GP sur 160 Minooka

D'une manière ou d'une autre, je suis tombé entre les mains d'un bulletin ARRL dans lequel des résultats intéressants d'enquêtes sur les antennes dans la plage de 160 mètres ont été donnés. Et le principal charme, à part les résultats, bien sûr, c'est qu'il s'agit d'une statistique combinée depuis 1969 ! Premièrement, il faut croire aux statistiques d'une telle période, et deuxièmement, la variété des modèles d'antennes à 160 m tout simplement "dépasse". Première question : si vous allez faire une antenne pour HF aujourd'hui, ce sera :
La première réponse : 60% - vertical, 30% - dipôle horizontal, 10% autres options. Les verticales de cette étude comprennent les longueurs d'onde 1/4, 1/2, 5/8, les verticales de longueur aléatoire et le L inversé de l'antenne. Deuxième question: si aujourd'hui vous allez faire une antenne sur 160 mètres, alors ce sera : 70% vertical, 17% horizontal, 5% L inversé, 2% combinaison H/V, 2% V inversé, 3% autres options. N'est-ce pas significatif ? :-) ? 70 contre 17 ! Et maintenant, selon la même enquête, les arguments pour lesquels les répondants ont fait leur choix. Réponse 2 : 1. Haute efficacité dans la plage de 160 mètres pour le travail DX. 2. Simplicité de conception et facilité d'installation 3. Faible coût 4. S'adapte dans la cour arrière 5. Bande passante suffisamment large 6. Fonctionne bien sur de longues distances 7. Peut être réduit pour des plages de fréquences plus élevées. Bonne évolutivité.
Ce qui est vrai est vrai. Il est difficile de s'opposer à un élément de la liste. C'est probablement pourquoi les options d'antennes verticales pour 160 mètres ne sont que la mer. Comment naviguer dans cet océan de modèles et ne pas se noyer ? Sur la base de ma petite (environ 45 ans :-) d'expérience, je peux donner quelques conseils aux débutants. Je m'excuse auprès de ceux qui connaissent bien la théorie des antennes de ne pas me juger strictement pour des simplifications radicales de concepts. Sautez quelques paragraphes si vous n'êtes pas intéressé :-)
Le premier postulat. L'antenne doit avoir une longueur physique d'au moins environ un multiple de 1/4 de la longueur d'onde et approximativement la même longueur de contrepoids, nombre d'au moins 2. Tous les schémas de raccourcissement (si la longueur électrique est plus grande que nécessaire) et l'allongement (dans le cas contraire) n'a qu'un seul but - forcer l'antenne à devenir résonante. C'est-à-dire de résonner à la fréquence désirée. Dans ce cas, l'efficacité du rayonnement direct des ondes radio diminuera en proportion inverse du degré d'allongement (raccourcissement).
Avant de décider de répéter une structure rencontrée quelque part, vous devez bien déterminer quels éléments d'antenne sont nécessaires pour s'accorder en résonance et lesquels (après cela) pour assurer les conditions d'adaptation. Si cela ne peut pas être fait, quelqu'un a probablement décrit la conception créée par l'expérience et non le fait qu'elle fonctionnera dans vos conditions. Essayez d'éviter des éléments supplémentaires dans l'antenne (autres que le rideau et les contrepoids) La meilleure option est lorsque le rideau d'antenne a une longueur d'onde de 1/4, 1/2 ou 5/8 avec les mêmes contrepoids. Il est assez difficile de placer 41 mètres de fil (ou tuyau !) à la verticale, il faut donc aller au coude (inclinaison) du vibrateur, ce qui n'est pas souhaitable en principe, mais réduit l'efficacité du rayonnement dans une bien moindre mesure que, par exemple, le raccourcissement. N'oubliez pas un concept tel que la hauteur effective de l'antenne. Plus le haut de l'antenne est éloigné du sol (lisez plus la tige est longue), plus la hauteur d'antenne la plus efficace est grande. La dépendance de l'intensité du champ au point de réception est directement proportionnelle à cette valeur. Il y a un argument de plus pour plus d'un quart de longueur d'onde de la broche - la formule EMF induite dans le conducteur détermine l'augmentation directement proportionnelle de la tension au connecteur d'antenne à partir de la longueur. Par conséquent, la meilleure antenne fouet est 5/8 ondes. Mais 5/8 pour 160 c'est 100 mètres. Même les radioamateurs les plus riches n'ont souvent pas la possibilité de créer un point d'appui (ou une suspension) à une telle hauteur. Même 1/4 d'onde à cette distance est de 41 mètres. Mais, néanmoins, il existe un moyen de trouver un compromis pour la hauteur de suspension réelle d'un utilisateur particulier. Environ la moitié des modifications et des clones d'antennes verticales de 160 mètres suivent les principes sur lesquels fonctionne cette antenne. La beauté de l'idée est que l'utilisateur, connaissant la hauteur à laquelle il peut élever l'extrémité supérieure de l'épingle, choisit la disposition et la taille des éléments. Bien entendu, la hauteur est limitée : pas moins de 2,13 mètres pour une utilisation nomade et pas plus de 18,29 mètres pour la base. Il s'appelle Minooka Special et ressemble à ceci. Le tableau ci-dessous présente 6 versions du Minooka chevauchant les dimensions réelles possibles (hauteur de suspension). Dans ce tableau, les valeurs de X et Y sont déterminées de manière unique et Z est le maximum possible dans les conditions d'un dessin répétitif, c'est-à-dire Z = la hauteur du point de suspension moins X et moins Y. Comme l'inscription sous l'image de l'antenne dit, L2 contient de 1 à 20 tours, et L3 de 1 à 5 tours avec un fil d'un diamètre de 1 mm avec un diamètre de la bobine elle-même de 38 mm. La source (QST, Barry a. Boothe, W9UCW) n'indique pas le nombre de tours L1, mais je pense qu'il devrait y avoir environ 20 tours d'enroulement similaires à L2 et L3 - enroulement avec un pas de 3 mm. Dans la source originale (pensez à 1976 !), les Américains ont déjà recommandé l'utilisation de tuyaux de plomberie en plastique ! Et je ne les ai découverts qu'en 2003 :-( En fait, L1 devra être deviné à 100% avec cette bobine, vous réglerez votre broche sur la résonance à votre fréquence préférée : cela ne fonctionnera pas pour obtenir une bande de 2 mégahertz :- ( Après avoir trouvé la résonance, vous pouvez passer à la correspondance. Contrairement à la source, pour le réglage, je proposerai d'utiliser un autotransformateur - une inductance avec les paramètres d'enroulement spécifiés mais seulement 20 tours avec des prises. Choix d'une prise à laquelle le processus de réglage minimum SWR peut être considéré comme complet.

Après avoir accordé avec L1 votre segment en résonance à la fréquence souhaitée, vous pouvez procéder au réglage de l'adaptation avec le feeder. Pour ce faire, la bobine L3 est retirée du circuit et, en changeant la bobine L2, la valeur SWR la plus faible possible dans une telle configuration est atteinte. Ensuite, en retournant L3 dans le circuit, ils atteignent un ROS égal à un. Il est probable qu'après cela, vous devrez ajuster le L1. Pour une utilisation mobile (à longueur minimale) (réglage SWR) un bon SWR peut être obtenu sans la bobine L3.
Il ne faut pas oublier que pour que l'antenne fonctionne efficacement, il doit y avoir de 2 à 40 radiales à la base (selon la recommandation de l'auteur :-) juste 18,3 mètres.
Bien? Pas fatigué de beaucoup de variables? Mais cela fonctionnera en accord exact avec la science :-) Étant pragmatique, je préfère les options évidentes et j'utilise donc une tige quart d'onde avec des radiaux sans une seule bobine ni condensateur correspondant. Vous pouvez voir comment je l'ai fait.Cependant, le même auteur de Minooka Spec n'a pas d'options de rognage qui fonctionneront si les dimensions sont correctes. Eh bien, si vous mentez sur le fait que la charge capacitive n'est pas un élément de réglage :-)

Trois émetteurs-récepteurs pour 1 antenne

Nous sommes tous des voyageurs à un degré ou à un autre. Certes, certains d'entre nous sont des voyageurs fanatiques. Cela peut être particulièrement dit à propos des radioamateurs. Tout le monde connaît le programme URFF, le programme UIA est connu de beaucoup, mais pas de tous. Encore moins de gens connaissent le programme, par exemple, les phares. Mais si en été vous proposez à un casanier de partir en expédition radio sur l'île et que vous êtes plus sollicité que d'habitude (presque un carambolage :-), alors je pense qu'il sera d'accord. J'aime moi-même beaucoup la nature, et quand on peut combiner les loisirs de plein air et un émetteur-récepteur en même temps, je suis tout simplement heureux. En même temps, vous oubliez combien d'efforts ont été dépensés pour transporter de lourdes charges,), de l'argent pour l'essence et des nerfs pour combattre les gardes-frontières... (Le fait est que toutes nos îles sont sur le Dniepr, à la frontière. Et les gardes-frontières contrôlent le fleuve).

