimensiones son un cuarto de la longitud de onda del rango requerido:

dónde L ar- la longitud del elemento radiante de la antena excluyendo la CPU;f L- frecuencia de corte más baja,f L = F min uwb = 3,1 · 10 9 Hz; con- la velocidad de la luz, con = 3 · 10 8 m / s 2.

Obtenemos L ar= 24,19 mm ≈ 24 mm. Considerando que un círculo con un radio der = L ar / 2 = 12 mm, y asumiendo la longitud original de la CPUL f también igual r, obtenemos iteración cero (Fig. 2).

Arroz. 2. Iteración de antena cero

Espesor del sustrato dieléctricoT sy con valores de parámetroε s = 3,38, tg δ = 0.0025 se utiliza como base, en la parte frontal de la cual se colocan IE, CPU y PZ ... En este caso, las distancias " PZ-TsP " Z v y "PZ-IE" Z h tomado igual a 0,76 mm. Los valores de los demás parámetros utilizados en el proceso de modelado se presentan en la Tabla 1.

Tabla 1. Parámetros de la antena ( δ = 2)

Nombre	Descripción	Fórmula	Sentido
L a	Longitud de la antena	2 ∙ r + L f	36 mm
W a	Ancho de antena	2 ∙ r	24 mm
L f	Longitud de la CPU	r + 0,1	12,1 milímetros
W f	Ancho de CPU		1,66 milímetros
L g	Longitud PZ	r - T s	11,24 milímetros
L s	Longitud del sustrato	L a + G s	37 mm
W s	Ancho del sustrato	W a+ 2 ∙ G s	26 mm
G s 1	Espacio vertical del sustrato		1 mm
G s 2	Espacio horizontal subyacente		1 mm
T m	Espesor del metal		0,035 milímetros
T s	Espesor del sustrato		0,76 milímetros
r	Radio del círculo de la 0ª iteración		12 mm
r 1	Radio del círculo de la primera iteración	r /2	6 mm
r 2	Radio del círculo de la segunda iteración	r 1 /2	3 mm
r 3	Radio del círculo de la tercera iteración	r 2 /2	1,5 mm
ε s	La constante dieléctrica		3,38

La antena está alimentada por una guía de ondas coplanar que consta de un conductor central y un plano de tierra, SMA -conector y perpendicular al puerto de guía de ondas coplanar (CWP) (Fig. 3).

dónde ε eff - constante dieléctrica efectiva:

K – integral elíptica completa del primer tipo;

	(5)

La fractalidad en la construcción de una antena consiste en una forma especial de empaquetar elementos: las iteraciones posteriores de la antena se forman colocando círculos de un radio más pequeño en los elementos de la iteración anterior. En este caso, el factor de escala δ determina cuántas veces se diferenciarán los tamaños de iteraciones adyacentes. Este proceso para la ocasión δ = 2 se muestra en la Fig. 4.

Arroz. 4. La primera, segunda y tercera iteraciones de la antena ( δ = 2)

Entonces, la primera iteración se obtuvo restando dos círculos de radior 1 del elemento original. La segunda iteración se forma colocando círculos metálicos a la mitad con un radior 2 en cada círculo de la primera iteración. La tercera iteración es similar a la primera, pero el radio esr 3 ... El artículo considera la disposición vertical y horizontal de los círculos.

3.1 Disposición horizontal de elementos

La dinámica del cambio en el coeficiente de reflexión en función del nivel de iteración se muestra en la Fig. 5 para δ = 2 y en la Fig. 6 para δ = 3. Cada nuevo orden corresponde a una frecuencia de resonancia adicional. Entonces, la iteración cero en el rango considerado de 0 ÷ 15 GHz corresponde a 4 resonancias, la primera iteración - 5, etc. En este caso, a partir de la segunda iteración, los cambios en el comportamiento de las características se vuelven menos notables.

Arroz. 5. Dependencia del coeficiente de reflexión del orden de iteración ( δ = 2)

La esencia del modelado radica en el hecho de que en cada etapa de las características consideradas, se selecciona la que se determina como la más prometedora. En este sentido, se ha introducido una regla:

Si el exceso (diferencia) en el rango donde los estantes son superiores a -10 dB es pequeño, entonces debe elegir la característica que tiene el estante inferior en el rango operativo (por debajo de -10 dB), ya que como resultado de la optimización, el primero se eliminará y el segundo se omitirá aún menos.

