CC BY
202
УДК 621.396.67
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ И МНОГОЧАСТОТНЫХ ПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН, РЕАЛИЗОВАННЫЕ НА ОСНОВЕ
ПРИНЦИПА ФРАКТАЛЬНОСТИ
В.И. Винников, А.В. Останков, ЮГ. Пастернак, ИВ. Попов
Предложены конструкции сверхширокополосных и многочастотных полосковых антенн, построенных на основе одного из принципов фрактальности - использования взаимноподобных элементов. Путем численного математического моделирования показано, что предложенные антенны являются перспективными для портативной радиоэлектронной аппаратуры приема, передачи и обработки информации различного назначения
Ключевые слова: полосковая антенна, самоподобие, метод конечных интегралов, широкополосность, КСВН
Актуальность создания сверхширокополосных и многочастотных полосковых антенн [1-3] для портативной аппаратуры связи и телекоммуникаций обусловлена, в частности, быстрым развитием технологий беспроводной сверхскоростной передачи информации WiFi и WiMax (скорости передачи - не менее 500 Мбит/с и 100 Мбит/с соответственно). Теоретически при использовании, например, полосы частот от 1 до 3 ГГц возможна передача информации со скоростью до 3 Гбит/с. Одной из причин, сдерживающих рост скорости передачи информации, является проблематичность создания малогабаритных сверхширокополосных печатных антенн для мобильных телефонов (коммуникаторов), а также антенных решеток, размещаемых внутри корпусов портативных компьютеров (ноутбуков). Учитывая наличие явлений многолучевого распространения радиоволн, деполяризации, частотной зависимости характеристик рассеяния волн препятствиями и подстилающей поверхностью, в портативных компьютерах разумно было бы использовать адаптивные фазированные антенные решетки, состоящие из малогабаритных сверхширокополосных элементов и реализующие обработку сигналов в режиме реального времени с минимизацией искажений передаваемой информации. В этой связи актуальным является разработка печатных антенных элементов, обладающих минимально возможными размерами (приближающимися к предельно достижимым по критерию Чу-Харрингтона), в минимальной степени искажающих форму излучаемых сверхкоротких (на-носекундных и субнаносекундных) импульсов с эффективной шириной полосы частот от 0.5-1 ГГц до 10-20 ГГц и более.
В настоящее время в различных предметных областях широко используются такие сверхшироко-
Винников Вениамин Иванович - ГУ "Воронежский региональный центр судебной экспертизы Минюста России", соискатель, E-mail: [email protected] Останков Александр Витальевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, E-mail: [email protected]
Пастернак Юрий Геннадьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, E-mail: [email protected] Попов Игорь Владимирович - ОАО "Концерн «Созвездие»", канд. техн. наук, E-mail: [email protected]
полосные антенны, как логопериодические вибраторные антенны (в виде проволочных конструкций и в печатном исполнении), спиральные антенны, антенны Вивальди и их модификации, ТЕМ-рупора (пирамидальный, конический, «плавниковый»), объемные и плоские биконические и конические вибраторы, дискоконусные антенны. Комплексная векторная диаграмма направленности, входные характеристики таких антенн в той или иной мере зависят от частоты. Однако с развитием радиотехнических систем на основе сверхкоротких импульсных и других видов сверхширокополосных сигналов актуальной стала задача неискаженного излучения их в свободное пространство и последующего приема без искажений. Применение для этих целей перечисленных выше антенн имеет определенные ограничения: в частности, логопериодические и спиральные антенны существенно видоизменяют фазовый спектр сигнала, что приводит к «рассыпанию» сигнала - значительному увеличению его эффективной длительности; при этом короткие импульсы в пакете накладываются друг на друга и становятся неразличимыми. Для устранения этого явления необходима предварительная фазовая коррекция используемого сигнала. Антенны Вивальди, ТЕМ-рупора, плоские биконические и конические вибраторы весьма перспективны для создания на их основе антенных устройств и систем, в минимальной степени искажающих излучаемые и принимаемые сигналы, при условии предварительной параметрической оптимизации их геометрии, например, посредством генетических алгоритмов [1-3]. Однако следует учесть, что антенны Вивальди, печатные логопериодические антенны и ТЕМ-рупора относятся к антеннам осевого излучения; плоские биконические и конические вибраторы характеризуются наибольшей полосой частот при их локализации в свободном пространстве. В реальности же во многих случаях использовать данные антенны весьма проблематично из-за необходимости приемоизлучения в поперечном направлении и значительного влияния на их характеристики металлизированных элементов радиоаппаратуры. Именно поэтому актуальным является также разработка сверхширокополосных и многочастотных антенн, включающих в свою конструкцию близко рас-
положенный экран: в частности - полосковых и микрополосковых антенн.
