CC BY
20УДК 621.396.67
СИНТЕЗ НИЗКОПРОФИЛЬНЫХ АНТЕНН МЕТОДОМ ФРАКТАЛЬНОГО АНАЛИЗА
С.В. Дворников, доктор технических наук.
Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного; Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения.
В.И. Власенко, кандидат технических наук; А.А. Русин, кандидат технических наук.
Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного
Представлены результаты синтеза низкопрофильных антенн на основе учета самоподобия их элементов. Рассмотрены основные недостатки низкопрофильных антенн и перспективные пути их преодоления. Приведены результаты расчета их характеристик в среде моделирования MMANA-GAL и CST Microwave Studio. Исследованы возможности фрактальных типов низкопрофильных антенн. Определены перспективы их применения.
Ключевые слова: низкопрофильные антенны, фрактальные антенны, синфазные антенные системы
SYNTHESIS OF LOW-PROFILE ANTENNAS USING FRACTAL ANALYSIS
S.V. Dvornikov. Military academy of communications of Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny; Saint Petersburg state university of aerospace instrumentation. V.I. Vlasenko; A.A. Rusin.
Military academy of communications of Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny
The results of the synthesis of low-profile antennas based on taking into account the very similarity of their elements are presented. The main disadvantages of low-profile antennas and promising ways to overcome them are considered. The results of calculating their characteristics in the MMANA-GAL and CST Microwave Studio modeling environment are presented. Possibilities of fractal types of low-profile antennas are investigated. The prospects for their application have been determined.
Keywords: low-profile antennas, fractal antennas, in-phase antenna systems
Введение
Методы теории фракталов, разработанные Мандельбротом [1], находят самое широкое применение в различных практических приложениях радиотехники. В основе фрактального анализа лежат свойства самоподобия фракталов как простейших элементов, комбинации которых позволяют синтезировать сложные конструкции с прогнозируемыми желательными свойствами [2, 3]. Строгая иерархия, определяемая фракталами, открывает особенно широкие возможности при построении и разработке излучающих устройств на основе антенных решеток [4].
В частности, анализ работ [5-7] показал, что методы фрактального анализа позволяют получать антенные решетки, обладающие не только гармоничной структурой, но и с необходимой формой диаграмм направленности. Фрактальная геометрия, представленная в работе [8], показывает, что наиболее просто методы фрактального анализа реализуются в линейных антеннах, состоящих из совокупности самоподобных элементов.
86
В частности, в работе [9] обосновано, что такой подход обеспечивает высокое постоянство параметров излучающей системы в очень широком частотном диапазоне. При этом он позволяет уйти от непосредственного синтеза сигналов [10] к синтезу устройств, что особенно важно для мобильных систем [11].
В настоящее время фрактальный подход успешно используется при разработке логопериодических, биконических и различных спиральных антенн [12]. При этом следует понимать, что такой синтез ведет к увеличению размеров антенных систем, при том, что получаемые таким образом антенны не обладают высокой частотной селекцией, поскольку у них реализован принцип самодополнения. А переход к конечной структуре антенны приводит к ограничению ее диапазонных свойств.
Очевидно, что методы синтеза антенн на основе фрактальных элементов требуют детального теоретического осмысления с последующим проведением практических экспериментов, направленных на поиск оптимальных структур.
Учитывая указанные обстоятельства, в настоящей статье представлены результаты исследований, связанных с синтезом низкопрофильных антенных систем на основе фрактальных элементов.
Особенности низкопрофильных антенн
Низкопрофильные антенные системы известны достаточно давно и активно применяются как в системах связи, так и радиотехнических системах [13]. Практический аспект их развития связан с необходимостью миниатюризации размеров радиотехнических систем. Как правило, такие антенны изготавливают на основе различных металлических или диэлектрических излучателей, которые располагают на относительно небольшой высоте И < 0,1 X над металлическим экраном.
