UA123735U

UA123735U - FRACTAL ANTENNA

Info

Publication number: UA123735U
Application number: UAU201708267U
Authority: UA
Inventors: Сергій Олександрович Погарський; Дмитро Володимирович Майборода; Євген Анатолійович Шаулов
Original assignee: Харківський Національний Університет Імені В.Н. Каразіна
Priority date: 2017-08-10
Filing date: 2017-08-10
Publication date: 2018-03-12

Abstract

Фрактальна антена з отворами містить діелектричну підкладку, на одному боці якої розташована заземлена основа, а на іншому боці - провідниковий диск з отворами різних діаметрів. Отвори різного діаметра розташовані на різних відстанях від центру диска та симетрично відносно відповідного отвору більшого діаметра, при цьому діаметри отворів та відстані центрів отворів з меншими діаметрами по відношенню до центрів отворів з більшими діаметрами задаються алгоритмом третьої ітерації скейлінгу з масштабуючим множником (=3.The fractal antenna with holes contains a dielectric substrate, on one side of which is a grounded base and on the other side a conductive disk with holes of different diameters. Openings of different diameters are located at different distances from the center of the disk and symmetrically relative to the corresponding hole of a larger diameter, with the diameters of holes and the distance of the centers of holes with smaller diameters relative to the centers of holes with larger diameters are given by the algorithm of the third iteration scaling with scaling 3.

Description

Корисна модель належить до антенної техніки та може бути використана у сучасних телекомунікаціях, шумовій радіолокації, нелінійній радіолокації, системах пошуку, локалізації та трасування мобільних об'єктів, пеленгації у складних міських умовах.The useful model belongs to antenna technology and can be used in modern telecommunications, noise radar, nonlinear radar, search systems, localization and tracking of mobile objects, direction finding in complex urban conditions.

Відома робота ||, в якій наведено дані щодо фрактальної антени для бездротових систем зв'язку. Технічних результат досягається за рахунок того, що в антені є антенне полотно, яке сформовано у вигляді неперіодичної кривої, яка заповнює простір полотна і складається зі з'єднаних непересічних сегментів прямокутної форми. Сегменти антенного полотна сформовано кривими Пеано-Гільберта першої або третьої або четвертої ітерації.A well-known work ||, which provides data on a fractal antenna for wireless communication systems. Technical results are achieved due to the fact that the antenna has an antenna web, which is formed in the form of a non-periodic curve, which fills the space of the web and consists of connected non-intersecting segments of a rectangular shape. Antenna web segments are formed by Peano-Hilbert curves of the first or third or fourth iteration.

Недоліком відомого технічного рішення є суттєва залежність параметрів антени від характерних розмірів сегментів та відсутність елементів підстроювання. Зміна розмірів сегментів у реальній конструкції антени пов'язана з істотними технологічними та конструктивними труднощами.The disadvantage of the known technical solution is the significant dependence of the antenna parameters on the characteristic sizes of the segments and the lack of adjustment elements. Changing the size of the segments in the real design of the antenna is associated with significant technological and constructive difficulties.

Відома фрактальна антена |2), яка містить фідер, узгоджуючий елемент, випромінювач.A fractal antenna |2) is known, which contains a feeder, a matching element, and an emitter.

Фронтальну сторону випромінювача виконано у формі меандра з рівними сторонами, при чому кожна з трьох паралельних сторін виконана також у формі меандра з рівними сторонами.The front side of the emitter is made in the form of a meander with equal sides, and each of the three parallel sides is also made in the form of a meander with equal sides.

Істотним недоліком такої конструкції є принципова залежність енергетичних показників антени від ефективності збудження сукупності поверхневих типів хвиль, а також ступеня узгодження зовнішніх ланцюгів з випромінювачем.A significant drawback of this design is the fundamental dependence of the energy indicators of the antenna on the excitation efficiency of a set of surface wave types, as well as the degree of coordination of external circuits with the emitter.

Відома конструкція кільцевої монопольної фрактальної антени ІЗ). Конструкція містить сукупність одного кільцевого монополя більшого діаметра та набір кільцевих монополів меншого діаметра, розміщених в просторі монополю більшого діаметра. Всі монополі мають гальванічний контакт один з одним.The design of the ring monopole fractal antenna is known. The structure contains a set of one ring monopole of a larger diameter and a set of ring monopoles of a smaller diameter placed in the space of a monopole of a larger diameter. All monopoles have galvanic contact with each other.