В настоящей работе реализован новый подход к созданию сверхширокополосных и многочастотных полосковых антенн, основанный на использовании одного из принципов фрактальности - взаимной подобности элементов различающихся размеров [4]. Путем численного математического моделирования с использованием метода конечных интегралов Вейланда [5] показано, что предложенные конструкции антенн являются перспективными для портативной радиоэлектронной аппаратуры приемо-передачи и обработки информации.
Рассмотрим квазифрактальные (самоподобные на различных масштабах их рассмотрения) антенны, топология которых выбрана исходя из условий их возможного функционирования в сверхширокой полосе частот, либо на ряде дискретных частот. Предварительно отметим, что наиболее известные (классические) фрактальные структуры, которые ряд авторов предлагают использовать для создания фрактальных антенн (см., например, обзор, приведенный в [4]), мало перспективны для этой цели. И связано это с тем, что базовая фрактальная структура должна обладать определенными электродинамическими свойствами (одним из важнейших из которых является выполнение условий автоматической отсечки токов [6]); само же свойство фрактальности структуры не дает возможности делать однозначные выводы о перспективности ее использования в антенных устройствах.
Пусть рассматривается плоский квазифрак-тальный симметричный электрический вибратор, который локализован в свободном пространстве, т. е. либо существенно удален от металлического корпуса аппаратуры, либо поднят над ним таким образом, что силовые линии поля являются нормальными к металлу. При синтезе вибратора предполагалось, что задана прямоугольная область, внутри которой может быть расположено плечо вибратора (рис. 1). Отношение ширины области к ее высоте выбрано равным 0.5; этим созданы условия для реализации сверхширокополосности антенны: эквивалентность формы металлической и щелевой ее частей, а также - определение формы антенного устройства, в первую очередь, угловыми параметрами структуры [6]. Внутри пространства данного прямоугольника следует расположить плечо симметричного электрического вибратора так, чтобы в макси-
Рис. 1. Принцип построения фрактальной структуры на основе объединения кругов подобных диаметров
мально возможной полосе частот антенна характеризовалась бы наилучшим качеством согласования с фидерной линией и максимальным коэффициентом усиления. Отметим, что наиболее известной структурой подобного типа является плоский бикониче-ский вибратор с треугольными плечами, обладающий максимальной полосой частот при углах в вершинах треугольников, использующихся для запит-ки, равных 90°.
Численный анализ плоского вибратора с треугольными плечами показал, что в нижней части реализуемой полосы частот наблюдается существенное рассогласование, обусловленное недостатком входной емкостной составляющей. Поэтому было предложено использовать плоский вибратор с плечами полукруглой формы. Данная базовая структура сравнивалась с вибратором, имеющим квазиф-рактальную топологию. Плечо такого вибратора формировалось не только основным (внешним) (по-лу)кругом, но и кругами меньшего диаметра, центры которых располагались на линиях, отклоненных от вертикали на ±45° (рис. 1). Выступающие в область щели части кругов меньшего диаметра, внося дополнительную емкостную составляющую во входное сопротивление, при оптимальном выборе геометрии квазифрактальной структуры позволяют существенно уменьшить вариацию реактивной составляющей входного сопротивления антенны и, тем самым, расширить полосу ее рабочих частот по согласованию с фидерной линией.