Основным достоинством низкопрофильных антенн являются их небольшие габариты и относительно малый вес. Это обеспечивает удобство размещения таких антенн на подвижных радиотехнических объектах или в местах с ограниченными геометрическими размерами.
К другим несомненным положительным моментам низкопрофильных антенн следует отнести простоту их изготовления и достаточно низкую стоимость, обеспечиваемых применением интегральных технологий изготовления печатных плат, совмещенных с излучателем [14].
В настоящее время актуальность миниатюризации антенн определяется активным развитием беспроводных систем связи [15]. Действительно, если на базе интегральных схем возможен синтез антенных решеток сравнительно небольшого объема, массы и главное малой высоты, то почему бы их и не использовать.
В общем случае форма излучателя низкопрофильной антенной решетки необязательно может быть линейной (в виде вибратора). Как правило, в плоскостной (пластинчатой), щелевой, спиральной структурах используют антенные элементы с самыми различными геометрическими формами.
Вместе с тем низкопрофильным антеннам присущи и определенные недостатки. К основным из которых следует отнести:
- узкая полоса рабочих частот;
- низкая эффективность (малый КПД);
- побочные излучения ее элементов и высокий уровень кроссполяризации.
В работах [16, 17] обосновано, что один из путей получения эффективных малогабаритных антенн связан с использованием при их разработке методов фрактальной геометрии. Следовательно, целесообразно рассмотреть возможность применения простых фракционных элементов с целью устранения некоторых недостатков низкопрофильных антенных решеток.
87
Фрактальный синтез низкопрофильных антенн
В качестве примера рассмотрим синфазную антенную систему, состоящую из двух полуволновых вибраторов ( £ / Х = 0,25), на рабочей частоте^=750 МГц. Будем полагать, что вибраторы расположены над рефлектором на высоте И=5 см.
Далее исследуем характеристику такой системы при различном расположении вибраторов. В частности, при использовании однопроводных вибраторов, К-образных вибраторов, а также вибраторов, собранных на основе фрактальных элементов.
Модели антенных систем для К-образных вибраторов, а также вибраторов, собранных на основе фрактальных элементов, показаны на рис. 1. Слева представлена система на основе К-образных вибраторов, а справа - вибраторов, на основе фрактальных элементов.
-х-
Рис. 1. Структуры элементов антенных решеток
Для получения и последующей оценки количественных параметров рассмотренных антенных систем была использована компьютерная программа MMANA-GAL.
Так, на рис. 2-4 показаны рассчитанные диаграммы направленности (ДН) рассматриваемых антенных систем на частотах 750 МГц, 1800 МГц и 2100 МГц. На указанных рисунках ДН приведены по мощности излучения с учетом отражающей поверхности.
• ; V. . ;; • АО •
Ga: 8 87 dBi = OdB (H поляризация) Gh : 6.72 dBd
F/B: -13.07 dB: Тыл: Азим. 120 irp, Элевация 60 гр F: 750.000 МГц Z: 74.285 +J82.443 Ом КСВ: 2.9 С75.0 Ом}.