EN5R-WW 2

Les antennes filaires fractales étudiées dans cette thèse ont été réalisées en pliant un fil selon un gabarit papier imprimé. Étant donné que le fil a été plié manuellement avec des pincettes, la précision de la réalisation des «courbures» de l'antenne était d'environ 0,5 mm. Par conséquent, pour la recherche, les formes fractales géométriques les plus simples ont été prises : la courbe de Koch et le « saut bipolaire » de Minkowski.

On sait que les fractales permettent de réduire la taille des antennes, tandis que la taille d'une antenne fractale est comparée à la taille d'un dipôle linéaire demi-onde symétrique. Dans les recherches ultérieures de la thèse, les antennes fractales filaires seront comparées à un dipôle linéaire à/4 bras égal à 78 mm avec une fréquence de résonance de 900 MHz.

Antennes filaires Koch Curve Fractal

L'article fournit des formules pour le calcul des antennes fractales basées sur la courbe de Koch (Figure 24).

une) m= 0 b) m= 1 c) m = 2

Figure 24 - Courbe de Koch des différentes itérations n

Dimension ré La fractale de Koch généralisée est calculée par la formule :

Si nous substituons l'angle de courbure standard de la courbe de Koch = 60 dans la formule (35), nous obtenons ré = 1,262.

Dépendance de la première fréquence de résonance du dipôle de Koch F K de la dimension de la fractale ré, nombres d'itérations m et la fréquence de résonance du dipôle rectiligne F D de même hauteur que la ligne polygonale de Koch (aux points extrêmes) est déterminé par la formule :

Pour la figure 24, b à m= 1 et ré= 1,262 de la formule (36) on obtient :

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

Pour la figure 24, c pour n = 2 et D = 1,262 de la formule (36) nous obtenons :

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

Les formules (37) et (38) nous permettent de résoudre le problème inverse - si nous voulons que les antennes fractales fonctionnent à la fréquence F K = 900 MHz, les dipôles en ligne droite doivent fonctionner aux fréquences suivantes :

pour n = 1 f D = f K / 0,816 = 900 MHz / 0,816 = 1102 MHz, (39)

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

À l'aide du graphique de la figure 22, nous déterminons la longueur/4 bras d'un dipôle rectiligne. Ils seront égaux à 63,5 mm (pour 1102 MHz) et 55 mm (pour 1293 MHz).

Ainsi, 4 antennes fractales ont été fabriquées sur la base de la courbe de Koch : deux avec des dimensions de /4 bras de 78 mm chacune, et deux avec des dimensions plus petites. Les figures 25-28 montrent des images de l'écran PK2-47, qui peuvent être utilisées pour déterminer expérimentalement les fréquences de résonance.

Le tableau 2 résume les données calculées et expérimentales, à partir desquelles on peut voir que les fréquences théoriques F T différent de l'expérimental F E n'est pas supérieur à 4-9%, et c'est un assez bon résultat.

Figure 25 - Ecran PK2-47 lors de la mesure d'antenne avec courbe de Koch d'itération n = 1 avec / 4 bras égal à 78 mm. Fréquence de résonance 767 MHz

Figure 26 - Ecran PK2-47 lors de la mesure de l'antenne avec la courbe de Koch d'itération n = 1 avec / 4 bras égal à 63,5 mm. Fréquence de résonance 945 MHz

Figure 27 - Ecran PK2-47 lors de la mesure d'antenne avec courbe de Koch d'itération n = 2 avec / 4 bras égal à 78 mm. Fréquence de résonance 658 MHz

Figure 28 - Ecran PK2-47 lors de la mesure d'antenne avec courbe de Koch d'itération n = 2 avec / 4 bras égal à 55 mm. Fréquence de résonance 980 MHz

Tableau 2 - Comparaison des fréquences de résonance calculées (fТ théorique) et expérimentales fЭ des antennes fractales basées sur la courbe de Koch

Antennes filaires fractales basées sur le "saut bipolaire". Modèle directionnel

Des lignes fractales de type "saut bipolaire" sont décrites dans l'ouvrage, cependant, les formules de calcul de la fréquence de résonance en fonction de la taille de l'antenne ne sont pas données dans l'ouvrage. Par conséquent, il a été décidé de déterminer les fréquences de résonance expérimentalement. Pour les lignes fractales simples de la 1ère itération (Figure 29, b), 4 antennes ont été réalisées - avec un /4 de longueur de bras égal à 78 mm, avec la moitié de la longueur et deux longueurs intermédiaires. Pour les lignes fractales difficiles à fabriquer de la 2ème itération (Figure 29, c), 2 antennes avec des longueurs / 4 bras de 78 et 39 mm ont été réalisées.

La figure 30 montre toutes les antennes fractales fabriquées. La figure 31 montre l'apparition d'un montage expérimental avec une antenne fractale "saut bipolaire" de la 2ème itération. Les figures 32-37 montrent la détermination expérimentale des fréquences de résonance.

une) m= 0 b) m= 1 c) m = 2

Figure 29 - Courbe de Minkowski "saut bipolaire" de différentes itérations n

Figure 30 - Aspect de toutes les antennes fractales filaires fabriquées (diamètres de fil 1 et 0,7 mm)

Figure 31 - Montage expérimental : VSWR panoramique et atténuateur PK2-47 avec une antenne fractale de type "saut bipolaire", 2ème itération

Figure 32 - Ecran PK2-47 lors de la mesure de l'antenne "saut bipolaire" itération n = 1 avec /4 bras égal à 78 mm.

Fréquence de résonance 553 MHz

Figure 33 - Ecran PK2-47 lors de la mesure de l'antenne "saut bipolaire" itération n = 1 avec / 4 bras égal à 58,5 mm.

Fréquence de résonance 722 MHz

Figure 34 - Ecran PK2-47 lors de la mesure de l'antenne "saut bipolaire" itération n = 1 avec / 4 bras égal à 48 mm. Fréquence de résonance 1012 MHz

Figure 35 - Ecran PK2-47 lors de la mesure de l'antenne "saut bipolaire" itération n = 1 avec / 4 bras égal à 39 mm. Fréquence de résonance 1200 MHz

Figure 36 - Ecran PK2-47 lors de la mesure de l'antenne "saut bipolaire" itération n = 2 avec /4 bras égal à 78 mm.

La première fréquence de résonance est de 445 MHz, la seconde est de 1143 MHz

Figure 37 - Ecran PK2-47 lors de la mesure de l'antenne "saut bipolaire" itération n = 2 avec /4 bras égal à 39 mm.

Fréquence de résonance 954 MHz

Comme les études expérimentales l'ont montré, si l'on prend un dipôle linéaire demi-onde symétrique et une antenne fractale de même longueur (Figure 38), alors les antennes fractales de type "saut bipolaire" fonctionneront à une fréquence plus basse (de 50 et 61%), et les antennes fractales en forme de courbe Kochs fonctionnent à des fréquences 73 et 85% inférieures à celles d'un dipôle linéaire. Par conséquent, en effet, les antennes fractales peuvent être rendues plus petites. La figure 39 montre les dimensions des antennes fractales pour les mêmes fréquences de résonance (900-1000 MHz) en comparaison avec le bras d'un dipôle demi-onde classique.

Figure 38 - Antennes "régulières" et fractales de même longueur

Figure 39 - Dimensions des antennes pour les mêmes fréquences de résonance

5. Mesure des diagrammes de rayonnement des antennes fractales

Les diagrammes de rayonnement d'antenne sont généralement mesurés dans des chambres « anéchoïques », dont les parois absorbent le rayonnement incident. Dans cette thèse, les mesures ont été effectuées dans un laboratoire ordinaire de la Faculté de physique et de technologie, et le signal réfléchi par les boîtiers métalliques des appareils et des supports en fer a introduit une certaine erreur dans les mesures.

En tant que source de signal micro-ondes, nous avons utilisé notre propre générateur d'un VSWR panoramique et un atténuateur PK2-47. Un mesureur de niveau de champ électromagnétique ATT-2592 a été utilisé comme détecteur du rayonnement de l'antenne fractale, ce qui permet des mesures dans la gamme de fréquences de 50 MHz à 3,5 GHz.

Des mesures préliminaires ont montré que le rayonnement provenant de l'extérieur du câble coaxial, qui était directement (sans dispositifs d'adaptation) connecté au dipôle, déforme considérablement le diagramme de directivité d'un dipôle linéaire demi-onde symétrique. Une façon de supprimer le rayonnement de la ligne de transmission est d'utiliser un monopôle au lieu d'un dipôle en conjonction avec quatre "contrepoids" mutuellement perpendiculaires / 4 qui jouent le rôle de "terre" (Figure 40).

Figure 40 - / 4 Antenne monopôle et fractale avec "contrepoids"

Les figures 41 à 45 montrent les diagrammes de rayonnement mesurés expérimentalement des antennes étudiées avec des "contrepoids" (la fréquence de résonance du rayonnement ne change pratiquement pas lors du passage d'un dipôle à un monopôle). Les mesures de la puissance surfacique du rayonnement micro-ondes en microwatts par mètre carré ont été effectuées dans les plans horizontal et vertical après 10. Les mesures ont été effectuées dans la zone "loin" de l'antenne à une distance de 2.