На рис. 2 показан один из удачных вариантов планарного квазифрактального вибратора, характеризующийся отношением радиусов взаимноподобных кругов, равным 0.4 (реальные размеры структуры - 100x100 мм2).
Рис. 2. Симметричный электрический вибратор на основе планарной квазифрактальной структуры, показанной на рис. 1
Из рис. 3, 4, полученных на основе численного моделирования методом конечных интегралов Вейланда, видно, что входные характеристики плоского симметричного квазифрактального электрического вибратора значительно лучше, чем у прототипа -
вибратора с плечами полукруглой формы. В частности, в полосе частот от 1 до 3 ГГц уровень КСВН уменьшился с 2.1 до 1.5. В полосе частот от 1.1 до 2.6 ГГц при этом наблюдается выигрыш в коэффициенте усиления антенны (рис. 5).
Рис. 3. Диаграммы Смита планарных симметричных электрических вибраторов в полосе частот 0.75 - 3 ГГц с плечами полукруглой (1) и квазифрактальной (2) формы (волновое сопротивление фидера - 50 Ом)
Рис. 4. Частотные зависимости КСВН планарных симметричных электрических вибраторов с плечами полукруглой (1) и квазифрактальной (2) формы
^дЕ 4.5 ------------------
4
3.5
3
2.5
2 / Г
4
1.5 —/
1 1.5 2 2.5 3
£ ГТц
Рис. 5. Частотные зависимости коэффициента усиления планарных симметричных электрических вибраторов с плечами полукруглой (1) и квазифрактальной (2) формы
Было выяснено, что использование квазифрак-тального принципа подобия излучающих элементов антенного устройства (широко используемого в различных конструкциях логопериодических антенн [3, 6]) позволяет создавать многочастотные полосковые антенны нормального излучения с квазиигольчатой диаграммой направленности (рис. 6, 9).
На рис. 6 показана топология квазифракталь-ной полосковой антенны на основе вложенных колец, соединенных между собой в окрестности точки запитки относительно экрана. Диаметр внешнего кольца составляет 74 мм, зазор между кольцами и экраном - 10 мм. Численное моделирование антенны позволило установить, что ее характеристики существенно зависят от частоты. Очевидно, что даже на самых высоких частотах своего функционирования (когда диаметр меньшего из колец соответствует половине длины волны) токи будут протекать по всем кольцам, что и обуславливает достаточно сильную зависимость входного сопротивления антенны от частоты (рис. 7).
Рис. 6. Квазифрактальная полосковая антенна на основе вложенных колец
Рис. 7. Диаграмма Смита полосковой антенны на основе вложенных колец в полосе частот 0- 3 ГГц (волновое сопротивление фидерной линии - 30 Ом)
Частотная зависимость коэффициента усиления в полосе частот 1 - 3 ГГц характеризуется наличием трех узких рабочих областей, расположенных в окрестности частот 1.5, 2.0 и 2.65 ГГц (рис. 8). Данное обстоятельство позволяет использовать такую антенну на нескольких дискретных частотах.
б, дБ 10 9 8 7 6 5
4
3
2 1
11 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 29 3
С ГГц
Рис. 8. Частотная зависимость коэффициента усиления полосковой антенны на основе вложенных колец
Существенно более эффективным подходом при создании многочастотных полосковых антенн является применение шахматного закона запитки колец (рис. 9; запитка осуществляется относительно экрана в нижней точке кольца минимального размера; сторона максимального кольца - 80 мм; зазор между кольцами и экраном - 10 мм).
