הבנה של אנטנות פרקטליות ויכולותיהם לרב-רצועה

מבוא ל-Factal Antennas

מכשירים אלחוטיים מודרניים דורשים אנאנטנות שיכולים לפעול על פני להקות תדר מרובים תוך התאמה לתוך מדידות מימיות. מוט מסורתי או אנטנות טטות טטניות דורשות אלמנטים נפרדים עבור כל להקה, עלייה בגודל ומורכבות. אנטנות Fractal מציעים אלטרנטיבה משכנעת על ידי שימוש בדפוסים גיאומטריים עצמי כדי להשיג ביצועים רב-band בטביעה קומפקטית רגל.

מאמר זה מספק מחקר מעמיק של אנטנה fractal, המסביר את הפיזיקה הבסיסית, גרסאות עיצוב, יישומים בעולם האמיתי, וכיוונים עתידיים. בין אם אתה מהנדס RF, סטודנט, או חובב טכנולוגיה, הבנה אנטנה fractal חיוני להעריך כיצד התקשורת האלחוטית המודרנית משיגה ביצועים גבוהים במכשירים לא מוגבלים בחלל.

מה הם אנטנות פרוטקטיות?

אנטנה fractal היא אנטנה המשתמשת עיצוב fractal, עצמי-similar כדי למקסם את אורך יעיל או להגדיל את המטר של חומר שיכול לקבל או לשדר קרינה אלקטרומגנטית בתוך שטח משטח כולל או נפח. הנכס המגדיר של צורה fractal הוא דמיון עצמי: התבנית חוזרת בקנה מידה שונים.

הרעיון היה חלוצה על ידי נתרן כהן בסוף שנות ה-80. Cohen הראה כי ג'ממטות fractal יכול לחדש בתדרים מרובים וכי מספר התדרים ההדהדים תואם למספר של הגרסאות של דפוס השבר.זה מאתגר את האמונה המקובלת כי אנאנטנות קטנות לא יכולות להיות יעילות על פני רוחב פס רחב.

חשוב להבחין בין אנטנה fractal אמיתי ו-FLT:0 âbactsph:1 â â ¢ ⁇ אמיתי יש ⁇ אינסופי, אבל בפועל, אנטנה מיוצרים עם מספר סופי של ⁇ (בדרך כלל 2–5). מבנים אלה truncated נקראים pretals.למרות ה ⁇ s מוגבל, pretal לשמור על רב-res חיוני לשימוש מעשי.

כיצד פועל אנטאנטנות Achieve Multi-band

היכולת הרב-band של אנטנה fractal עולה מן הדמיון העצמי של הגיאומטריה.כאשר גל אלקטרומגנטי מכה מבנה fractal, בקנה מידה מרחבי שונה של התבנית resonate בתדרים שונים.בעיקר, כל אחד מההתרחשות של המעשים השבריים כגורם רסן נפרד שהוא גרסה בקנה מידה בקנה מידה בקנה מידה בקנה מידה של השלם.

כדי להבין זאת לעומק, לשקול את ה-FLT:0 [Sierpinski GasketFLT:1]; הכרטיס נבנה על ידי הסרת שוב ושוב משולשים מעודנים גדולים יותר, לאחר ההצתה הראשונה, לצורה שנותר יש שלושה משולשים קטנים. at the Second Iteration, כל אחד מהמשולשים האלה הוא עוד חלק.

מנגנון חשוב נוסף הוא עקומת הילברט:0 (FLT:0) מחלחל שטח שטח: 1 (FLT:1) של fractals מסוימים, כגון עקומת הילברט ממלא אזור 2D ביעילות, ביעילות להאריך את הנתיב הנוכחי ללא הגדלת תיבת ההנעה של האנטנה.נכס זה מוריד את התדר ההדהד לגודל פיזי נתון, המאפשר למזעריות.