Une antenne en forme de rectiligne / 4 vibrateurs a d'abord été étudiée. On voit sur le diagramme directionnel de cette antenne (Figure 41) qu'elle diffère du diagramme théorique. Cela est dû à des erreurs de mesure.

Les erreurs de mesure pour toutes les antennes étudiées peuvent être les suivantes :

Réflexion du rayonnement d'objets métalliques à l'intérieur du laboratoire ;

Absence de perpendicularité mutuelle stricte entre l'antenne et les contrepoids ;

Suppression incomplète du rayonnement de la gaine extérieure du câble coaxial ;

Lecture inexacte des valeurs angulaires ;

"visée" inexacte du compteur ATT-2592 à l'antenne ;

Interférence des téléphones portables.

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introduction

L'antenne est un appareil technique radio conçu pour émettre ou recevoir des ondes électromagnétiques. Une antenne est l'un des éléments les plus importants de tout système d'ingénierie radio associé à l'émission ou à la réception d'ondes radio. Ces systèmes comprennent : les systèmes de communication radio, la radiodiffusion, la télévision, la radiocommande, la communication par relais radio, le radar, la radioastronomie, la radionavigation, etc.

Structurellement, l'antenne se compose de fils, de surfaces métalliques, de diélectriques, de magnétodiélectriques. La fonction de l'antenne est illustrée par un schéma de liaison radio simplifié. Les oscillations électromagnétiques à haute fréquence, modulées par un signal utile et créées par un générateur, sont converties par l'antenne émettrice en ondes électromagnétiques et rayonnées dans l'espace. Habituellement, les oscillations électromagnétiques sont fournies de l'émetteur à l'antenne non pas directement, mais à l'aide d'une ligne électrique (ligne de transmission d'ondes électromagnétiques, alimentation).

Dans ce cas, les ondes électromagnétiques qui lui sont associées se propagent le long de la ligne d'alimentation, qui sont converties par l'antenne en ondes électromagnétiques divergentes d'espace libre.

L'antenne réceptrice capte les ondes radio libres et les convertit en ondes couplées qui sont acheminées via une alimentation vers le récepteur. Conformément au principe de réversibilité de l'antenne, les propriétés d'une antenne fonctionnant en émission ne changent pas lorsque l'antenne fonctionne en réception.

Des dispositifs similaires aux antennes sont également utilisés pour exciter des oscillations électromagnétiques dans divers types de guides d'ondes et de résonateurs à cavité.

1. Principales caractéristiques des antennes

1.1 Résumé des paramètres d'antenne de base

Lors du choix des antennes, leurs principales caractéristiques sont comparées : gamme de fréquences de fonctionnement (bande passante), gain, diagramme de rayonnement, impédance d'entrée, polarisation. Quantitativement, le gain d'antenne Ga montre combien de fois la puissance du signal reçu par une antenne donnée est supérieure à la puissance du signal reçu par l'antenne la plus simple - un vibrateur demi-onde (émetteur isotrope) placé au même point de l'espace . Le gain est exprimé en dB ou dB décibels. Il convient de distinguer le gain défini ci-dessus, noté dB ou dBd (relatif à un vibrateur dipôle ou demi-onde), et le gain relatif à un émetteur isotrope, noté dBi ou dB ISO. Dans tous les cas, il est nécessaire de comparer des valeurs du même type. Il est souhaitable d'avoir une antenne à gain élevé, cependant, l'augmentation du gain nécessite, en règle générale, de compliquer sa conception et ses dimensions. Il n'y a pas d'antennes simples de petite taille avec un gain élevé. Le diagramme de rayonnement de l'antenne (DP) montre comment l'antenne reçoit des signaux provenant de différentes directions. Dans ce cas, il est impératif de considérer le diagramme d'antenne à la fois dans les plans horizontal et vertical. Les antennes omnidirectionnelles dans n'importe quel plan ont un motif en forme de cercle, c'est-à-dire que l'antenne peut recevoir des signaux de tous les côtés de la même manière, par exemple, le motif directionnel d'une tige verticale dans le plan horizontal. Une antenne directive se caractérise par la présence d'un ou plusieurs lobes BP dont le plus grand est appelé principal. Habituellement, en plus du lobe principal, il existe des lobes arrière et latéraux dont le niveau est bien inférieur au lobe principal, ce qui aggrave néanmoins le fonctionnement de l'antenne, c'est pourquoi ils ont tendance à réduire leur niveau autant que possible .

L'impédance d'entrée de l'antenne est le rapport des valeurs de tension instantanées au courant du signal aux points d'alimentation de l'antenne. Si la tension et le courant du signal sont en phase, alors le rapport est une valeur réelle et la résistance d'entrée est purement active. Avec un déphasage, en plus du composant actif, un composant réactif apparaît - inductif ou capacitif, selon que le courant est en retard ou en avance sur la tension. L'impédance d'entrée dépend de la fréquence du signal reçu. En plus des caractéristiques principales énumérées, les antennes ont un certain nombre d'autres paramètres importants, tels que le SWR (Standing Wave Ratio), le niveau de polarisation croisée, la plage de température de fonctionnement, les charges de vent, etc.

1.2 Classement des antennes

Les antennes peuvent être classées selon différents critères : selon le principe LH-slot, selon la nature des éléments rayonnants (antennes à courants linéaires, ou antennes dipôles, antennes rayonnant par l'ouverture - antennes à ouverture, antennes à ondes de surface) ; par le type de système d'ingénierie radio dans lequel l'antenne est utilisée (antennes de radiocommunication, de radiodiffusion, de télévision, etc.). Nous respecterons le classement par gamme. Bien que des antennes avec les mêmes éléments rayonnants (de type) soient très souvent utilisées dans des longueurs d'onde différentes, leur conception est différente ; les paramètres de ces antennes et leurs exigences diffèrent également considérablement.

On considère les antennes des gammes d'ondes suivantes (les noms des gammes sont donnés conformément aux recommandations du « Règlement Radio » ; les noms répandus dans la littérature sur les dispositifs d'alimentation d'antennes sont indiqués entre parenthèses) : myriamètre (super -longues) vagues (); vagues kilométriques (longues) (); ondes hectométriques (moyennes) (); ondes décamétriques (courtes) (); ondes métriques (); ondes décimétriques (); ondes centimétriques (); ondes millimétriques (). Les quatre dernières bandes sont parfois appelées collectivement « ondes ultra-courtes » (VHF).

1.2.1 Bandes d'antenne

Ces dernières années, un grand nombre de nouveaux systèmes de communication à des fins diverses avec des caractéristiques différentes sont apparus sur le marché des radiocommunications et de la radiodiffusion. Du point de vue des utilisateurs, lors du choix d'un système de radiocommunication ou d'un système de diffusion, une attention particulière est d'abord portée à la qualité de la communication (diffusion), ainsi qu'à la facilité d'utilisation de ce système (terminal utilisateur), qui est déterminé par les dimensions, le poids, la facilité de contrôle et une liste de fonctions supplémentaires. Tous ces paramètres sont essentiellement déterminés par le type et la conception des dispositifs d'antenne et des éléments du trajet antenne-alimentation du système considéré, sans lesquels la mise en œuvre de la communication radio est impensable. À son tour, le facteur déterminant dans la conception et l'efficacité des antennes est la gamme de leurs fréquences de fonctionnement.

Conformément à la classification acceptée des gammes de fréquences, on distingue plusieurs grandes classes (groupes) d'antennes, qui diffèrent fondamentalement les unes des autres: antennes des gammes à très grandes ondes (VLF) et à grandes ondes (LW); antennes de la gamme des ondes moyennes (MW); antennes à ondes courtes (HF) ; antennes VHF ; antennes micro-ondes.

Les plus populaires ces dernières années du point de vue de la fourniture de services de communication personnelle, de radiodiffusion et de radiodiffusion télévisuelle sont les systèmes radio HF, VHF et micro-ondes, dont les dispositifs d'antenne seront discutés ci-dessous. Il convient de noter que, malgré l'apparente impossibilité d'inventer quelque chose de nouveau dans le domaine des antennes, ces dernières années, sur la base de nouvelles technologies et de nouveaux principes, des améliorations significatives ont été apportées aux antennes classiques et de nouvelles antennes ont été développées, qui sont fondamentalement différent de ceux qui existaient auparavant en termes de conception, de dimensions, de caractéristiques de base, etc., ce qui a conduit à une augmentation significative du nombre de types de dispositifs d'antenne utilisés dans les systèmes radio modernes.

Dans tout système de radiocommunication, il peut y avoir des dispositifs d'antenne conçus pour la transmission uniquement, pour la réception et la transmission, ou uniquement pour la réception.