Несмотря на сложный характер частотной зависимости комплексного входного сопротивления (рис. 10) данная антенна обладает довольно широкими частотными полосами по коэффициенту усиления при излучении в направлении нормали к плоскости антенны. В частности, в области частот от 1.06 до 1.54 ГГц коэффициент усиления изменяется от 0 до 8 дБи (рис. 11). Коэффициент частотного перекрытия составляет при этом 1.45 (антенна считается сверхширокополосной, если коэффициент частотного перекрытия 1.5 или более). Частотная зависимость КСВН, показанная на рис. 12, получена
Рис. 9. Квазифрактальная антенна на основе вложенных колец с шахматным чередованием линии питания
с учетом рассогласования антенны с фидерной линией, обладающей волновым сопротивлением 200 Ом, и, очевидно, может быть значительна улучшена при использовании дополнительного согласующего устройства.
Рис. 10. Диаграмма Смита квазифрактальной структуры на основе вложенных колец с шахматным чередованием линии питания в полосе частот от 1 до 3 ГГц (волновое сопротивление фидерной линии - 200 Ом)
т г
II
1 II ІНШІ |Д
м ГІ и
1 вп ни |[ Шг
1 III
г н '1111 ЦП
1 V ІІІИІІ ІІІІШ
1 □ I 11 т л
1 1.1 1.2 1.3 1 4 1.5 1.6 1.7 1.8 19 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2 5 2 6 2.7 2.8 29 3
£ ГГц
Рис. 11. Частотная зависимость коэффициента усиления квазифрактальной структуры на основе вложенных колец с шахматным чередованием линии питания
£ ГГц
Рис. 12. Частотная зависимость КСВН квазифрактальной структуры на основе вложенных колец с шахматным чередованием линии питания
Таким образом, рассмотренный подход к созданию сверхширокополосных и многочастотных полосковых антенн, основанный на использовании одного из принципов фрактальности - самоподобия элементов, оказался весьма продуктивным и позволил предложить ряд конструкций полосковых антенн, обладающих сверхширокополосными или многочастотными свойствами.
На основе численного математического моделирования показано, что синтезированные конструкции антенн являются перспективными для портативной радиоэлектронной аппаратуры приема, передачи и обработки информации различного назначения, в частности - сотовых и спутниковых телефонов, портативных компьютеров и перспективной аппаратуры новых стандартов WiFi, WiMax и UWB.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 0902-97504 "р_ц_а".
ГУ "Воронежский региональный центр судебной экспертизы Минюста России"
Воронежский государственный технический университет ОАО "Концерн «Созвездие»", г. Воронеж
PERSPECTIVE DESIGNS OF ULTRABROADBAND AND MULTIFREQUENCY STRIP-GEOMETRY AERIALS REALISED ON THE BASIS OF A FRACTAL PRINCIPLE V.I. Vinnikov, A.V. Ostankov, Yu. G. Pasternak, I.V. Popov
The designs of ultrabroadband and multifrequency strip-geometry aerials constructed on the basis of one of fractal principles - of usage of similar members - are offered. By numerical mathematical modelling the prospects of offered aerials for a portative electronic equipment of a reception, transfer and data processing of different assigning is demonstrated
Key words: the strip-geometry aerial, self-similarity, method of final integrals, broadbandness, normalized standing wave ratio
Литература
1. Handbook of antennas in wireless communications / Ed. by L. C. Godara. - Washington: Press LLC, 2002. - 889 p.
2. Kumar G. Broadband microstrip antennas / G. Kumar, K. P. Ray. - Norwood: Artech House, 2003. - 432 p.
3. Milligan T.A. Modern antenna design: second edition / T.A. Milligan. - New Jersey: IEEE Press, Wiley-Interscience, 2005. - 614 p.
4. Volakis J.L. Antenna engineering handbook / J.L. Vo-lakis // Digital Engineering Library @ McGraw-Hill Companies, 2007. - 1755 p. www.digitalengineeringlibrary.com.
5. Weiland T.A. Discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields / T.A. Weiland // Electronics and Communication, 1977. - V. 31. -PP. 116-120.
6. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ / Д.М. Сазонов - М.: Высшая школа, 1988. - 432 с.