Arroz. 6. Dependencia del coeficiente de reflexión del orden de iteración ( δ = 3)

Con base en los datos recibidos y de acuerdo con esta regla para δ = 2, la curva correspondiente a la primera iteración se selecciona para δ = Iteración de 3 segundos.

Además, se propone investigar la dependencia del coeficiente de reflexión del valor del factor de escala. Considere el cambio δ en el rango 2 ÷ 6 con un paso de 1 dentro de la primera y segunda iteraciones (Fig. 7, 8).

Un comportamiento interesante de los gráficos es que a partir de δ = 3, las características se vuelven más planas y suaves, el número de resonancias permanece constante y el crecimiento δ acompañado de un aumento en el nivel S 11 en rangos pares y disminuciones en rangos impares.

Arroz. 7. Dependencia del coeficiente de reflexión del factor de escala para la primera iteración ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

En este caso, para ambas iteraciones, el valor δ = 6.

Arroz. 8. Dependencia del coeficiente de reflexión del factor de escala para la segunda iteración ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

δ = 6, ya que se caracteriza por los estantes más bajos y las resonancias más profundas (Fig. 9).

Arroz. 9. Comparación de S 11

3.2 Disposición vertical de elementos

La dinámica del cambio en el coeficiente de reflexión en función del nivel de iteración para el caso de la disposición vertical de los círculos se muestra en la Fig. 10 para δ = 2 y en la Fig. 11 para δ = 3.

Arroz. 10. Dependencia del coeficiente de reflexión del orden de iteración ( δ = 2)

Con base en los datos recibidos y de acuerdo con la regla de δ = 2 y δ = 3, se selecciona la curva correspondiente a la tercera iteración.

Arroz. 11. Dependencia del coeficiente de reflexión del orden de iteración ( δ = 3)

La consideración de la dependencia del coeficiente de reflexión del valor del factor de escala dentro de la primera y segunda iteraciones (Fig.12, 13) revela el valor óptimo δ = 6, como en el caso de una disposición horizontal.

Arroz. 12. Dependencia del coeficiente de reflexión del factor de escala para la primera iteración ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

En este caso, para ambas iteraciones, el valor δ = 6, que también esnorte- fractal múltiple, lo que significa que, tal vez, debería combinar características δ = 2 y δ = 3.

Arroz. 13. Dependencia del coeficiente de reflexión del factor de escala para la segunda iteración ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

Así, de las cuatro opciones comparadas, se seleccionó la curva correspondiente a la segunda iteración, δ = 6, como en el caso anterior (Fig. 14).

Arroz. 14. Comparación S 11 para las cuatro geometrías de antena consideradas

3.3 Comparación

Considerando mejores opciones geometrías verticales y horizontales obtenidas en los dos apartados anteriores, la elección se detiene en la primera (Fig. 15), aunque en este caso la diferencia entre estas opciones no es tan grande. Rangos de frecuencia de funcionamiento: 3.825 ÷ 4.242 GHz y 6.969 ÷ 13.2 GHz. Además, el diseño se modernizará para desarrollar una antena que funcione en toda la gama UWB.

Arroz. 15. Comparación S 11 para seleccionar la opción final

4 Optimización

Esta sección analiza la optimización de la antena basada en la segunda iteración del fractal con el valor del coeficiente δ = 6. Los parámetros variables se presentan en, y los rangos de sus cambios se encuentran en la Tabla 2.

Arroz. 20. Apariencia antenas: a) parte frontal; b) el reverso

En la Fig. 20 muestra las características que reflejan la dinámica del cambio S 11 paso a paso y comprobando la validez de cada acción posterior. La Tabla 4 muestra las frecuencias resonantes y de corte que se utilizan a continuación para calcular las corrientes superficiales y los patrones de radiación.

mesa 3. Parámetros de antena calculados

Nombre	Valor inicial, mm	Valor final, mm
∆ L f
Z h	mesa 13,133208
6,195	27,910472
8,85	21,613615
10,6	12,503542
12,87	47,745235

La distribución de las corrientes de superficie de la antena en las frecuencias de corte y de resonancia del rango UWB se muestra en la Fig. 21, y los patrones direccionales se muestran en la Fig. 22.