88
Ga : 13.62 dBi = 0 dB (H поляризация) Gh : 11.47 dBd
F/B: -8.75 dB; Тыл: Азим. 120 гр, Элевация 60 гр F: 1800.000 МГц Z: 20.880 +J62.733 Ом KGB: 6.2 (75.0 Ом),
Са: 12.12 с]В1 = 0 с1В (Н поляризация) ОИ : 9.97 ава
Р/В: -4.27 с1В; Тыл: Азим. 120 гр. Элевация 60 гр Р: 2100.000 МГц I: 142.522+ ]|147.100 Ом КСВ: 4.2 (75.0 Ом),
Рис. 2. Характеристики 2-х элементной системы с линейными вибраторами
Ga : 9.05 dBi = 0 dB (H поляризация) Gh : 6.9 dBd
F/B: -15.07 dB; Тыл: Азим. 120 гр, Элевация 60 гр
F: 750.000 МГц
Z: 218.713 + j105.870 Ом
KGB: 3.7 (75.0 Ом),
89
Ga 13.13 dBi - 0 dB (H поляризация) Gh : 10.98 dBd
F/B: -8.70 dB; Тыл: Азим. 120 гр, Элевация 60 гр F: 1800.000 МГц Z: 83.735+ J71.013 Ом KGB: 2.4 (75.0 Ом),
Ба : 11.46(1В| = 0 dB (Н поляризация) ОИ : 9.31 с!Вс1
Г/В: -5.23 dB; Тыл: Азим. 120 гр, Элевация 60 гр Р: 2100.000 МГц
96.276-]19.824 Ом КСВ: 1.4 (75.0 0м),
Рис. 3. Характеристики 2-х элементной системы с У-образными вибраторами
Ga : 8.82 dBi - 0 dB (H поляризация) Gh : 6.67 dBd
F/B: -12.25 dB; Тыл: Азим. 120 гр, Элевация 60 гр F: 750.000 МГц Z: 263.748 +J50.955 Ом KGB: 3.7 (75.0 Ом),
90
Ga : 11.3 dBi = 0 dB (H поляризация) Gh : 9.15 dBd
F/B: -14.36 dB; Тыл: Азим. 120 гр, Элевация 60 гр F: 1800.000 МГц Z: 65 730 ¡21.087 Ом КСВ: 1.4 (75.0 Ом),
Ga : 9.58 dBi = 0 dB (H поляризация) Gh : 7.43 dBd
F/B: -2.57 dB; Тыл: Азим. 120 гр, Элевация 60 гр F: 2100.000 МГц Z: 28.618 +J47.560 Ом КСВ: 3.8 (75.0 Ом),
Рис. 4. Характеристики 2-х элементной системы с фрактальными вибраторами
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующее заключение. В ходе моделирования рассматривался достаточно широкий диапазон, с коэффициентом перекрытия, равным 2,8. Следует отметить, что в номинальном значении, антенные системы охватывают диапазон работы сетей мобильной связи и широкополосного доступа.
Так, в нижней части (750 МГц) ДН у всех антенных систем примерно одинаковы. Но у 2-х элементной системы с линейными вибраторами величина коэффициента стоячей волны (КСВ) составляет 2,9 при значении комплексного сопротивления z1=74,3+/82,4. В то время как у 2-х элементной системы с V-образными вибраторами КСВ равен 3,7, но комплексное сопротивление z2=218,7+/105,9. А у 2-х элементной системы с фрактальными вибраторами, соответственно, КСВ=3,7, z3=263,7+/50,9.
Так, в средней части (1800 МГц) ДН у 2-х элементной системы с линейными вибраторами разваливается на три лепестка. Причем затухание у крайних лепестков на 15 дБ выше, относительно центрального. У 2-х элементной системы с V-образными вибраторами при таком же уровне затухания крайние лепестки ДН более локализованы. При том, что у 2-х элементной системы с фрактальными вибраторами уровень по крайним лепесткам составляет всего минус 8 дБ относительно центрального, а ДН не имеет провалов. Следует отметить, что фрактальная система имеет самый низкий КСВ=1,4. У 2-х элементной системы с V-образными вибраторами он в 1,7 раза выше, а у 2-х элементной системы с линейными вибраторами - в три раза.
91
В верхней части (2 100 МГц) наиболее цельная ДН у 2-х элементной системы с V-образными вибраторами, ее КСВ=1,4. У фрактальной системы КСВ в 2,7 раза выше, а у 2-х элементной системы с линейными вибраторами - в три раза.
Для повышения надежности результатов дополнительно были проведены расчеты с использованием компьютерной программы CST Microwave Studio. Согласно проведенным расчетам характеристики ДН по двум компьютерным программам дают примерно одинаковые результаты. В качестве примера на рис. 5 приведены характеристики излучения той же 2-х элементной антенной системы с фрактальными вибраторами, что и на рис. 4.
