ФРАКТАЛЬНОЕ АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к области радиотехники, в частности к антенным устройствам, а именно к фрактальным антенным решеткам для беспроводных систем связи, и может быть использована в радиосистемах сверхширокополосного диапазона.
Известна фрактальная антенная сверхширокополосная двухуровневая фазированная антенная решетка, выполненная в виде восьмиугольных круговых излучающих элементов с прорезями, размеры которых фрактально уменьшаются по мере приближения к центру элемента, и функционирующая в диапазоне частот 0,25-1,25 ГГц [Ultra-wideband Tightly Coupled Fractal Octagonal Phased Array Antenna. E.O. Farhat, K.Z. Adami, Y. Zhang, A.K. Brown, C.V. Sammut. IEEE, 2013. - 140-144 стр.].
Известна фазированная антенная решетка с излучающими элементами, выполненными на основе фрактала Минковского и функционирующая в диапазоне частот 5,4-5,8 ГГц [Fractal loop elements in phased arrays for wireless communication: design, analysis, and measurement. Gianvittorio J.P., Rabmat-Samii Y. Proc. of IEEE Conf. on Antennas and Propagation for Wireless Communications, 2000. - 129-132 стр.].
Известна фазированная антенная решетка с излучающими элементами на основе фрактальной кривой «снежинка Коха» второй итерации, функционирующая в диапазоне частот 7,2-13,6 ГГц [Wideband Fractal Printed Element Phased Array Antenna, O. Nahshon, G. Horovitz, R. Shavit, L. Habib, IEEE, 2005. - 598-601 стр.].
Недостатком указанных моделей является сложная для производства геометрия излучающих элементов и узкий диапазон рабочих частот, не соответствующий сверхширокополосному диапазону 2,85-10,6 ГГц, регламентированному Решением Государственной комиссии по радиочастотам от 15 декабря 2009 г. №09-05-02.
Известна фрактальная антенна размером 34 мм × 28 мм на основе кругов кратно уменьшающегося диаметра, которые вырезаются или встраиваются в площадь излучающего элемента, функционирующая в полосе частот 3,09-15 ГГц [Фрактальная сверхширокополосная антенна на основе кругового монополя / Абдрахманова Г.И. // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. - 2013. - №8; URL: http://jre.cplire.ru/jre/aug13/6/text.html.].
Известна сверхширокополосная антенна на основе двух кругов фрактально уменьшающегося радиуса с выемкой в верхней части излучающего элемента, которая функционирует в полосе частот 3,132-15 ГГц [диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Абдрахмановой Г.И. «Повышение эффективности сверхширокоплосных систем связи на основе оптимизации формы импульсов», Уфа, 2013 г.].
Недостатком указанных антенн является всенаправленная диаграмма направленности без возможности ее регулирования и низкий коэффициент усиления.
Известна фрактальная антенна прямоугольной формы на основе непериодической фрактальной кривой Пеано-Гильберта [патент RU 2454761, H01Q 1/36, дата публикации: 27.06.2012]. Размер единичного сегмента антенного полотна выполнен с длиной от 1/3 до 1/10 длины волны.
Известна фрактальная антенна на основе меандра с равными сторонами, причем каждая из трех параллельных сторон выполнена также в форме меандра с равными сторонами, параллельные стороны которого также выполнены в форме меандра с равными сторонами [патент RU 125396, H01Q 13/00, дата публикации: 27.02.2013].
Недостатком указанных антенн является узкий диапазон рабочих частот, неприемлемый для сверхширокополосной связи.
Известны подрешетки неправильной формы, которые апериодично заполняют апертуру фазированной антенной решетки, структура «Danzer» [Spence Т.G., Werner D.Н. Design of broadband planar arrays based on the optimization of aperiodic tilings // Antennasand Propagation, IEEE Transactions on. 2008. Vol. 56, no. 1. P. 76-86]. Здесь одновременно используются подрешетки более чем одной неправильной формы, которые располагаются апериодично, то есть в узлах неравномерной сетки. Их структура состоит из большого числа различных треугольников, каждый из которых является подрешеткой. Такая решетка дает уровень боковых лепестков - 17,3 дБ.