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

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

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

Arroz. 21. Distribución de corrientes superficiales

a) F(φ ), θ = 0 ° b) F(φ ), θ = 90 °

v) F(θ ), φ = 0 ° d) F(θ ), φ = 90 °

Arroz. 22. Patrones de radiación en el sistema de coordenadas polares

5 Conclusión

Este artículo presenta un nuevo método para diseñar antenas UWB basado en el uso de tecnología fractal. Este proceso consta de dos etapas. Inicialmente, la geometría de la antena se determina eligiendo un factor de escala apropiado y un nivel de iteración fractal. A continuación, se aplica la optimización paramétrica a la forma resultante basándose en el estudio del efecto del tamaño de los componentes clave de la antena sobre las características de radiación.

Se encontró que con un aumento en el orden de iteración, el número de frecuencias resonantes aumenta, y un aumento en el factor de escala dentro de una iteración se caracteriza por un comportamiento más suave. S 11 y la constancia de las resonancias (a partir de δ = 3).

La antena desarrollada proporciona una recepción de señal de alta calidad en la banda de frecuencia 3,09 ÷ 15 GHz en términos de nivel S 11 < -10 дБ. Помимо этого антенна характеризуется малыми размерами 34×28 мм 2 , а следовательно может быть успешно применена в СШП приложениях.

6 Agradecimientos

El estudio fue apoyado por una subvención de la Unión Europea ” Acción Erasmus Mundus 2 ", también A. G. I. agradece al profesor Paolo rocca para una discusión útil.

Literatura

1. L ... Lizzi, G. Oliveri, P. Rocca, A. Massa. Antena plana UWB monopolo con características de muesca en banda WLAN UNII1 / UNII2. Progress in Electromagnetics Research B, vol. 25, 2010 .-- 277-292 págs.

2. H. Malekpoor, S. Jam. Antenas de parche con cortocircuito de banda ultraancha alimentadas por parche plegado con resonancias múltiples. Progress in Electromagnetics Research B, vol. 44, 2012 .-- 309-326 págs.

3. R.A. Sadeghzaden-Sheikhan, M. Naser-Moghadasi, E. Ebadifallah, H. Rousta, M. Katouli, B.S. Virdee. Antena plana monopolar que emplea una estructura resonante en forma de escalera de plano posterior para un rendimiento de banda ultraancha. IET Microondas, antenas y propagación, vol. 4, edición. 9, 2010. - 1327-1335 págs.

4. Revisión de la Parte 15 de las Reglas de la Comisión sobre Sistemas de Transmisión de Banda Ultra Ancha, Comisión Federal de Comunicaciones, FCC 02-48, 2002. - 118 p.