Pour chacune des gammes de fréquences, il est également nécessaire de faire la distinction entre les systèmes d'antennes des appareils radio à action directionnelle et non directionnelle (omnidirectionnelle), qui à son tour sont déterminés par le but de l'appareil (communication, diffusion, etc.), les tâches résolues par l'appareil (notification, communication, diffusion, etc.). etc.). En général, les réseaux d'antennes constitués de radiateurs élémentaires (antennes) peuvent être utilisés pour augmenter la directivité des antennes (pour rétrécir le diagramme de rayonnement), qui, dans certaines conditions de leur phasage, peuvent fournir les changements nécessaires dans la direction du faisceau d'antenne dans l'espace (pour assurer le contrôle de la position du diagramme d'antenne). Au sein de chaque gamme, il est également possible de distinguer des dispositifs d'antenne fonctionnant uniquement à une certaine fréquence (monofréquence ou bande étroite), et des antennes fonctionnant dans une plage de fréquence assez large (large bande ou large bande).

1.3 Rayonnement des réseaux d'antennes

Pour obtenir une directivité élevée du rayonnement, ce qui est souvent requis dans la pratique, il est possible d'utiliser un système d'antennes faiblement directionnelles, telles que des vibrateurs, des fentes, des extrémités ouvertes de guides d'ondes, et autres, situées d'une certaine manière dans l'espace et excitées par courants avec le rapport requis d'amplitudes et de phases. Dans ce cas, la directivité générale, en particulier avec un grand nombre d'émetteurs, est déterminée principalement par les dimensions globales de l'ensemble du système et, dans une bien moindre mesure, par les propriétés directionnelles individuelles des émetteurs individuels.

Ces systèmes comprennent des réseaux d'antennes (AR). Habituellement AR est appelé un système d'éléments rayonnants identiques, également orientés dans l'espace et situés selon une certaine loi. Selon la disposition des éléments, on distingue les réseaux linéaires, surfaciques et volumétriques, parmi lesquels les RA rectilignes et plats sont les plus courants. Parfois, les éléments rayonnants sont situés le long d'un arc de cercle ou sur des surfaces courbes qui coïncident avec la forme de l'objet sur lequel se trouve l'AR (AR conforme).

Le plus simple est un AA linéaire, dans lequel les éléments rayonnants sont situés le long d'une ligne droite, appelée axe du réseau, à égale distance les uns des autres (AA équidistant). La distance d entre les centres de phase des émetteurs est appelée le pas du réseau. La RA linéaire, en plus de sa signification indépendante, est souvent la base de l'analyse d'autres types de RA.

2 . Analyse de structures d'antennes prometteuses

2.1 Antennes HF et VHF

Figure 1 - Antenne pour stations de base

Un grand nombre de systèmes radio à des fins diverses fonctionnent actuellement dans les bandes HF et VHF : communications (relais radio, cellulaire, trunking, satellite, etc.), diffusion radio, diffusion télévisée. De par leur conception et leurs caractéristiques, tous les dispositifs d'antenne de ces systèmes peuvent être divisés en deux groupes principaux - les antennes fixes et les antennes mobiles. Les antennes fixes comprennent les antennes de station de base, les antennes de réception de télévision, les antennes relais radio et les antennes mobiles pour les terminaux des utilisateurs de communication personnelle, les antennes de voiture et les antennes de station radio portables.

Les antennes des stations de base sont pour la plupart non directionnelles dans le plan horizontal, car elles assurent la communication principalement avec des objets mobiles. Les plus répandues sont les antennes fouets à polarisation verticale de type "Ground Plane" ("GP") en raison de leur simplicité de conception et de leur efficacité suffisante. Une telle antenne est une tige verticale de longueur L, choisie en fonction de la longueur d'onde de fonctionnement l, avec trois contrepoids ou plus, généralement montés sur le mât (figure 1).

La longueur des broches L est de l/4, l/2 et 5/8l, et les contrepoids sont compris entre 0,25l et 0,1l. L'impédance d'entrée de l'antenne dépend de l'angle entre le contrepoids et le mât : plus cet angle est petit (plus les contrepoids sont pressés contre le mât), plus la résistance est importante. En particulier, pour une antenne avec L = l/4, une impédance d'entrée de 50 ohms est obtenue sous un angle de 30є ... 45є. Le diagramme de rayonnement d'une telle antenne dans le plan vertical a un maximum à un angle de 30° par rapport à l'horizon. Le gain des antennes est égal au gain du dipôle demi-onde vertical. Dans cette conception, cependant, il n'y a pas de connexion entre la broche et le mât, ce qui nécessite l'utilisation supplémentaire d'une boucle court-circuitée de câble l/4 pour protéger l'antenne des orages et de l'électricité statique.

Une antenne de longueur L = l/2 n'a pas besoin de contrepoids, dont le rôle est joué par le mât, et son DN dans le plan vertical est plus fortement pressé vers l'horizon, ce qui augmente sa portée de fonctionnement. Dans ce cas, un transformateur haute fréquence est utilisé pour abaisser l'impédance d'entrée et la base de la broche est connectée au mât mis à la terre via un transformateur adapté, ce qui résout automatiquement le problème de la protection contre la foudre et de l'électricité statique. Le gain d'antenne par rapport à un dipôle demi-onde est d'environ 4 dB.

La plus efficace des antennes "GP" pour la communication longue distance est l'antenne avec L = 5 / 8L. Elle est légèrement plus longue que l'antenne demi-onde et le câble d'alimentation est connecté à un inducteur correspondant situé à la base du vibrateur. Les contrepoids (au moins 3) sont situés dans le plan horizontal. Le gain d'une telle antenne est de 5 à 6 dB, le DN maximal est situé à un angle de 15є par rapport à l'horizon et la broche elle-même est reliée au mât par la bobine correspondante. Ces antennes sont plus étroites que les antennes demi-onde et nécessitent donc un réglage plus minutieux.

Figure 2 - Antenne d'un vibrateur demi-onde

Figure 3 - Antenne rhombique d'un vibrateur demi-onde

La plupart des antennes de base sont installées sur les toits, ce qui peut grandement affecter leurs performances. Les éléments suivants doivent donc être pris en compte :

Il est conseillé de placer la base de l'antenne à au moins 3 mètres du plan du toit ;

Il ne doit pas y avoir d'objets et de structures métalliques (antennes TV, fils, etc.) à proximité de l'antenne ;

Il est conseillé d'installer les antennes le plus haut possible ;

Le fonctionnement de l'antenne ne doit pas interférer avec d'autres stations de base.

La polarisation du signal reçu (émis) joue un rôle essentiel dans l'établissement d'une communication radio stable ; Étant donné que lors de la propagation à longue distance, l'onde de surface subit une atténuation nettement moindre avec la polarisation horizontale, alors pour les communications radio à longue distance, ainsi que pour la transmission de télévision, des antennes à polarisation horizontale sont utilisées (les vibrateurs sont situés horizontalement).

La plus simple des antennes directionnelles est le vibrateur demi-onde. Dans un vibrateur demi-onde symétrique, la longueur totale de ses deux bras identiques est approximativement égale à l/2 (0,95 l/2), le diagramme directionnel a la forme d'un huit dans le plan horizontal et d'un cercle dans le plan vertical . Le gain, comme indiqué ci-dessus, est pris comme unité de mesure.

Si l'angle entre les vibrateurs d'une telle antenne est b<180є, то получают антенну типа V, у которой ДН складывается из ДН составных её частей, причём угол раскрыва зависит от длины вибратора (рисунок 2). Так, например, при L =л получаем б=100є, а при L = 2л, б =70є, а усиление равно 3,5 дБ и 4,5 дБ, входное сопротивление - 100 и 120 Ом соответственно.

Lorsque deux antennes de type V sont connectées de manière à additionner leurs diagrammes d'antenne, on obtient une antenne rhombique, dans laquelle la directivité est beaucoup plus prononcée (figure 3).

Lorsqu'il est connecté au sommet du losange, à l'opposé des points d'alimentation, la résistance de charge Rn dissipant la puissance égale à la moitié de la puissance de l'émetteur, la suppression du lobe arrière du RP de 15 ... 20 dB est obtenue. La direction du lobe principal dans le plan horizontal coïncide avec la diagonale a. Dans le plan vertical, le lobe principal est orienté horizontalement.

L'une des meilleures antennes directionnelles relativement simples est une antenne cadre «double carrée», dont le gain est de 8 ... 9 dB, la suppression du lobe arrière du diagramme d'antenne est d'au moins 20 dB et la polarisation est verticale .

Figure 4 - Antenne "canal d'onde"

Les plus répandues, notamment dans la gamme VHF, ont reçu des antennes de type "canal d'onde" (dans la littérature étrangère - antennes Uda-Yagi), car elles sont assez compactes et fournissent de grandes valeurs de Ga avec des dimensions relativement petites. Les antennes de ce type sont un ensemble d'éléments : actif - un vibreur et passif - un réflecteur et plusieurs directeurs montés sur une même flèche (figure 4). De telles antennes, notamment avec un grand nombre d'éléments, nécessitent un réglage minutieux lors de la fabrication. Pour une antenne à trois éléments (vibrateur, réflecteur et un directeur), les caractéristiques de base peuvent être fournies sans réglage supplémentaire.