התאמת אימפולס הוא היבט קריטי.בעוד אנטנה fractal באופן טבעי resonate בתדרים מרובים, את הקלט אימפולס בתדרים אלה עשוי לא להיות 50 הוממים. מעצבים לעתים קרובות להתאים את נקודת ההזנת, להוסיף רשתות התאמה, או להשתמש בגיאומטריה fractal מורכב כדי להשיג VSWR מקובל על כל הלהקות הרצויות.

סוגים של אנטנות Fractal

Sierpinski Gasket Antenna

ה- Sierpinski Gasket הוא אחד האנאנטנות הנלמדות ביותר בשימוש fractal.It מורכב משולש שווה שממנו משולשים קטנים יותר מופנמים הוסרו באופן הדרגתי. האנטנה בדרך כלל מוזן ב- apex או בבסיס של המשולש הגדול ביותר.זה מציג התנהגות ביו-משפטית: התדרים השבויים קשורים באופן מזיק (לעתים קרובות, 3f, וכו ') מאפשר אינטגרטיבית (תוכנית רוחבית) כגון אינטגרטיבית).

הילברט קורב אנטנה

עקומת הילברט היא חלל-המסנן כי רוח דרך שטח מרובע.כפי שעולה צו ההצתה, העקומה הופכת צפופה יותר, מרחיבה משמעותית את אורך החשמל מבלי להגדיל את האזור הכבוש. אנטנות עקומות הילברט משמשות למיניסטרולציה נמוכה, כגון תגי RFID וחיישנים IoT שבהם שטח הוא מחוספס מאוד.

Koch Snowflake ו Koch Island Antennas

פתית השלג של Koch נוצרת על ידי הוספת משולשים שוויוניים לכל צד של משולש קבוע חוזר באופן רציונאלי.המדיום המתקבל הוא ארוך ללא אינסוף, אשר מוריד את התדר המהדהד בהשוואה למשולש אוקלידי של אותה טביעת רגל. אנטנות Koch משמשים ברשתות אלחוטיות (WLAN) ורשתות אזור אישי.

האי Minקובסקי Antenna

Minkowskis להשתמש במבנים מלבניים או מרובעים עם מדפים חוזרים או פרופורציות.הם יעילים עבור פעולה כפולה פס (למשל, 2.4 GHz ו 5 GHz עבור Wi-Fi) והם קלים לתכנון כי הגיאומטריה תואמת עם מערכות קרטסיאן, מפשטת סימולציה ומרקם.

עץ (Dendritic) Fractal Antennas

fractals לדמות דפוסים של ענף בטבע.כל ענף מתחלק לענפים קטנים יותר, ומספק נתיבים מרובים resonant.אנטנות אלה משמשים במערכות MIMO ומכשירים רב-banded ידני.הם יכולים להיות מעוצבים כדי שיהיה רוחב פס רחב של אימפולסים על ידי התאמת זוויות סניף ואורך.

יתרונות באנטנות לאמנה

אנטנה Fractal מציעים כמה יתרונות נפרדים בהשוואה לפוליול המסורתי, תיקון, או אנטנה הלילית:

• (FLT:0)Multi-band פעולה ב-A יחיד אלמנטריפל 1 (A יחיד fractal אנטנה יכול להחליף שתי אנטנות קונבנציונליות יותר, צמצום המרחב והעלות.לדוגמה, כרטיס גז Sierpinski יכול לכסות את GSM (900/1800 M), Wi-Fi (2.4 GHz), ו- Bluetooth בו זמנית.
• (FLT:0) הפחתה של ההרחבה: הטבע המחלחל לחלל של fractals מאפשר אנטנה ארוכה חשמלית בגורמים קומפקטיים. A Koch dipole עשוי להיות 20-30% קצר יותר מאשר קקטוס סטנדרטי למחצה גלי אחיד לאותה תדירות.
• (FLT:0)Wide מעכב רוחב פס FLT:1 - עיצובים רבים של fractal להציג רוחב פס רחב מטבעו בשל מספר רב של חזרות חופפות.זה חשוב במיוחד עבור יישומים UWB (3.1-10.6 GHz).
• (FLT:0) ייצור ייצור בשפע 1:1 - אנטנה Fractal ניתן לכווץ על לוחות מעגלים מודפסים (PCBs) באמצעות לימוזינה סטנדרטית.אין צורך ברשתות הזנה מורכבות או אלמנטים דיסקרטיים מרובים.
• (FLT:0)Low פרופילFLT:1 - אנטנה fractal Planar הם דקים ויכול להיות תואם משטחים, ומאפשר שילוב למכשירים מעוקלים או אלקטרוניקה לביש.
• (FLT:0)Gain andיעילותFLT:1) - בעוד שלאנטנות fractal מוקדם היה רווח נמוך יותר מאשר קטפולינים בגודל מלא, עיצובים מודרניים להשיג רווחים קרוב 2-4 dBi על פני להקות מרובות עם יעילות מעל 80%.