El mundo no está exento de buenas personas :-)
Valeriy UR3CAH: "Buenas tardes, Egor. Creo que este artículo (es decir, la sección" Antenas fractales: menos es mejor, pero mejor ") corresponde al tema de su sitio y será de su interés :) 73!"
Sí, por supuesto que es interesante. Ya hemos tocado este tema hasta cierto punto al discutir la geometría de los hexabims. Allí también había un dilema con "encajar" la longitud eléctrica en dimensiones geométricas :-). Así que muchas gracias, Valery, por la presentación.
Antenas fractales: menos es mejor
Durante el último medio siglo, la vida ha comenzado a cambiar rápidamente. La mayoría de nosotros acepta los logros tecnologías modernas por sentado. Te acostumbras muy rápidamente a todo lo que te hace la vida más cómoda. Rara vez alguien hace las preguntas "¿De dónde vino esto?" ¿Y, cómo funciona?" El microondas calienta el desayuno, bueno, genial, el teléfono inteligente te permite hablar con otra persona, genial. Esto nos parece una posibilidad obvia.
Pero la vida podría ser completamente diferente si una persona no buscara una explicación para los eventos que están ocurriendo. Toma por ejemplo Celulares... ¿Recuerda las antenas retráctiles de los primeros modelos? Interfirieron, aumentaron el tamaño del dispositivo, al final, a menudo se rompieron. Creemos que se han hundido en el olvido para siempre, y en parte tienen la culpa de esto ... fractales.
Los dibujos fractales fascinan con sus patrones. Definitivamente se parecen a imágenes de objetos espaciales: nebulosas, cúmulos de galaxias, etc. Por lo tanto, es bastante natural que cuando Mandelbrot expresó su teoría de los fractales, su investigación despertó un mayor interés entre los que estudiaron astronomía. Uno de estos aficionados llamado Nathan Cohen, después de asistir a la conferencia de Benoit Mandelbrot en Budapest, tuvo una idea aplicación práctica conocimientos adquiridos. Es cierto que lo hizo de forma intuitiva y el azar jugó un papel importante en su descubrimiento. Como radioaficionado, Nathan se esforzó por crear una antena con la mayor sensibilidad posible.
La única forma de mejorar los parámetros de la antena, que se conocía en ese momento, era aumentar sus dimensiones geométricas. Sin embargo, el propietario de una casa en el centro de Boston, que Nathan alquiló, se opuso firmemente a la instalación de dispositivos grandes en el techo. Luego, Nathan comenzó a experimentar con diferentes formas de antena, tratando de obtener el máximo resultado con el tamaño mínimo. Encendido con la idea de formas fractales, Cohen, como dicen, hizo al azar uno de los fractales más famosos con alambre: el "copo de nieve de Koch". El matemático sueco Helge von Koch inventó esta curva en 1904. Se obtiene dividiendo un segmento de recta en tres partes y reemplazando el segmento medio por un triángulo equilátero sin un lado que coincida con este segmento. La definición es un poco difícil de entender, pero todo es claro y simple en la figura.
También hay otras variedades de la "curva de Koch", pero la forma aproximada de la curva sigue siendo similar.

Cuando Nathan conectó la antena al receptor de radio, se sorprendió mucho: la sensibilidad aumentó drásticamente. Después de una serie de experimentos, el futuro profesor de la Universidad de Boston se dio cuenta de que una antena hecha de un patrón fractal tiene una alta eficiencia y cubre un rango de frecuencia mucho más amplio que las soluciones clásicas. Además, la forma de la antena en forma de curva fractal puede reducir significativamente las dimensiones geométricas. Nathan Cohen incluso propuso un teorema que demostraba que para crear una antena de banda ancha, es suficiente darle forma en una curva fractal auto-similar.

El autor patentó su descubrimiento y fundó Fractal Antenna Systems, una empresa de diseño y desarrollo de antenas fractales, creyendo con razón que en el futuro, gracias a su descubrimiento, los teléfonos móviles podrán deshacerse de antenas voluminosas y volverse más compactos. En principio, esto es lo que pasó. Es cierto, hasta el día de hoy, Nathan está en litigio con grandes corporaciones que utilizan ilegalmente su descubrimiento para la producción de dispositivos de comunicación compactos. Algunos fabricantes conocidos dispositivos móviles Motorola, por ejemplo, ya ha llegado a un acuerdo amistoso con el inventor de la antena fractal. Fuente original

Las antenas de alambre fractales estudiadas en esta tesis se hicieron doblando un alambre de acuerdo con una plantilla de papel impresa. Dado que el cable se dobló manualmente con pinzas, la precisión para hacer que la antena se "doblara" fue de aproximadamente 0,5 mm. Por tanto, para la investigación se tomaron las formas fractales geométricas más simples: la curva de Koch y el “salto bipolar” de Minkowski.

Se sabe que los fractales permiten reducir el tamaño de las antenas, mientras que el tamaño de una antena fractal se compara con el tamaño de un dipolo lineal simétrico de media onda. En la investigación adicional de la tesis, las antenas de alambre fractales se compararán con un dipolo lineal con / 4 brazos igual a 78 mm con una frecuencia de resonancia de 900 MHz.

Antenas de alambre Koch Curve Fractal

El documento proporciona fórmulas para calcular las antenas fractales basadas en la curva de Koch (Figura 24).

a) norte= 0 b) norte= 1 c) norte = 2

Figura 24 - Curva de Koch de varias iteraciones n

Dimensión D El fractal de Koch generalizado se calcula mediante la fórmula:

Si sustituimos el ángulo de flexión estándar de la curva de Koch = 60 en la fórmula (35), obtenemos D = 1,262.