La complexité des antennes de ce type réside également dans le fait que l'impédance d'entrée de l'antenne dépend du nombre d'éléments passifs et dépend de manière significative de l'accord de l'antenne, c'est pourquoi la valeur exacte de l'impédance d'entrée de telles antennes est souvent pas indiqué dans la littérature. En particulier, lorsqu'un vibrateur à boucle Pistolkors est utilisé comme vibrateur, qui a une impédance d'entrée d'environ 300 Ohm, avec une augmentation du nombre d'éléments passifs, l'impédance d'entrée de l'antenne diminue et atteint des valeurs de 30-50 Ohm, ce qui entraîne un décalage avec le chargeur et nécessite une correspondance supplémentaire. Avec une augmentation du nombre d'éléments passifs, le diagramme d'antenne se rétrécit et le gain augmente, par exemple, pour les antennes à trois et cinq éléments, les gains sont de 5 ... 6 dB et 8 ... 9 dB avec la largeur du lobe principal des DN 70є et 50є, respectivement.

Les antennes à ondes progressives (ABC) dans lesquelles tous les vibrateurs situés à la même distance les uns des autres sont actifs et connectés à la ligne collectrice sont plus large bande que les antennes de type « wave channel » et n'ont pas besoin d'être réglées (Figure 5). L'énergie du signal reçue par eux est ajoutée dans la ligne collectrice presque en phase et pénètre dans le chargeur. Le gain de telles antennes est déterminé par la longueur de la ligne collectrice, est proportionnel au rapport de cette longueur à la longueur d'onde du signal reçu, et dépend des propriétés directionnelles des vibrateurs. En particulier, pour ABC avec six vibrateurs de longueurs différentes correspondant à la gamme de fréquence requise et situés à un angle de 60є par rapport à la ligne collectrice, le gain varie de 4 dB à 9 dB dans la plage de fonctionnement, et le niveau de rayonnement arrière est 14 dB plus bas.

Figure 5 - Antenne à onde progressive

Figure 6 - Antenne à structure logarithmique ou antenne log-périodique

Les propriétés directionnelles des antennes considérées varient en fonction de la longueur d'onde du signal reçu. L'un des types d'antennes les plus courants avec un motif constant du motif dans une large gamme de fréquences sont les antennes avec une périodicité logarithmique de la structure ou les antennes log-périodiques (LPA). Ils ont une large gamme : la longueur d'onde maximale du signal reçu dépasse le minimum de plus de 10 fois. Dans le même temps, une bonne adaptation de l'antenne avec le chargeur est assurée sur toute la plage de fonctionnement et le gain ne change pratiquement pas. La ligne collectrice du LPA est généralement constituée de deux conducteurs situés l'un au-dessus de l'autre, auxquels les bras vibrateurs sont fixés horizontalement en alternance par l'un (figure 6, vue de dessus).

Les vibrateurs LPA sont inscrits dans un triangle isocèle avec un angle au sommet b et une base égale au plus gros vibrateur. La bande passante de travail de l'antenne est déterminée par les dimensions des vibrateurs les plus longs et les plus courts. Pour la structure logarithmique du voile d'antenne, un certain rapport doit être respecté entre les longueurs des vibrateurs adjacents, ainsi qu'entre les distances qui les séparent du sommet de la structure. Ce rapport est appelé la période de la structure :

B2 ? B1 = B3 ? B2 = A2 ? A1 = A3 ? A2 =… = f

Ainsi, la taille des vibrateurs et la distance qui les sépare du sommet du triangle diminuent de façon exponentielle. Les caractéristiques de l'antenne sont déterminées par la valeur de f et b. Plus l'angle b est petit et plus b est grand (b est toujours inférieur à 1), plus le gain d'antenne est grand et plus le niveau des lobes arrière et latéraux du diagramme d'antenne est faible. Cependant, cela augmente le nombre de vibrateurs, les dimensions et le poids de l'antenne augmentent. De manière optimale, les valeurs de l'angle b sont sélectionnées dans la plage 3є ... 60є et f - 0,7 ... 0,9.

En fonction de la longueur d'onde du signal reçu, plusieurs vibrateurs sont excités dans la structure de l'antenne, dont les dimensions sont les plus proches de la moitié de la longueur d'onde du signal, par conséquent, le LPA est similaire en principe à plusieurs antennes "canal d'onde" connectées ensemble, chacune dont contient un vibrateur, un réflecteur et un directeur... A une certaine longueur d'onde du signal, un seul triple de vibrateurs est excité, et les autres sont tellement désaccordés qu'ils n'affectent pas le fonctionnement de l'antenne. Par conséquent, le gain du LPA s'avère inférieur au gain de l'antenne "canal d'onde" avec le même nombre d'éléments, mais la bande passante du LPA s'avère beaucoup plus large. Ainsi, pour un LPA de dix vibrateurs et des valeurs b = 45є, f = 0,84, le gain calculé est de 6 dB, ce qui ne change pratiquement pas dans toute la plage de fréquences de fonctionnement.

Pour les lignes de communication radio-relais, il est très important d'avoir une BP étroite afin de ne pas interférer avec d'autres moyens radio-électroniques et d'assurer une communication de haute qualité. Les réseaux d'antennes (AR) sont largement utilisés pour rétrécir le diagramme d'antenne, en rétrécissant le diagramme dans différents plans et en fournissant différentes valeurs de la largeur du lobe principal. Il est tout à fait clair que les dimensions géométriques du réseau d'antennes et les caractéristiques du diagramme d'antenne dépendent essentiellement de la gamme de fréquences de fonctionnement - plus la fréquence est élevée, plus le réseau d'antennes sera compact et plus le diagramme d'antenne sera étroit et, par conséquent, plus le gain est grand. Pour les mêmes fréquences, avec une augmentation de la taille de l'AA (le nombre d'émetteurs élémentaires), le BP se rétrécira.

Pour la gamme VHF, des réseaux sont souvent utilisés, constitués d'antennes dipôles (vibrateurs à boucle), dont le nombre peut atteindre plusieurs dizaines, le gain augmente jusqu'à 15 dB et plus, et la largeur du diagramme d'antenne dans l'un des plans peut être réduit à 10є, par exemple, pour 16 vibrateurs à boucle situés verticalement dans la gamme de fréquences 395 ... 535 MHz, le DP se rétrécit dans le plan vertical à 10є.

Les principaux types d'antennes utilisés dans les terminaux utilisateurs sont des antennes fouets à polarisation verticale avec un motif circulaire dans le plan horizontal. L'efficacité de ces antennes est plutôt faible en raison des faibles valeurs des facteurs de gain, ainsi qu'en raison de l'influence des objets environnants sur le diagramme d'antenne, ainsi que du manque de mise à la terre à part entière et de la limitation du dimensions géométriques des antennes. Ce dernier nécessite une correspondance de haute qualité de l'antenne avec les circuits d'entrée du dispositif radio. Les options de conception typiques pour l'adaptation sont réparties le long de la longueur de l'inductance et de l'inductance à la base de l'antenne. Pour augmenter la portée des communications radio, des antennes spéciales allongées d'une longueur de plusieurs mètres sont utilisées, ce qui augmente considérablement le niveau du signal reçu.

Actuellement, il existe de nombreux types d'antennes de voiture, d'apparence, de conception et de prix différents. Ces antennes sont soumises à des exigences mécaniques, électriques, de performance et esthétiques strictes. Les meilleurs résultats en termes de portée de communication ont une antenne pleine grandeur d'une longueur de l/4, cependant, les grandes dimensions géométriques ne sont pas toujours pratiques, par conséquent, diverses méthodes de raccourcissement des antennes sont utilisées sans dégrader significativement leurs caractéristiques. Pour assurer la communication cellulaire dans les voitures, il est possible d'utiliser des antennes résonnantes microruban (une, deux et trois bandes) qui ne nécessitent pas l'installation de pièces externes, car elles sont fixées sur la face intérieure de la vitre de la voiture. De telles antennes assurent la réception et la transmission de signaux de polarisation verticale dans la gamme de fréquences 450 ... 1900 MHz, ont un gain allant jusqu'à 2 dB.

2.1.1 Caractéristiques générales des antennes hyperfréquences

Dans le domaine des micro-ondes, une augmentation du nombre de systèmes de communication et de diffusion, à la fois existants et nouvellement développés, a également été constatée ces dernières années. Pour les systèmes terrestres, il s'agit de systèmes de relais radio, de radiodiffusion et de télédiffusion, de systèmes de télévision cellulaire, etc. Les gammes de fréquences utilisées pour les types de communication et de radiodiffusion indiqués correspondent aux sections du spectre de fréquences attribuées à ces fins, dont les principales sont: 3,4 ... 4,2 GHz; 5,6 ... 6,5 GHz; 10,7 ... 11,7 GHz ; 13,7 ... 14,5 GHz ; 17,7 ... 19,7 GHz ; 21,2 ... 23,6 GHz ; 24,5 ... 26,5 GHz ; 27,5 ... 28,5 GHz ; 36 ... 40 GHz. Parfois, dans la littérature technique, les systèmes fonctionnant à des fréquences supérieures à 1 GHz font référence à la gamme des micro-ondes, bien que cette gamme commence strictement à partir de 3 GHz.