Суттєвим недоліком є спосіб збудження антени. Збуджувач у вигляді відрізка коаксіального кабелю, який приєднується до зовнішнього кільця у довільній точці, не в змозі забезпечити гарантовану повторюваність результатів. Крім того, такий спосіб збудження не забезпечує довільне узгодження з зовнішніми ланцюгами.A significant drawback is the method of antenna excitation. An exciter in the form of a length of coaxial cable, which is attached to the outer ring at an arbitrary point, is not able to provide guaranteed repeatability of results. In addition, this method of excitation does not provide arbitrary coordination with external circuits.

Відома робота |4Ї, в який запропоновано конструкцію фрактальної антени на основі дискового монополю. За рахунок декількох ітерацій отримано фрактальну структуру з набором дисків і отворів, розміри котрих підкоряються скейлінгу з заданим масштабуючим коефіцієнтом.The work of |4Y is known, in which the design of a fractal antenna based on a disk monopole is proposed. Due to several iterations, a fractal structure with a set of discs and holes was obtained, the sizes of which are subject to scaling with a given scaling factor.

Збудження здійснюється за допомогою відрізка компланарної лінії.Excitation is carried out using a segment of a coplanar line.

Недоліком даного технічного рішення є те, що в силу вибраного способу збудження, неможливо забезпечення узгодження як з боку дискового резонатора, так і з боку зовнішніх ланцюгів. Крім того, неможлива реалізація напрямленого випромінювання.The disadvantage of this technical solution is that due to the selected method of excitation, it is impossible to ensure matching both on the part of the disk resonator and on the part of external circuits. In addition, it is impossible to implement directed radiation.

Найближчим до запропонованої корисної моделі аналогом за технічною суттю вибрана фрактальна антена на основі килима Серпінського (5.The fractal antenna based on the Serpinsky carpet (5.

Антену виконано на основі квадратного мікросмужкового резонатора, в якому виконані квадратні отвори різного розміру. Розміри кожного з цих отворів визначаються скейлінгом із заданим масштабуючим коефіцієнтом. В моделі використано четверту ітерацію.The antenna is made on the basis of a square microstrip resonator, in which square holes of different sizes are made. The dimensions of each of these holes are determined by scaling with a given scaling factor. The fourth iteration is used in the model.

Суттєвими недоліками наведеного зразка є те, що: по-перше, оскільки базовими елементами конструкції є фігури абсолютної симетрії (квадрати), то в спектри власних коливань буде спостерігатися двократне виродження, що буде призводити до нестійкості режиму роботи, по-друге, в загальному випадку не буде можливим створення кругової (або еліптичної) поляризації випромінювання, по-третє, наведені характеристики не дають можливості стверджувати, що антена має достатній рівень узгодження з зовнішніми ланцюгами. Крім того, є проблеми з реалізацією ефективного збудження такої структури.The significant disadvantages of the given sample are that: firstly, since the basic elements of the design are figures of absolute symmetry (squares), then the spectra of natural oscillations will have a two-fold degeneracy, which will lead to the instability of the operating mode, secondly, in the general case it will not be possible to create a circular (or elliptical) polarization of radiation, thirdly, the given characteristics do not make it possible to claim that the antenna has a sufficient level of coordination with external circuits. In addition, there are problems with the implementation of effective excitation of such a structure.

В основу запропонованої корисної моделі поставлена технічна задача створити дискову мікросмужкову антену фрактального типу, яка би була широкосмуговою, мала високий рівень інтегральних характеристик при наявності простоти конструкції та зручності експлуатації.The basis of the proposed useful model is the technical task of creating a disk microstrip antenna of the fractal type, which would be wide-band, have a high level of integral characteristics, with a simple design and ease of operation.

Поставлена задача вирішується завдяки тому, що в провідниковому диску виконані отвори різного діаметра на різних відстанях від центру диска і розташовані симетрично відносно відповідного отвору більшого діаметра. Використовується третя ітерація скейлінгу з масштабуючим множником 6-3. Збудження антени здійснюється за допомогою ступінчастого мікросмужкового провідника з безпосереднім гальванічним зв'язком з провідним диском.The task is solved due to the fact that holes of different diameters are made in the conductor disk at different distances from the center of the disk and are symmetrically located relative to the corresponding hole of a larger diameter. A third iteration of scaling with a scaling factor of 6-3 is used. Excitation of the antenna is carried out using a stepped microstrip conductor with a direct galvanic connection to the conductive disk.

Ступінчастість збуджуючого провідника забезпечує узгодження антени з зовнішніми ланцюгами.The step frequency of the exciting conductor ensures the coordination of the antenna with external circuits.

Точка вводу НВЧ енергії вибрана симетричною відносно отворів другої ітерації.The point of entering the microwave energy is chosen to be symmetrical with respect to the holes of the second iteration.

