ФРАКТАЛЬНАЯ АНТЕННА

Фрактальная антенна относится к области радиотехники, а именно, к радиолокации и может найти применение в современных телекоммуникациях, шумовой радиолокации, нелинейной радиолокации, системах поиска, локализации и трассировки мобильных объектов, пеленгации в сложных городских условиях.
Наиболее распространенной антенной является антенна, содержащая фидер, согласующий элемент и группу излучателей элементарной формы. Полоса излучения определяется ее конструкцией [статья « 60GHz patch antennas and arrays on LTCC with embedded- cavity substrates», A. E. I. Lamminen, J Saily: IEEE Trans. Antennas Propag., vol.56, no.9, pp.2865-2874, sept. 2008]. При этом можно получить высокочастотное излучение с центральной частотой 56 ГГц. Однако существенными недостатками являются узкая полоса излучения, равная 1,5 ГГц по уровню - 12 дБ коэффициента отражения |S11|, а также большие габаритные размеры антенны 35х35 мм.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является антенна, описанная в статье «Влияние протяженности границы излучения фрактальной микрополосковой антенны на ее характеристики. часть I» СПб.: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010 г Бабичев Д.А., Тупик В.А. Прямоугольная микрополосковая антенна, описанная в статье, содержит фидер, согласующий элемент и излучатель прямоугольной формы, размерами 4,15х4,15 мм.
Недостатком данной антенны является узкая полоса частот излучения - 6,1 ГГц по уровню |S11| - 12 дБ.
Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в разработке такой антенны, которая без увеличения ее габаритов позволяет существенно увеличить полосу частот излучения. Причем, предлагаемое решение может быть использовано и для широкополосных средств передачи информации.
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемой полезной модели так же, как и в известном решении, фрактальная антенна содержит фидер, согласующий элемент и излучатель. Но, в отличие от известного, фронтальная сторона излучателя выполнена в форме 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.
Достигаемый технический результат заключается в увеличении полосы излучения путем лучшего согласования фрактальной антенны с окружающим пространством. Моделирование фрактальной антенны показало, что полоса излучения по уровню |S11|=-12 дБ может достигать 32 ГГц с центральной частотой 60 ГГц, что больше, чем у прототипа в 5,33 раза.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, представленным на фиг.1.
Предлагаемая фрактальная антенна содержит фидер 1, согласующий элемент 2, излучатель 3, диэлектрическую подложку 4, металлический экран 5.
Рассмотрим пример выполнения фрактальной антенны.
Параметры антенны:
1
- диэлектрическая подложка, толщиной h=1 мм, материал Rogers Ultralam, относительная диэлектрическая проницаемость ε=2,17, геометрические размеры 12х12 мм.;
2
- излучатель, согласующий элемент - пленка меди, толщиной h=5 мкм;
- ширина излучателя l=4,15 мм.;
- ширина согласующего элемента w=1.5 мм.;
- волновое сопротивление подводящего фидера Z=75 Ом.;
- металлический экран - медная пластина, толщиной
Процесс введения фрактальности в фронтальную сторону излучателя описывается следующими выражениями:
L2=L1+2/3L1=5/3L1
L3=L2+2/3L1=7/3L1
где LI, L2, L3 - длины фронтальной стороны излучателя соответственно на 1-ой, 2-ой и 3-ей итерациях. Схематично эти результаты этих итераций представлены на фиг.2, где 1, 2 и 3 - соответственно последовательно введенные фрактальности. При каждой итерации фрактальность вводится только по горизонтальной оси. При каждом шаге длина кривой L увеличивается на 2/3. Протяженность фронтальной границы излучателя в общем виде описывается выражением L=1+2(n-1)/3, где n - номер итерации.
Рассмотрим пример работы фрактальной антенны. От фидера электромагнитная волна передается через согласующий элемент на излучатель. Согласующий элемент выполнен в виде копланарной полосковой линии передачи, что обеспечивает хорошее согласование антенны с фидером в широкой полосе частот. Далее электромагнитная волна передается от излучателя в окружающее пространство. Фрактальность фронтальной стороны позволяет получить высшие типы волн, образующие при суперпозиции широкополосное излучение. Дополнительно фрактальность улучшает согласование излучателя антенны с окружающим пространством, что обеспечивает хорошую передачу полученной результирующей волны в окружающее пространство.
Принцип работы заключается в том, что за счет введения фрактальности в излучателе образуются несколько поверхностных типов волн, имеющих различные фазовые скорости. Суперпозиция излучения поверхностных волн с различными фазовыми скоростями в дальней зоне приводит к формированию узкого направленного излучения с широким диапазоном частот. Кроме того, введение фрактальности во фронтальную сторону излучателя обеспечивает более плавное согласование излучателя с окружающим пространством.