о
Рис. 5. Характеристики 2-х элементной системы с фрактальными вибраторами
В целом все рассмотренные системы не являются оптимальными при работе в таком широком диапазоне частот. Но требования работоспособности сохраняют.
Заключение
В заключение следует подчеркнуть, что коэффициент усиления всех рассмотренных антенных систем лежит в пределах 9...13 дБ. По условию согласования с фидером 75 Ом в диапазоне частот от 750 МГц до 2 100 МГц лучшим вариантом является антенная система с F-образными вибраторами. Это объясняется тем, что в F-образном вибраторе, как и в биконическом, происходит трансформация волнового сопротивления, в результате чего наблюдается компенсация отраженной волны. Во фрактальной системе при увеличении частоты также наблюдается эффект четвертьволнового трансформатора, что приводит к улучшению условия согласования.
Таким образом, можно заключить, что применение фрактальных вибраторов в низкопрофильных антенных системах требует дополнительного согласования с линиями питания элементов системы.
Очевидно, что использование фрактальных излучателей в низкочастотных диапазонах усложняет конструкцию антенн и снижает их надёжность, поэтому даже с учётом достижения незначительного положительного эффекта применение таких антенн требует дополнительного обоснования.
Дальнейшие исследования авторы связывают с анализом широкодиапазонных антенн, построенных на основе фрактального синтеза.
Литература
1. Mandelbrot В.В. Lex objets fractals: Forme, Hasanl el Dimension. Paris: Flammarion,
1975.
2. Дворников С.В., Сауков А.М. Метод распознавания радиосигналов на основе вейвлет-пакетов // Научное приборостроение. 2004. Т. 14. № 1. С. 85-93.
3. Короленко П.В., Мишин А.Ю. Физические аспекты феномена красоты фракталов // Международный научно-исследовательский журнал. 2019. № 1-1 (79). С. 7-11.
92
4. Метод пространственно-временной фильтрации радиосигналов на основе антенных решеток произвольной пространственной конфигурации / В.Н. Саяпин [и др.] // Информация и космос. 2006. № 3. С. 83-89.
5. Нудьга А.А., Савочкин А.А. Разработка фрактальной антенны круговой поляризации // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. 2020. № 1-1. С. 235-236.
6. Ландышев Ф.А. Анализ подходов к разработке фрактальных антенн для решения задач беспроводной связи // Инженерные кадры - будущее инновационной экономики России. 2020. № 3. С. 75-78.
7. Айкашев П.В. Методы фрактальной геометрии в теории антенн // Modern Science. 2020. № 10-1. С. 362-369.
8. Бойков И.В., Айкашев П.В. К вопросу об анализе и синтезе фрактальных антенн // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2018. № 1 (45). С. 92-110.
9. Крупенин С.В. Моделирование фрактальных антенн // Радиотехника и электроника.
2006. Т. 51. № 5. С. 561-568.
10. Dvornikov S.V., Dvornikov S.S., Kriachko A.F. Digital synthesis of signals with a low level of manifestation of edge effects // 2020 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems, WECONF 2020. 2020. С. 9131500.
11. Власенко В.И., Дворников С.В. Двухполяризационная антенна для базовой станции подвижной радиосвязи // Телекоммуникации. 2021. № 5. С. 8-16.
12. Моделирование фрактальных антенн / Н.Н. Евтихиев (ст.) [и др.] // Радиотехника.
2007. № 9. С. 14-18.
13. Виноградов А.Ю., Кабетов Р.В., Сомов А.М. Устройства СВЧ и малогабаритные антенны: учеб. пособие для вузов / под ред. А.М. Сомова. М.: Горячая линия - Телеком, 2012. 440 с.
14. Гончаренко И.В. Антенны КВ и УКВ (Компьютерное моделирование). М.: И П Радио Софт, 2004. 124 с.
15. Применение фрактальных антенн для беспроводных широкополосных сетей четвертого поколения / А.О. Ефремова [и др.] // Вопросы современной науки и практики. 2014. № 3 (53). С. 56-61
16. Кравченко В.Ф., Масюк В.М. Современные методы аппроксимации в теории антенн. Кн. 3 : Новый класс фрактальных функций в задачах анализа и синтеза антенн. Радиотехника. М., 2002. 75 с.