Технічна суть запропонованого рішення пояснюється графічними зображеннями.The technical essence of the proposed solution is explained by graphic images.

Фіг. 1. Схематичне зображення моделі.Fig. 1. Schematic representation of the model.

Фіг. 2. Діаграми спрямованості в площині Е поблизу частоти 1-4 ГГц.Fig. 2. Directivity diagrams in the E plane near the frequency of 1-4 GHz.

Фіг. 3. Діаграми спрямованості в площині Н поблизу частоти 1-4 ГГц. бо Фіг. 4. Діаграми спрямованості в площині Е поблизу частоти 1-7,89 ГГЦ.Fig. 3. Directivity diagrams in the H plane near the frequency of 1-4 GHz. because Fig. 4. Directivity diagrams in the E plane near the frequency 1-7.89 GHz.

Фіг. 5. Діаграми спрямованості в площині Н в діапазоні частот 1-8...10 ГГц.Fig. 5. Directivity diagrams in the H plane in the frequency range of 1-8...10 GHz.

На Фіг. 1 зазначені: 1 - діелектрична підкладка; 2 - провідниковий диск; З - отвір першої ітерації (1 шт.); 4 - отвори другої ітерації (8 шт.); 5 - отвори третьої ітерації (64 шт.) 6 - ступінчастий мікросмужковий провідник, що має гальванічний контакт з провідниковим мікросмужковим диском; 7 - заземлена основа.In Fig. 1 are indicated: 1 - dielectric substrate; 2 - conductor disk; C - hole of the first iteration (1 pc.); 4 - holes of the second iteration (8 pcs.); 5 - holes of the third iteration (64 pcs.) 6 - stepped microstrip conductor having galvanic contact with the conductor microstrip disc; 7 - grounded base.

Під час подачі енергії електромагнітного поля за допомогою ступінчастого мікросмужкового провідника - 6 в резонатор, утворений заземленою основою - 7 і провідниковим мікросмужковим диском - 2, в останньому збуджується певний спектр власних коливань. Кількість збуджених типів визначається співвідношенням робочої довжини хвилі (частоти генератора) і резонансними довжинами хвиль (резонансними частотами) власних типів коливань резонатора.During the supply of electromagnetic field energy using a stepped microstrip conductor - 6 into a resonator formed by a grounded base - 7 and a conductive microstrip disk - 2, a certain spectrum of natural oscillations is excited in the latter. The number of excited types is determined by the ratio of the working wavelength (frequency of the generator) and resonant wavelengths (resonant frequencies) of the natural types of oscillations of the resonator.

За умови, що товщина діелектричної підкладки - 1 менша Авас даного типу коливань, можливе збудження нижчих типів коливань: Ето, Его, Еото, Езіо (6). Кожен із цих типів коливань має своє місце розташування так званих "фазових центрів" - областей, де спостерігаються максимуми полів (електричних або магнітних). Місцеположення деяких отворів - 4, 5 можуть співпадати з положенням "фазових центрів" збуджених типів коливань та впливати на умови збудження.Provided that the thickness of the dielectric substrate is 1 less than Avas of this type of oscillations, it is possible to excite lower types of oscillations: Eto, Ego, Eoto, Ezio (6). Each of these types of oscillations has its own location of so-called "phase centers" - areas where maximum fields (electric or magnetic) are observed. The location of some holes - 4, 5 may coincide with the position of the "phase centers" of excited types of oscillations and affect the conditions of excitation.

Оскільки отвори мають різний діаметр, то і вплив на умови збудження того чи іншого типу коливань будуть різними за рахунок зміни структури струмів на поверхні дискового провідника.Since the holes have different diameters, the influence on the excitation conditions of one or another type of oscillations will be different due to the change in the structure of the currents on the surface of the disk conductor.

Зміна умов для протікання струму дозволяє змінювати структуру збуджуваних полів, а отже, і енергетичні характеристики випромінюваних полів.Changing the conditions for current flow allows changing the structure of the excited fields, and therefore the energy characteristics of the radiated fields.

Було виготовлено та випробувано макет, який відповідає всім істотним ознакам запропонованої корисної моделі. Макет запропонованої фрактальної дискової мікросмужкової антени виконаний на основі фольгованого діелектрика ФЛАН-3.8 з діелектричною проникністю 3,8 і товщиною 0,5 мм, дисковий провідник мав діаметр 35 мм і був виконаний методом фотолітографії, відрізок ступінчастого мікросмужкового провідника забезпечував зміну хвильового опору з 50,28 Ом до 106,6 Ом при зміні ширини провідника від 1,15 мм до 0,25 мм, відповідно.A mock-up was produced and tested that meets all the essential features of the proposed utility model. The layout of the proposed fractal disk microstrip antenna is made on the basis of FLAN-3.8 foil dielectric with a dielectric constant of 3.8 and a thickness of 0.5 mm, the disk conductor had a diameter of 35 mm and was made by the photolithography method, a segment of the stepped microstrip conductor provided a change in wave resistance from 50, 28 ohms to 106.6 ohms when changing the conductor width from 1.15 mm to 0.25 mm, respectively.