Dependencia de la primera frecuencia resonante del dipolo de Koch F K de la dimensión del fractal D, números de iteración norte y la frecuencia de resonancia del dipolo rectilíneo F D de la misma altura que la línea poligonal de Koch (en los puntos extremos) está determinada por la fórmula:

Para la Figura 24, b en norte= 1 y D= 1.262 de la fórmula (36) obtenemos:

F K = F D 0,816, F K = 900 MHz 0,816 = 734 MHz. (37)

Para la Figura 24, c para n = 2 y D = 1.262 de la fórmula (36) obtenemos:

F K = F D 0,696, F K = 900 MHz 0,696 = 626 MHz. (38)

Las fórmulas (37) y (38) nos permiten resolver el problema inverso: si queremos que las antenas fractales funcionen a la frecuencia F K = 900 MHz, entonces los dipolos de línea recta deberían funcionar en las siguientes frecuencias:

para n = 1 f D = f K / 0.816 = 900 MHz / 0.816 = 1102 MHz, (39)

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

Usando el gráfico de la Figura 22, determinamos la longitud / 4 brazos de un dipolo rectilíneo. Serán iguales a 63,5 mm (para 1102 MHz) y 55 mm (para 1293 MHz).

Así, se fabricaron cuatro antenas fractales basadas en la curva de Koch: dos con dimensiones / 4 brazos de 78 mm cada una y dos con dimensiones más pequeñas. Las figuras 25-28 muestran imágenes de la pantalla PK2-47, que se pueden utilizar para determinar experimentalmente las frecuencias de resonancia.

La Tabla 2 resume los datos calculados y experimentales, de los cuales se puede ver que las frecuencias teóricas F T diferir de experimental F E no es más del 4-9%, y este es un resultado bastante bueno.

Figura 25 - Pantalla PK2-47 al medir la antena con la curva de Koch de iteración n = 1 con / 4 brazos igual a 78 mm. Frecuencia de resonancia 767 MHz

Figura 26 - Pantalla PK2-47 al medir antena con curva de Koch de iteración n = 1 con / 4 brazos igual a 63,5 mm. Frecuencia de resonancia 945 MHz

Figura 27 - Pantalla PK2-47 al medir antena con curva de Koch de iteración n = 2 con / 4 brazos igual a 78 mm. Frecuencia de resonancia 658 MHz

Figura 28 - Pantalla PK2-47 al medir antena con curva de Koch de iteración n = 2 con / 4 brazos igual a 55 mm. Frecuencia de resonancia 980 MHz

Tabla 2 - Comparación de las frecuencias resonantes calculadas (teóricas fТ) y experimentales fЭ de antenas fractales basadas en la curva de Koch

Antenas de alambre fractal basadas en el "salto bipolar". Patrón direccional

Las líneas fractales del tipo "salto bipolar" se describen en el trabajo, sin embargo, las fórmulas para calcular la frecuencia de resonancia según el tamaño de la antena no se dan en el trabajo. Por lo tanto, se decidió determinar experimentalmente las frecuencias de resonancia. Para las líneas fractales simples de la primera iteración (Figura 29, b), se hicieron 4 antenas, con una longitud de / 4 brazos igual a 78 mm, con la mitad de la longitud y dos longitudes intermedias. Para las líneas fractales difíciles de fabricar de la segunda iteración (Figura 29, c), se hicieron 2 antenas con longitudes / 4 brazos de 78 y 39 mm.

La Figura 30 muestra todas las antenas fractales fabricadas. La Figura 31 muestra la apariencia de una configuración experimental con una antena fractal "salto bipolar" de la segunda iteración. Las figuras 32-37 muestran la determinación experimental de frecuencias resonantes.

a) norte= 0 b) norte= 1 c) norte = 2

Figura 29 - Curva de Minkowski "salto bipolar" de varias iteraciones n

Figura 30 - Aspecto de todas las antenas fractales de alambre fabricadas (diámetros de alambre 1 y 0,7 mm)

Figura 31 - Configuración experimental: VSWR panorámico y medidor de atenuación PK2-47 con una antena fractal del tipo "salto bipolar", segunda iteración

Figura 32 - Pantalla PK2-47 al medir la iteración de antena "salto bipolar" n = 1 con / 4 brazos igual a 78 mm.