17. Дворников С.В., Власенко В.И. Энергетический расчет радиолиний военного назначения: учеб. пособие. СПб.: ВАС, 2020. 180 с.
References
1. Mandelbrot V.V. Lex objets fractals: Forme, Hasanl el Dimension. Paris: Flammarion,
1975.
2. Dvornikov S.V., Saukov A.M. Metod raspoznavaniya radiosignalov na osnove vejvlet-paketov // Nauchnoe priborostroenie. 2004. T. 14. № 1. S. 85-93.
3. Korolenko P.V., Mishin A.Yu. Fizicheskie aspekty fenomena krasoty fraktalov // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. 2019. № 1-1 (79). S. 7-11.
4. Metod prostranstvenno-vremennoj fil'tracii radiosignalov na osnove antennyh reshetok proizvol'noj prostranstvennoj konfiguracii / V.N. Sayapin [i dr.] // Informaciya i kosmos. 2006. № 3. S. 83-89.
5. Nud'ga A.A., Savochkin A.A. Razrabotka fraktal'noj antenny krugovoj polyarizacii // SVCH-tekhnika i telekommunikacionnye tekhnologii. 2020. № 1-1. S. 235-236.
6. Landyshev F.A. Analiz podhodov k razrabotke fraktal'nyh antenn dlya resheniya zadach besprovodnoj svyazi // Inzhenernye kadry - budushchee innovacionnoj ekonomiki Rossii. 2020. № 3. S. 75-78.
93
7. Ajkashev P.V. Metody fraktal'noj geometrii v teorii antenn // Modern Science. 2020. № 10-1. S. 362-369.
8. Bojkov I.V., Ajkashev P.V. K voprosu ob analize i sinteze fraktal'nyh antenn // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Povolzhskij region. Tekhnicheskie nauki. 2018. № 1 (45). S. 92-110.
9. Krupenin S.V. Modelirovanie fraktal'nyh antenn // Radiotekhnika i elektronika. 2006. T. 51. № 5. S. 561-568.
10. Dvornikov S.V., Dvornikov S.S., Kriachko A.F. Digital synthesis of signals with a low level of manifestation of edge effects // 2020 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems, WECONF 2020. 2020. S. 9131500.
11. Vlasenko V.I., Dvornikov S.V. Dvuhpolyarizacionnaya antenna dlya bazovoj stancii podvizhnoj radiosvyazi // Telekommunikacii. 2021. № 5. S. 8-16.
12. Modelirovanie fraktal'nyh antenn / N.N. Evtihiev (st.) [i dr.] // Radiotekhnika. 2007. № 9. S. 14-18.
13. Vinogradov A.Yu., Kabetov R.V., Somov A.M. Ustrojstva SVCh i malogabaritnye antenny: ucheb. posobie dlya vuzov / pod red. A.M. Somova. M.: Goryachaya liniya - Telekom, 2012. 440 s.
14. Goncharenko I.V. Antenny KV i UKV (Komp'yuternoe modelirovanie). M.: I P Radio Soft, 2004. 124 s.
15. Primenenie fraktal'nyh antenn dlya besprovodnyh shirokopolosnyh setej chetvertogo pokoleniya / A.O. Efremova [i dr.] // Voprosy sovremennoj nauki i praktiki. 2014. № 3 (53). S. 56-61
16. Kravchenko V.F., Masyuk V.M. Sovremennye metody approksimacii v teorii antenn. Kn. 3: Novyj klass fraktal'nyh funkcij v zadachah analiza i sinteza antenn. Radiotekhnika. M., 2002. 75 s.
17. Dvornikov S.V., Vlasenko V.I. Energeticheskij raschet radiolinij voennogo naznacheniya: ucheb. posobie. SPb.: VAS, 2020. 180 s.
94