На Фіг. 2-5 наведено діаграми спрямованості в кутомісній площині поблизу резонансних частот канонічного дискового резонатора.In Fig. 2-5 shows the directional diagrams in the angular plane near the resonance frequencies of the canonical disk resonator.

Зо Виходячи з наведених характеристик, можна стверджувати, що завдяки наявності фрактальної структури резонатора, при свіпуванні частоти можливі як зміни форми діаграм спрямованості, так і рівнів випромінюваної потужності.Based on the above characteristics, it can be stated that due to the presence of the fractal structure of the resonator, during frequency sweeping, both the shape of the directional diagrams and the levels of the radiated power can be changed.

Таким чином, запропонована корисна модель дозволяє створити фрактальну дискову мікросмужкову антену з можливістю регулювання інтегральних характеристик, просту в конструкції та зручну в експлуатації.Thus, the proposed useful model makes it possible to create a fractal disc microstrip antenna with the ability to adjust the integral characteristics, simple in design and convenient in operation.

Джерела інформації: 1. Патент Мо 2454761 ВО НО1ТО 1/36. Малогабаритная универсальная радио/телевизионная антенна. Грузинов Д.Б., Орлов О.В. Дата публикации патента: 27.06.2012. 2. Патент Мо 125396 ВО НОТО 13/00. Фрактальная антенна. Бабичев Д.А., Тупик В.А. Дата публикации патента: 27.02.2013.Sources of information: 1. Patent No. 2454761 VO NO1TO 1/36. Compact universal radio/television antenna. Gruzinov D.B., Orlov O.V. Date of publication of the patent: 27.06.2012. 2. Patent MO 125396 VO NOTO 13/00. Fractal antenna. Babichev D.A., Tupyk V.A. Date of publication of the patent: 27.02.2013.

З. Крупенин С.В., Колесов В.В., Потапов А.А, Матвеев Е.Н. Многодиапазоннье широкополоснье антенньії на основе фрактальньїх структур различньїх типов // Радиотехника. 2009. Мо 3. С. 70-83. 4. Фрактальная сверхширокополосная оантенна на основе кругового монополя /Z. Krupenin S.V., Kolesov V.V., Potapov A.A, Matveev E.N. Multiband broadband antennas based on fractal structures of various types // Radiotechnique. 2009. Mo. 3. P. 70-83. 4. Fractal ultrawideband antenna based on a circular monopole /

Абдрахманова Г.Й. // Журнал радиозлектроники: злектронньй журнал. - 2013. - Мо 8;Abdrakhmanova G.Y. // Journal of radio electronics: electronic magazine. - 2013. - Mo 8;

ОВС: порог/лге.сріїгте.ги/Лге/ацд1 3З/бЛехі. пігпі 5. Ефремова А.С., Белоусов О.А., Калашников С.Н., Казарян О.А. Применение фрактальньх антенн для беспроводньїх широкополосньїх сетей четвертого поколения // Вопрось современной науки и практики. Тамбов: Тамбовский госуниверситет им. В.И. Вернадского, 2014. - Мо 3(5). - С. 56-60. б. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковьіїх устройств /под ред. В.И.OVS: threshold/lge.sriigte.gy/Lge/acsd1 3Z/bLekhi. pigpi 5. Efremova A.S., Belousov O.A., Kalashnikov S.N., Kazarian O.A. Application of fractal antennas for wireless broadband networks of the fourth generation // Question of modern science and practice. Tambov: Tambov State University named after YOU. Vernadskogo, 2014. - Mo 3(5). - P. 56-60. b. Reference book on the calculation and design of microwave strip devices / Ed. YOU.

Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с.Volman. - M.: Radio and communication, 1982. - 328 p.

Claims

USEFUL MODEL FORMULA

Fractal antenna with holes, containing a dielectric substrate, on one side of which there is a grounded base, and on the other side - a conductor disk with holes of different diameters, which differs in that the holes of different diameters are located at different distances from the center of the disk and symmetrically with respect to the corresponding hole larger diameter, while the diameters of the holes and the distance between the centers of the holes with smaller diameters in relation to the centers