Известна подрешетка неправильной формы со структурой «Penrose» [Pierro V., Galdi V., Castaldi G. et al. Radiation properties of planar antenna arrays based on certain categories of aperiodic tilings // Antennas and Propagation, IEEE Transactions on. 2005. Vol. 53, no. 2. P. 635-644]. Она тоже состоит из большого числа подрешеток и подавляет уровень боковых лепестков до уровня - 17 дБ.
Известна подрешетка неправильной формы со структурой антенной решетки Вигано [Vigano M.C, Toso G., Caille G. et al. Sunflower array antenna with adjustable density taper // International Journal of Antennas and Propagation. 2009. Vol. 2009]. Его структура называется «Подсолнух» и также имеет уровень боковых лепестков на уровне - 17дБ.
Недостатками представленных антенных решеток являются удорожание производства и увеличение массы антенн за счет сложности структуры и большого количества элементов.
Известна модель подрешеток неправильной формы, размещенных на равномерной сетке, принятой для подавления интерференционных максимумов в множителе решетки [Mailloux R., Santarelli S., Roberts T. Widebandarraysusingirregular (polyomino) shapedsubarrays // electronics Letters. 2006. Vol. 42. P. 1019].
Недостатком является уменьшение коэффициента усиления антенны из-за увеличения количества и уровня боковых лепестков ввиду уменьшения периодичности в размещении подрешеток неправильной формы.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является антенное устройство с использованием архитектуры подмассивов вида полимино [диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Чирикова Р.Ю. «Оптимизация размещения сложных объектов в форме полимино на основе генетического алгоритма (на примере проектирования антенных решеток», Уфа, 2014 г.], составленных из идеальных изотропных излучателей и расположенных на основе алгоритма «снежный ком».
Недостатками данного устройства являются снижение коэффициента усиления фазированной антенной решетки и ограничение диапазона рабочих частот за счет применения узкополосных всенаправленных изотропных излучателей.
Задачей полезной модели является повышение широкополосности для функционирования в сверхширокополосном диапазоне 2,85÷40,6 ГГц и миниатюризация антенного устройства.
Техническим результатом является возможность управления диаграммой направленности электромагнитного излучения фрактального антенного устройства.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что антенное устройство, выполненное с использованием архитектуры подмассивов вида полимино, составленных из излучателей, согласно полезной модели выполнено в виде частотного широкополосного излучающего устройства, при этом излучатели выполнены в виде фрактальных миниатюрных круговых планарных излучающих элементов.
Существо полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 изображено фрактальное антенное устройство, состоящее из массива в 16 элементов в форме L-октомино. Каждое L-октомино составлено из восьми фрактальных миниатюрных круговых планарных излучателей. На фиг. 2 изображен внешний вид фрактального миниатюрного кругового планарного излучателя (лицевая сторона). На фиг. 3 изображен внешний вид фрактального миниатюрного кругового планарного излучателя (оборотная сторона).
Фрактальное антенное устройство включает (фиг. 1): фрактальные миниатюрные круговые планарные излучатели 1 (фиг. 2, фиг. 3), содержащие компланарный волноводный порт 2, SMA-коннектор 3, центральный проводник компланарного волновода 4, излучающий элемент 5, подложку 6 и две плоскости земли компланарного волновода 7.
Центральный проводник компланарного волновода 4, излучающий элемент 5 и две плоскости земли компланарного волновода 7 нанесены на подложку 6. Вывод внешнего проводника SMA-коннектора 3 припаян к плоскостям земли компланарного волновода 7, а вывод внутреннего проводника SMA-коннектора 3 припаян к центральному проводнику компланарного волновода 4, который в свою очередь соединен с излучающим элементом 5.
Фрактальное антенное устройство выполнено в виде частотного широкополосного излучающего устройства.
11
Фрактальный миниатюрный круговой планарный излучатель выполнен по технологии изготовления печатных плат с односторонним расположением металлических элементов. Геометрия излучающих элементов 5 рассчитывается таким образом, чтобы фрактальный миниатюрный круговой планарный излучатель функционировал в сверхширокополосном диапазоне частот 2,85÷10,6 ГГц по уровню - 10 дБ коэффициента отражения S.