Pour les systèmes hertziens terrestres, les dispositifs d'antenne sont des antennes à miroir, à cornet, à cornet-lentille de petites dimensions, montées sur des mâts et protégées des influences atmosphériques nocives. Les antennes directionnelles, en fonction de l'objectif, de la conception et de la gamme de fréquences, présentent une large dispersion de caractéristiques, à savoir: en termes de gain - de 12 à 50 dB, en largeur du diagramme d'antenne (niveau - 3dB) - de 3,5 à 120є. De plus, dans les systèmes de télévision cellulaire, des antennes biconiques omnidirectionnelles (dans le plan horizontal) sont utilisées, constituées de deux cônes métalliques dirigés avec leurs sommets l'un vers l'autre, d'une lentille diélectrique installée entre les cônes et d'un dispositif d'excitation. De telles antennes ont un gain de 7 ... 10 dB, la largeur du lobe principal dans le plan vertical est de 8 ... 15 et le niveau des lobes secondaires n'est pas pire que moins 14 dB.

3. Analyse des méthodes possibles pour la synthèse de structures fractales d'antennes

3.1 Antennes fractales

Les antennes fractales sont une classe relativement nouvelle d'antennes électriquement petites (EMA), qui diffèrent fondamentalement par leur géométrie des solutions connues. En effet, l'évolution traditionnelle des antennes reposait sur la géométrie euclidienne, fonctionnant avec des objets de dimension entière (ligne, cercle, ellipse, paraboloïde, etc.). La principale différence entre les formes géométriques fractales est leur dimension fractionnaire, qui se manifeste extérieurement par une répétition récursive à une échelle croissante ou décroissante des motifs déterministes ou aléatoires d'origine. Les technologies fractales se sont généralisées dans la formation de moyens de filtrage de signaux, la synthèse de modèles informatiques tridimensionnels de paysages naturels et la compression d'images. Il est tout à fait naturel que la "mode" fractale n'ait pas non plus contourné la théorie des antennes. De plus, le prototype des technologies fractales modernes dans la technologie des antennes était les conceptions log-périodiques et en spirale proposées au milieu des années 60 du siècle dernier. Certes, dans un sens mathématique strict, de telles constructions au moment du développement n'avaient rien à voir avec la géométrie fractale, n'étant en fait que des fractales du premier type. Maintenant, les chercheurs, principalement par essais et erreurs, essaient d'utiliser des fractales connues en géométrie dans des solutions d'antennes. À la suite de modélisations de simulation et d'expériences, il a été constaté que les antennes fractales permettent d'obtenir pratiquement le même gain que les antennes conventionnelles, mais avec des dimensions plus petites, ce qui est important pour les applications mobiles. Considérons les résultats obtenus dans le domaine de la création d'antennes fractales de divers types.

Les résultats des études des caractéristiques de la nouvelle conception de l'antenne, publiés par Cohen, ont attiré l'attention des spécialistes. Grâce aux efforts de nombreux chercheurs, la théorie des antennes fractales s'est aujourd'hui transformée en un appareil indépendant et plutôt développé pour la synthèse et l'analyse de l'EMA.

3.2 Propriétésantennes fractales

...

Les données expérimentales obtenues par Cushcraft pour la courbe de Koch, les quatre itérations du méandre et l'antenne hélicoïdale permettent de comparer les propriétés électriques de l'antenne de Koch avec d'autres radiateurs à structure périodique. Tous les émetteurs adaptés avaient des propriétés multifréquences, qui se manifestaient par la présence de résonances périodiques dans les tracés d'impédance. Cependant, pour les applications multigammes, la fractale de Koch est la plus appropriée, dans laquelle, avec une fréquence croissante, les valeurs de crête des résistances réactives et actives diminuent, tandis que dans le méandre et la spirale, elles augmentent.

En général, il convient de noter qu'il est difficile de représenter théoriquement le mécanisme d'interaction entre une antenne de réception fractale et les ondes électromagnétiques incidentes sur elle en raison de l'absence d'une description analytique des processus ondulatoires dans un conducteur à topologie complexe. Dans une telle situation, il convient de déterminer les principaux paramètres des antennes fractales au moyen d'une modélisation mathématique.

Un exemple de la construction de la première courbe fractale auto-similaire a été démontré en 1890 par le mathématicien italien Giuseppe Peano. La ligne proposée par lui remplit complètement le carré de la limite, en contournant tous ses points (figure 9). Plus tard, d'autres objets similaires ont été trouvés, qui ont reçu le nom général de "courbes de Peano" du nom du découvreur de leur famille. Certes, en raison de la description purement analytique de Peano de la courbe, une certaine confusion est survenue dans la classification des lignes SSC. En fait, le nom de « courbes de Peano » ne doit être donné qu'aux courbes originales, dont la construction correspond aux analyses publiées par Peano (Figure 10).

Figure 9 - Itérations de la courbe de Peano : a) ligne initiale, b) première, c) deuxième et d) troisième itération

Figure 10 - Itérations de la polyligne proposée par Hilbert en 1891

Souvent interprété comme une courbe de Peano récursive

Par conséquent, afin de concrétiser les objets considérés de la technologie des antennes, lors de la description d'une forme ou d'une autre d'antenne fractale, il est nécessaire, si possible, de mentionner les noms des auteurs qui ont proposé la modification correspondante du SFC. Ceci est d'autant plus important que, selon les estimations, le nombre de variétés SFC connues approche les trois cents, et ce chiffre n'est pas la limite.

Il est à noter que la courbe de Peano (figure 9) dans sa forme originale est tout à fait adaptée à la fabrication de fentes dans les parois du guide d'ondes, des antennes fractales imprimées et autres ouvertures, mais elle n'est pas acceptable pour la construction d'une antenne filaire , car il a des sections contiguës. Dès lors, les spécialistes de la société Fractus ont proposé sa modification, baptisée « Peanodec » (Figure 11).

Figure 11 - Variante de modification de la courbe de Peano ("Peanodec") : a) première, b) deuxième c) troisième itération

Application prospective des antennes à topologie Koch - Systèmes de communication MIMO (systèmes de communication à entrées et sorties multiples). Pour la miniaturisation des réseaux d'antennes des terminaux d'abonnés dans de tels moyens de communication, des spécialistes du Laboratoire d'électromagnétisme de l'Université de Patras (Grèce) ont proposé une similitude fractale d'une antenne L inversée (ILA). L'essence de l'idée est de plier le vibrateur Koch de 90 ° au point de le diviser en segments avec un rapport de longueur de 2: 1. Pour les communications mobiles avec une fréquence porteuse de ~ 2,4 Hz, les dimensions d'une telle antenne imprimée sont de 12,33 × 10,16 mm (~ l / 10 Chl / 12), la bande passante est de ~ 20 % et le rendement est de 93 %.

Figure 12 - Exemple de réseau d'antennes bibande (2,45 et 5,25 GHz)

Le diagramme directionnel en azimut est presque uniforme, le gain en termes d'entrée d'alimentation est de ~ 3,4 dB. Certes, comme indiqué dans l'article, le fonctionnement de tels éléments imprimés dans le cadre d'un treillis (figure 12) s'accompagne d'une diminution de leur efficacité par rapport à un seul élément. Ainsi, à une fréquence de 2,4 GHz, l'efficacité d'un monopôle Koch coudé à 90 ° diminue de 93 à 72 %, et à une fréquence de 5,2 GHz - de 90 à 80 %. La situation est un peu meilleure avec l'influence mutuelle des antennes de la bande des hautes fréquences : à 5,25 GHz, l'isolement entre les éléments formant la paire centrale d'antennes est de 10 dB. Quant à l'influence mutuelle dans une paire d'éléments voisins de portées différentes, selon la fréquence du signal, l'isolement varie de 11 dB (à 2,45 GHz) à 15 dB (à 5,25 GHz). La raison de la détérioration de l'efficacité des antennes est l'influence mutuelle des éléments imprimés.

Ainsi, la possibilité de choisir une variété de paramètres du système d'antenne sur la base de la ligne brisée de Koch permet à la conception de répondre à diverses exigences pour la valeur de la résistance interne et la distribution des fréquences de résonance. Cependant, comme l'interdépendance de la dimension récursive et des caractéristiques de l'antenne ne peut être obtenue que pour une certaine géométrie, la validité des propriétés considérées pour d'autres configurations récursives nécessite des recherches supplémentaires.

