ДИПОЛЬНАЯ АНТЕННА С МОДИФИЦИРОВАННОЙ ФРАКТАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к антенной технике и может быть использована в качестве элемента для создания фазированных антенных решеток в условиях ограниченных условий размещения, например, на подвижных объектах.
Из существующего уровня техники известны дипольные фрактальные антенны, имеющие структуру плеча диполя в виде треугольника Серпинского [1]. Треугольники Серпинского 0-й, 1-й, 2-й, 3-й и 4-й итераций представлены на фиг. 1а, 1б, 1в, 1г и 1д соответственно. Треугольники Серпинского высших итераций могут быть представлены по аналогии. Проведенные исследования показывают, что дипольная антенна, плечо которой выполнено в виде треугольника Серпинского имеют частоту первого резонанса несколько меньшую, чем антенна с плечом в виде стандартного треугольника (т.е. треугольника с 0-й итерацией фрактала (фиг. 1а)) [2]. Подобное свойство фрактальной антенны дает возможность уменьшать размеры антенны при неизменной рабочей частоте. Однако, наиболее существенное уменьшение резонансной частоты происходит при 1-й итерации фрактала (фиг. 1б), последующие (высшие) итерации дают меньший сравнительный эффект, не превышающий для 6-й итерации суммарно 5%, т.е. уменьшение резонансной частоты с помощью фрактальной структуры типа треугольник Серпинского происходит менее чем в 1,05 раза и не является эффективным.
Также из существующего уровня техники известна дипольная фрактальная антенна с плечом в виде треугольника Серпинского с шунтами между плечами диполя для расширения рабочей полосы частот (US 2006/0170604 А1 опубл. 3 апреля 2006 г.). Смещение рабочей полосы в низкочастотную область происходит только за счет ее расширения, эффекта снижения резонансной частоты при данном подходе не наблюдается.
Прототипом заявленного устройства является дипольная фрактальная антенна с плечом в виде треугольника Серпинского, где для снижения резонансной частоты антенна выполнена на диэлектрической подложке с относительной диэлектрической проницаемостью ε=10…600 единиц (US 6,525,691 В2 опубл. 25 февраля 2003 г.). К существенным недостаткам такой антенны относится высокий уровень высших гармоник, возникающих при работе в передающем режиме из-за явления насыщения петли диэлектрического гистерезиса в диэлектрической подложке, а также высокие тепловые потери в диэлектрике. На практике реально используемые материалы для диэлектрической подложки антенны имеют относительную диэлектрическую проницаемость не более 4-5 единиц. Такие значения относительной диэлектрической проницаемости не дают значительного уменьшения резонансной частоты антенны, но при этом обеспечивают отсутствие нелинейных искажений при работе антенны в передающем режиме, а также низкие тепловые потери. Таким образом, антенна, описанная в US 6,525,691 В2, может быть реально использована только в режиме приема.
Целью полезной модели является снижение резонансной частоты антенны, обеспечивающее ее работу как в режиме приема, так и в режиме передачи.
а
а
а
a
а
a
a
a
a
а
a
а
а
1
1
2
1
2
3
1
2
3
n
х
Поставленная цель достигается за счет того, что дипольная антенна имеет два плеча в виде треугольников Серпинского, где исходное плечо (1) сформировано из равнобедренного треугольника с высотой h и основанием , в котором сделаны треугольные выемки в виде фрактала Серпинского с вершинами треугольников, обозначенными , , , =1 для фрактала 1-й итерации, , , , =1; =1; 2; 3 для фрактала 2-й итерации; , , , =1, =1; 2; 3, =1; 2; 3 для фрактала 3-й итерации, , , , =1, =1; 2; 3, =1; 2; 3, …, =1; 2; 3 для фрактала n-й итерации, причем стороны , , …,  параллельны основанию , причем в каждой вершине фрактала Серпинского , , …,  электрический контакт разорван, при этом симметричное плечо получено поворотом исходного плеча на 180° относительно оси О (2), проходящей через вершину исходного равнобедренного треугольника, противолежащую основанию  и перпендикулярную плоскости исходного плеча (1) (фиг. 2)
Рассмотрим работу дипольной антенны с модифицированной фрактальной структурой типа треугольник Серпинского.
На фиг. 3 показано треугольное плечо дипольной антенны с фракталом Серпинского 3-й итерации. Если во всех точках , , ; , , ; …; , ,  имеется электрический контакт, то высокочастотный ток протекает по поверхности антенны в соответствии с фиг. 4 (для прочих итераций фрактала Серпинского, путь высокочастотного тока строится по аналогии).
Если разорвать электрический контакт во всех точках , , …, , тогда путь электрического тока изменится, и он будет протекать по поверхности антенны в соответствии с фиг. 5 (для прочих итераций фрактала Серпинского, путь высокочастотного тока строится по аналогии). На фиг. 5 точками обозначены места разрыва электрического контакта.
Как видно из фиг. 5 в модифицированной антенне путь высокочастотного тока значительно увеличен, что дает основание утверждать о существенном снижении резонансной частоты антенны. Проверить данное утверждение можно с помощью расчетных методов вычислительной электродинамики, реализованных в различных системах автоматизированного проектирования электродинамических структур.
а
11
11
Оценка характеристик модифицированных и немодифицированных антенн проведена с помощью пакета моделирования FEKO компании ЕМ Software & Systems. Сравнение проводилось на примере дипольных антенн с фракталами Серпинского 1-5 итераций. Каждое плечо диполя представляет собой равнобедренный треугольник с высотой h=0,2 м, и основанием =0,2 м. Примеры результатов расчетов приведены на фиг. 6-10, где обозначено: СерпN - график модуля комплексного коэффициента отражения |S| для немодифицированной антенны с фракталом N-й итерации, СерпNм - график модуля комплексного коэффициента отражения |S| для модифицированной антенны с фракталом N-й итерации.
11
Как видно из фиг. 6-10 частота минимума модуля комплексного коэффициента отражения |S| для рассмотренных итераций модифицированных фрактальных антенн существенно уменьшается (от 1,2 до 1,7 раз), что свидетельствует о сдвиге рабочего диапазона антенны в низкочастотную область и эффективности снижения размеров антенны с помощью модифицированной фрактальной структуры. Однако, при модификации фрактала наблюдается некоторое сужение рабочего диапазона и падение КПД. Данное условие необходимо иметь в виду при использовании описанной антенны в линии связи. Тем не менее, несмотря на ухудшение отдельных характеристик антенны с модифицированной фрактальной структурой, по сравнению с немодифицированной, она может найти свое применение в случае жестких условий, накладываемых на размеры антенной системы, например, при расположении на подвижных объектах. Кроме того, предлагаемая антенна, в отличие от прототипа не имеет практических ограничений по режиму работы, т.е. способна работать как на прием, так и на передачу.