Геометрические размеры полосковой линии, включающей в себя центральный проводник компланарного волновода 4 и две плоскости земли компланарного волновода 7, рассчитаны таким образом, чтобы входное сопротивление фрактального миниатюрного кругового планарного излучателя соответствовало 50 Ом. В таком случае дополнительное согласование с приемо-передающим оборудованием не требуется.
2
Геометрические размеры фрактального миниатюрного кругового планарного излучателя составляют 29,5×19 мм, размеры излучающего элемента 5 кратны четверти длины волны требуемого диапазона.
s
В качестве диэлектрической подложки 6 используется материал со значением тангенса угла диэлектрических потерь tg δ=0,0037 и диэлектрической проницаемостью ε=3,48±0,05.
Геометрия излучающих элементов 5 основана на круговых структурах ввиду того, что они могут обеспечивать довольно широкую полосу пропускания, упрощение конструкции, малые размеры и снижение затрат при производстве.
Геометрия излучающих элементов 5 также основана на применении фрактальной технологии, поскольку при этом может быть обеспечена миниатюризация устройства при сохранении требуемого рабочего диапазона частот. Фрактальность заключается в том, что размеры кругов, составляющих основу излучающего элемента 5, отличаются на величину коэффициента масштаба δ в 2,125 раз. Используется первый уровень итерации фрактала ввиду условия физической реализуемости.
Плоскости земли компланарного волновода 7 выполняют функцию заземления.
Все указанные выше принципы построения антенны обеспечивают следующие характеристики фрактального антенного устройства:
а) рабочий диапазон частот 2,85÷10,6 ГГц;
11
б) коэффициент обратного отражения S<-10 дБ в рабочем диапазоне частот;
в) входное сопротивление 50 Ом в рабочем диапазоне частот;
г) диаграмма направленности - управляемая направленная в диапазоне 0-180 град, в горизонтальной плоскости на всех частотах рабочего диапазона;
д) коэффициент стоячей волны по напряжению не более 1,8 в рабочем диапазоне частот.
Фрактальное антенное устройство работает следующим образом: электрический сигнал через копланарный волноводный порт 2 (фиг. 2, фиг. 3) и SMA-коннектор 3 (фиг. 2, фиг. 3) подается на плоскости земли компланарного волновода 7 (фиг. 2) и на излучающий элемент 5 (фиг. 2) через центральный проводник компланарного волновода 4 (фиг. 2), в результате чего электрический ток преобразуется в энергию электромагнитного поля, создаваемого между плоскостями земли компланарного волновода 7 (фиг. 2) и излучающим элементом 5 (фиг. 2). Подложка 6 (фиг. 2, фиг. 3) экранирует излучающий элемент 5 (фиг. 2), плоскости земли 7 (фиг. 2) и компланарный волновод 4 (фиг. 2) от внешних электромагнитных помех и обеспечивает устойчивость конструкции фрактального миниатюрного кругового планарного излучателя 1 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3).
Восемь идентичных фрактальных миниатюрных круговых планарных излучателей 1 (фиг. 1) упакованы в полимино в форме L-октомино (фиг. 1) и максимально плотно распределены по плоскости фрактального антенного устройства (фиг. 1). За счет объединения колебаний от каждого фрактального миниатюрного кругового планарного излучателя 1 (фиг. 1) происходит изменение диаграммы направленности фрактального антенного устройства (фиг. 1). При этом для фрактального антенного устройства сохраняется диапазон частот 2,85÷10,6 ГГц, присущий каждому отдельному фрактальному миниатюрному круговому планарному излучателю 1 (фиг. 1).
Питание фрактального миниатюрного кругового планарного излучателя осуществляется с использованием SMA-коннектора 3 с входным сопротивлением 50 Ом. SMA-коннектор 3 и центральный проводник компланарного волновода 4 предназначены для питания фрактального миниатюрного кругового планарного излучателя посредством копланарного волноводного порта 2, расположенного перпендикулярно SMA-коннектору 3.
Итак, заявляемая полезная модель позволяет осуществлять управление диаграммой направленности электромагнитного излучения фрактального антенного устройства, расширяет диапазон рабочих частот и позволяет уменьшить размеры антенного устройства.