3.3 Caractéristiques des antennes fractales

L'antenne fractale de Koch illustrée à la Fig. 13 ou 20 n'est qu'une des options qui peuvent être réalisées lors de l'utilisation d'un triangle d'initiation équilatéral de récursivité, c'est-à-dire l'angle et à sa base (angle d'indentation) est de 60°. Cette version de la fractale de Koch est appelée standard. Il est assez naturel de se demander s'il est possible d'utiliser des modifications fractales avec d'autres valeurs de cet angle. La culpabilité a suggéré de considérer l'angle à la base du triangle d'amorçage comme un paramètre caractérisant la structure de l'antenne. En modifiant cet angle, vous pouvez obtenir des courbes récursives similaires de dimensions différentes (Figure 13). Les courbes restent autosimilaires, mais la longueur de ligne résultante peut être différente, ce qui affecte les performances de l'antenne. Vinoy a été le premier à étudier la corrélation entre les propriétés de l'antenne et la dimension de la fractale de Koch généralisée D, déterminée dans le cas général par la dépendance

(1)

Il a été montré que lorsque l'angle augmente, la dimension de la fractale augmente également, et à u> 90 ° elle se rapproche de 2. Il est à noter que le concept de dimension utilisé dans la théorie des antennes fractales contredit quelque peu les concepts adoptés en géométrie , où cette mesure n'est applicable qu'aux objets infiniment récursifs.

Figure 13 - Tracé de la courbe de Koch avec un angle et a) 30° et b) 70° à la base du triangle dans le générateur fractal

Avec une augmentation de dimension, la longueur totale de la ligne brisée augmente également de manière non linéaire, ce qui est déterminé par le rapport :

(2)

où L0 est la longueur d'un dipôle linéaire dont la distance entre les extrémités est la même que celle de la ligne de Koch, n est le nombre d'itérations. Le passage de u = 60° à u = 80° à la sixième itération permet de multiplier par plus de quatre la longueur totale de la préfractale. Comme vous pouvez vous y attendre, il existe une relation directe entre la dimension récursive et les propriétés de l'antenne telles que la fréquence de résonance primaire, l'impédance interne à la résonance et les caractéristiques multibandes. Sur la base de calculs informatiques, Vinoy a obtenu la dépendance de la première fréquence de résonance du dipôle de Koch fk sur la dimension de la préfractale D, le nombre d'itérations n et la fréquence de résonance du dipôle rectiligne fD de même hauteur que la ligne brisée de Koch (aux points extrêmes):

(3)

Figure 14 - L'effet de "fuite" d'une onde électromagnétique

Dans le cas général, pour la résistance interne du dipôle de Koch à la première fréquence de résonance, la relation approximative donnée est valable :

(4)

où R0 est la résistance interne du dipôle linéaire (D = 1), qui dans ce cas est égale à 72 ohms. Les expressions (3) et (4) peuvent être utilisées pour déterminer les paramètres géométriques de l'antenne avec les valeurs requises de la fréquence de résonance et de la résistance interne. Les propriétés multibandes du dipôle de Koch sont également très sensibles à la valeur de l'angle et. Avec une augmentation, les valeurs nominales des fréquences de résonance se rapprochent et, par conséquent, leur nombre augmente dans une plage spectrale donnée (Figure 15). De plus, plus le nombre d'itérations est élevé, plus cette convergence est forte.

Figure 15 - L'effet du rétrécissement de l'intervalle entre les fréquences de résonance

A l'Université de Pennsylvanie, un autre aspect important du dipôle de Koch a été étudié - l'influence de l'asymétrie de son alimentation sur le degré d'approche de la résistance interne de l'antenne à 50 ohms. Dans les dipôles linéaires, le point d'alimentation est souvent situé de manière asymétrique. La même approche peut être utilisée pour une antenne fractale sous forme de courbe de Koch dont la résistance interne est inférieure aux valeurs standards. Ainsi, à la troisième itération, la résistance interne du dipôle Koch standard (u = 60°) sans tenir compte des pertes lors de la connexion du départ au centre est de 28 Ohms. En déplaçant le chargeur à une extrémité de l'antenne, une résistance de 50 ohms peut être obtenue.

Toutes les configurations de la polyligne de Koch considérées jusqu'à présent ont été synthétisées de manière récursive. Cependant, selon Vina, si cette règle est violée, en particulier, en définissant des angles différents et ? à chaque nouvelle itération, les propriétés de l'antenne peuvent être modifiées avec une plus grande flexibilité. Pour préserver la similitude, il est conseillé de choisir un schéma régulier pour changer l'angle et. Par exemple, changez-le linéairement et n = et n-1 - Di · n, où n est le nombre d'itérations, Di? - l'incrément de l'angle à la base du triangle. Une variante de ce principe de construction d'une polyligne est la séquence d'angles suivante : u1 = 20° pour la première itération, u2 = 10° pour la seconde, etc. La configuration du vibrateur dans ce cas ne sera pas strictement récursive, mais tous ses segments synthétisés en une itération auront la même taille et la même forme. Par conséquent, la géométrie d'une telle polyligne hybride est perçue comme auto-similaire. Avec un petit nombre d'itérations, en plus d'un incrément négatif Di?, un changement quadratique ou autre non linéaire de l'angle u peut être utilisé.

L'approche envisagée permet de fixer la répartition des fréquences de résonance de l'antenne et les valeurs de sa résistance interne. Cependant, réarranger l'ordre de changement des valeurs des angles et en itérations ne donne pas un résultat équivalent. Pour une même hauteur de ligne brisée, différentes combinaisons des mêmes angles, par exemple, U1 = 20°, U2 = 60° et U1 = 60°, U2 = 20° (Figure 16), donnent la même longueur préfractale dépliée. Mais, contrairement aux attentes, la coïncidence complète des paramètres ne fournit pas l'identité des fréquences de résonance et l'identité des propriétés multibandes des antennes. La raison en est le changement de la résistance interne des segments de la polyligne, c'est-à-dire la configuration du conducteur joue un rôle clé, pas sa taille.

Figure 16 - Préfractales de Koch généralisées de la deuxième itération avec un incrément négatif Dq (a), un incrément positif Dq (b) et de la troisième itération avec un incrément négatif Dq = 40°, 30°, 20° (c)

4. Exemples d'antennes fractales

4.1 Présentation de l'antenne

Les sujets d'antenne sont l'un des plus prometteurs et d'un intérêt significatif dans la théorie moderne de la transmission de l'information. Un tel désir de développer ce domaine particulier du développement scientifique est associé aux exigences sans cesse croissantes en matière de vitesse et de méthodes de transfert d'informations dans le monde technologique moderne. Chaque jour, en communiquant les uns avec les autres, nous transmettons des informations de manière si naturelle pour nous - par voie aérienne. De la même manière, des scientifiques ont eu l'idée d'enseigner la communication et de nombreux réseaux informatiques.

Le résultat a été l'émergence de nouveaux développements dans ce domaine, leur approbation sur le marché des équipements informatiques, et plus tard l'adoption de normes pour la transmission d'informations sans fil. Aujourd'hui, les technologies de transmission telles que BlueTooth, WiFi sont déjà approuvées et généralement acceptées. Mais le développement ne s'arrête pas là, et ne peut s'arrêter, il y a de nouvelles exigences, de nouveaux souhaits du marché.

Les taux de transfert, si étonnamment rapides à l'époque du développement technologique, ne répondent plus aujourd'hui aux exigences et aux souhaits des utilisateurs de ces développements. Plusieurs centres de R&D de premier plan ont lancé un nouveau projet WiMAX dans le but d'augmenter la vitesse sur la base de l'expansion des canaux dans la norme WiFi déjà existante. Quelle place occupe le thème de l'antenne dans tout cela ?

Le problème de l'extension du canal de transmission peut être partiellement résolu en introduisant une compression encore plus importante que celle existante. L'utilisation d'antennes fractales permettra de résoudre ce problème plus efficacement et plus efficacement. La raison en est que les antennes fractales et les surfaces et volumes sélectifs en fréquence qui en découlent ont des caractéristiques électrodynamiques uniques, à savoir : large bande, répétabilité des bandes passantes dans la gamme de fréquences, etc.

4.1.1 Construire l'arbre de Keiley

L'arbre de Keighley est l'un des exemples classiques d'ensembles fractals. Son itération zéro n'est qu'un segment de droite d'une longueur donnée l. La première et chaque itération impaire suivante représentent deux segments d'exactement la même longueur l que l'itération précédente, situés perpendiculairement au segment de l'itération précédente de sorte que ses extrémités soient reliées au milieu des segments.

La deuxième et chaque itération paire suivante de la fractale est de deux l/2 segments la moitié de la longueur de l'itération précédente, situés, comme précédemment, perpendiculairement à l'itération précédente.

Les résultats de la construction de l'arbre de Keiley sont illustrés à la figure 17. La hauteur totale de l'antenne est de 15/8l et la largeur est de 7/4l.

Figure 17 - Construction de l'arbre de Keiley

Calculs et analyse d'une antenne de type « arbre de Keiley » Des calculs théoriques d'une antenne fractale sous la forme d'un arbre de Keiley d'ordre 6 ont été effectués. Pour résoudre ce problème pratique, un outil assez puissant a été utilisé pour le calcul rigoureux des propriétés électrodynamiques des éléments conducteurs - le programme EDEM. Les outils puissants et l'interface conviviale de ce programme le rendent indispensable pour ce niveau de calculs.