Frecuencia de resonancia 553 MHz

Figura 33 - Pantalla PK2-47 al medir la iteración de antena "salto bipolar" n = 1 con / 4 brazos igual a 58,5 mm.

Frecuencia de resonancia 722 MHz

Figura 34 - Pantalla PK2-47 al medir la iteración de antena "salto bipolar" n = 1 con / 4 brazos igual a 48 mm. Frecuencia de resonancia 1012 MHz

Figura 35 - Pantalla PK2-47 al medir la iteración de antena "salto bipolar" n = 1 con / 4 brazos igual a 39 mm. Frecuencia de resonancia 1200 MHz

Figura 36 - Pantalla PK2-47 al medir la iteración de antena "salto bipolar" n = 2 con / 4 brazos igual a 78 mm.

El primero frecuencia de resonancia 445 MHz, el segundo - 1143 MHz

Figura 37 - Pantalla PK2-47 al medir la iteración de antena "salto bipolar" n = 2 con / 4 brazos igual a 39 mm.

Frecuencia de resonancia 954 MHz

Como han demostrado los estudios experimentales, si tomamos un dipolo lineal de media onda simétrica y una antena fractal de la misma longitud (Figura 38), entonces las antenas fractales del tipo "salto bipolar" operarán a una frecuencia más baja (por 50 y 61%), y las antenas fractales en forma de curva Kochs operan a frecuencias 73 y 85% más bajas que las de un dipolo lineal. Por lo tanto, de hecho, las antenas fractales pueden hacerse más pequeñas. La Figura 39 muestra las dimensiones de las antenas fractales para las mismas frecuencias de resonancia (900-1000 MHz) en comparación con el brazo de un dipolo de media onda convencional.

Figura 38 - Antenas "regulares" y fractales de la misma longitud

Figura 39 - Dimensiones de las antenas para las mismas frecuencias de resonancia

5. Medición de los diagramas de radiación de antenas fractales

Los patrones de radiación de la antena se miden generalmente en cámaras "anecoicas", cuyas paredes absorben la radiación incidente. En esta tesis, las mediciones se realizaron en un laboratorio ordinario de la Facultad de Física y Tecnología, y la señal reflejada de las carcasas metálicas de los dispositivos y soportes de hierro introdujo algún error en las mediciones.

Como fuente de señal de microondas, utilizamos nuestro propio generador de VSWR panorámico y medidor de atenuación PK2-47. Se utilizó un medidor de nivel de campo electromagnético ATT-2592 como detector de la radiación de la antena fractal, que permite realizar mediciones en el rango de frecuencia de 50 MHz a 3,5 GHz.

Las mediciones preliminares han demostrado que la radiación del exterior distorsiona significativamente el patrón direccional de un dipolo lineal simétrico de media onda. cable coaxial, que estaba conectado directamente (sin dispositivos coincidentes) al dipolo. Una forma de suprimir la radiación de la línea de transmisión es usar un monopolo en lugar de un dipolo junto con cuatro "contrapesos" mutuamente perpendiculares / 4 que desempeñan el papel de "tierra" (Figura 40).

Figura 40 - / 4 antena monopolo y fractal con "contrapesos"

Las figuras 41 a 45 muestran los patrones de radiación medidos experimentalmente de las antenas investigadas con "contrapesos" (la frecuencia resonante de la radiación prácticamente no cambia cuando se pasa de un dipolo a un monopolo). Las mediciones de la densidad de flujo de potencia de la radiación de microondas en microvatios por metro cuadrado se llevaron a cabo en los planos horizontal y vertical después de 10. Las mediciones se llevaron a cabo en la zona "lejana" de la antena a una distancia de 2.

El primero en ser investigado fue una antena en forma de vibrador recto / 4. Puede verse en el diagrama direccional de esta antena (Figura 41) que difiere del teórico. Esto se debe a errores de medición.

Los errores de medición para todas las antenas en estudio pueden ser los siguientes:

Reflejo de radiación de objetos metálicos dentro del laboratorio;

Falta de una estricta perpendicularidad mutua entre la antena y los contrapesos;

Supresión incompleta de la radiación de la cubierta exterior del cable coaxial;

Lectura inexacta de valores angulares;

"Apuntar" inexacto del medidor ATT-2592 a la antena;

Interferencia de teléfonos móviles.