Les auteurs ont été confrontés à la tâche de concevoir une antenne, d'évaluer les valeurs théoriques des fréquences de résonance de réception et de transmission d'un signal, et de présenter le problème dans l'interface du langage de programme EDEM. L'antenne fractale conçue basée sur l'arbre de Keiley est illustrée à la figure 18.

Ensuite, une onde électromagnétique plane a été dirigée vers l'antenne fractale conçue, et le programme a calculé la propagation du champ avant et après l'antenne, calculé les caractéristiques électrodynamiques de l'antenne fractale.

Les résultats des calculs effectués par les auteurs pour l'antenne fractale "Keili Tree" nous ont permis de tirer les conclusions suivantes. On montre qu'un certain nombre de fréquences de résonance sont répétées approximativement à deux fois la valeur de la fréquence précédente. Les distributions des courants sur la surface de l'antenne ont été déterminées. Les zones de transmission totale et de réflexion totale du champ électromagnétique sont étudiées.

Figure 18 - Arbre de Kayleigh du 6ème ordre

4 .1.2 Antenne multimédia

La miniaturisation traverse la planète à pas de géant. L'émergence d'ordinateurs de la taille d'un grain de haricot n'est pas loin, tandis que la société Fractus nous propose une antenne dont les dimensions sont plus petites qu'un grain de riz (Figure 19).

Figure 19 - Antenne fractale

Le nouveau produit, appelé Micro Reach Xtend, fonctionne à 2,4 GHz et prend en charge les technologies sans fil Wi-Fi et Bluetooth, ainsi que d'autres normes moins populaires. L'appareil est construit sur la base d'une technologie d'antenne fractale brevetée et sa surface n'est que de 3,7 x 2 mm. Selon les développeurs, la minuscule antenne réduira la taille des produits multimédias, dans lesquels elle trouvera son utilisation dans un avenir proche, ou rassemblera plus de fonctionnalités dans un seul appareil.

Les stations de télévision transmettent des signaux dans la gamme de 50 à 900 MHz, qui sont reçus en toute confiance à une distance de plusieurs kilomètres de l'antenne émettrice. On sait que les vibrations de fréquences plus élevées traversent les bâtiments et divers obstacles pires que celles à basse fréquence, qui se plient simplement autour d'eux. Par conséquent, la technologie Wi-Fi utilisée dans les systèmes de communication sans fil conventionnels et fonctionnant à des fréquences supérieures à 2,4 GHz garantit la réception du signal uniquement à une distance ne dépassant pas 100 m. Avec une telle injustice par rapport à la technologie Wi-Fi avancée, il sera bientôt supprimé, bien sûr, sans nuire aux consommateurs de télévision. À l'avenir, les appareils basés sur la technologie Wi-Fi fonctionneront à des fréquences entre les chaînes de télévision en fonctionnement, augmentant ainsi la plage de réception fiable. Afin de ne pas interférer avec le fonctionnement de la télévision, chacun des systèmes Wi-Fi (émetteur et récepteur) balayera en permanence les fréquences voisines, évitant ainsi les collisions dans l'air. Lors du passage à une gamme de fréquences plus large, il devient nécessaire d'avoir une antenne qui reçoit aussi bien les signaux des hautes que des basses fréquences. Les antennes fouet conventionnelles ne satisfont pas à ces exigences car ils, selon leur longueur, reçoivent sélectivement des fréquences d'une certaine longueur d'onde. Une antenne adaptée pour recevoir des signaux dans une large gamme de fréquences est ce qu'on appelle l'antenne fractale, qui a la forme d'une fractale - une structure qui a la même apparence quel que soit le grossissement avec lequel nous la considérons. Une antenne fractale se comporte comme une structure de plusieurs antennes à broches de différentes longueurs, torsadées ensemble, se comporterait.

4.1.3 Antenne cassée

Il y a dix ans, l'ingénieur américain Nathan Cohen a décidé de construire une station de radio amateur chez lui, mais a dû faire face à une difficulté inattendue. Son appartement était situé au centre-ville de Boston et les autorités de la ville ont strictement interdit de placer l'antenne à l'extérieur du bâtiment. Une issue a été trouvée de manière inattendue, transformant toute la vie ultérieure d'un radioamateur.

Au lieu de fabriquer une antenne traditionnelle, Cohen a pris un morceau de papier d'aluminium et l'a sculpté en forme d'objet mathématique connu sous le nom de courbe de Koch. Cette courbe, découverte en 1904 par la mathématicienne allemande Helga von Koch, est une fractale, une ligne brisée qui ressemble à une série de triangles sans cesse décroissants qui poussent les uns des autres comme le toit d'une pagode chinoise à plusieurs étages. Comme toutes les fractales, cette courbe est "auto-similaire", c'est-à-dire que sur n'importe quel segment le plus petit, elle a la même forme, se répétant. De telles courbes sont construites en répétant indéfiniment une opération simple. La ligne est divisée en segments égaux, et sur chacun un coude est fait sous la forme d'un triangle (méthode de von Koch) ou d'un carré (méthode d'Hermann Minkowski). Ensuite, sur tous les côtés de la figure résultante, à leur tour, des carrés ou des triangles similaires, mais de plus petite taille, sont pliés. En poursuivant la construction à l'infini, vous pouvez obtenir une courbe « cassée » en chaque point (Figure 20).

Figure 20 - Construction de la courbe de Koch et Minkowski

Construction de la courbe de Koch - l'un des tout premiers objets fractals. Sur une droite infinie, on distingue des segments de longueur l. Chaque segment est divisé en trois parties égales, et un triangle équilatéral de côté l/3 est construit sur celui du milieu. Ensuite, le processus est répété: sur les segments l / 3, des triangles de côtés l / 9 sont construits, sur eux des triangles de côtés l / 27, et ainsi de suite. Cette courbe a une auto-similarité, ou invariance d'échelle : chacun de ses éléments sous une forme réduite répète la courbe elle-même.

La fractale de Minkowski est construite de manière similaire à la courbe de Koch et a les mêmes propriétés. Lors de sa construction, au lieu d'un système de triangles, des méandres sont construits sur une ligne droite - des "ondes rectangulaires" de tailles infiniment décroissantes.

En construisant la courbe de Koch, Cohen s'est limité à seulement deux ou trois étapes. Ensuite, il a collé le chiffre sur un petit morceau de papier, l'a attaché au récepteur et a été surpris de constater qu'il fonctionnait aussi bien que les antennes conventionnelles. Comme il s'est avéré plus tard, son invention est devenue l'ancêtre d'un type fondamentalement nouveau d'antennes, maintenant produites en série.

Ces antennes sont très compactes : l'antenne fractale intégrée au corps d'un téléphone portable a la taille d'une glissière ordinaire (24 x 36 mm). De plus, ils fonctionnent sur une large gamme de fréquences. Tout cela a été découvert expérimentalement ; la théorie des antennes fractales n'existe pas encore.

Les paramètres d'une antenne fractale constituée d'une série d'étapes successives selon l'algorithme de Minkowski évoluent de manière très intéressante. Si une antenne rectiligne est pliée sous la forme d'une "onde carrée" - ​​un méandre, son gain augmentera. Tous les méandres ultérieurs du gain de l'antenne ne changent pas, mais la gamme de fréquences qu'elle reçoit s'étend et l'antenne elle-même devient beaucoup plus compacte. Certes, seules les cinq à six premières étapes sont efficaces : pour plier davantage le conducteur, il faudra réduire son diamètre, ce qui augmentera la résistance de l'antenne et conduira à une perte de gain.

Alors que certains s'interrogent sur des problèmes théoriques, d'autres mettent activement l'invention en pratique. Selon Nathan Cohen, aujourd'hui professeur à l'Université de Boston et inspecteur technique en chef de Fractal Antenna Systems, "dans quelques années, les antennes fractales feront partie intégrante des téléphones cellulaires et radio et de nombreux autres appareils sans fil".

réseau d'antennes fractale

4.2 Application des antennes fractales

Parmi les nombreuses structures d'antennes utilisées aujourd'hui dans les communications, le type d'antennes donné dans le titre de l'article est relativement nouveau et fondamentalement différent des solutions connues. Les premières publications traitant de l'électrodynamique des structures fractales sont apparues dans les années 1980. Le début de l'utilisation pratique de la direction fractale dans la technologie des antennes il y a plus de 10 ans a été posé par l'ingénieur américain Nathan Cohen, aujourd'hui professeur à l'Université de Boaon et inspecteur technique en chef de Fractal Antenna Systems. Vivant dans le centre-ville de Boston, afin de contourner l'interdiction de la ville d'installer des antennes extérieures, il a décidé de déguiser l'antenne d'une station de radio amateur en une figure décorative en papier d'aluminium. Il s'est basé sur la courbe de Koch connue en géométrie (figure 20), dont la description a été proposée en 1904 par le mathématicien suédois Nils Fabian Helge von Koch (1870-1924).

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