עם זאת, אנטנה fractal הם לא פתרון אוניברסלית.תבניות הקרינה שלהם יכול להיות פחות אטומי מאשר מונופול פשוט, ואת הרווח לכל להקה הוא לעתים קרובות צנוע.מעצבים חייבים להעריך את הניתוק הסחר בין גודל, רוחב פס, דפוס, אבל עבור תרחישים רבים פס, היתרונות עולים על המגבלות.

תגיות Fractal Antennas

אנטנה Fractal מצאה את דרכם לתעשיות מגוונות שבהן גודל, ביצועים, ועלויות הם קריטיים.

מכשירים Wireless תקשורת

סמארטפונים, טאבלטים ומחשבים ניידים משתמשים באנטנות fractal פנימיות עבור התא (LTE/5G), Wi-Fi, Bluetooth ו- GPS. The Sierpinski Gasket ו- Hilbert מעוקלות הן אפשרויות נפוצות.לדוגמה, מחשבים ניידים רבים להטביע Koch dipole בתצוגת bezel כדי לתמוך הן 2.4 GHz ו-5 GHz Wi-Fi GHz ללא צורך אנטנה נפרדת עבור כל אחד.

האינטרנט של הדברים (IoT)

חיישנים IoT דורשים בעלות נמוכה, אנאנטנות קטנות שיכולות לפעול על כוח סוללה.אנטנות Fractal מודפסות על תת-שכבות גמישות (למשל, PET או פולימדן) הן אידיאליות עבור מטרים חכמים, צגים סביבתיים, ומכשירים רפואיים לבישים.האנטנה הילברט פופולרית במיוחד עבור 868 MHz ו 915 MISM להקות כי זה מתאים בתוך חיישן מופעל מטבע.

תקשורת לווין

לווינים קטנים (CubeSats) משתמשים אנאנטות fractal עבור טלמטרי, פיקוד והנתונים מטהלינק.הטבע הרב-band מאפשר אנטנה אחת לטפל UHF, S-band, ו תדרי X-band, לחסוך נדל"ן יקר על ה-Sassis. Koch ו- Sierpinski עיצובים הוטסו על משימות מרובות של קוביות עם הצלחה.

צבאי ואוויר

מערכות הגנה דורשות אנטנה שיכולה לפעול על פני טווח תדר רחב כדי לתמוך מכ"ם, תקשורת ופונקציות לוחמה אלקטרונית.אנטנות Fractal משמשים באוויר, בספינה ומערכות קרקעיות.פרופיל נמוך שלהם ויכולת להשתלב בחומרים מורכבים להפוך אותם מתאימים לפלטפורמות גרוטאות.לדוגמה, כרטיס הגז Sierpinski נבדקה ביישומים מכ"ם בשלבי עבור התנהגות יומן הגלום-קולודי שלה.

רכב רדאר וטלמטי

כלי רכב אוטונומיים מסתמכים על מכ"מים מרובים (24 GHz, 77 GHz) ו-V2X תקשורת (5.9 GHz) אנטנה Fractal המשולבת בפגושים או מראות יכול לכסות את התדרים האלה במבנה יחיד, לפשט עיצוב רכב ולצמצם את העלות.

מכשירים רפואיים

מכשירים רפואיים מותאמים לביש להשתמש אנטנה מיניאטורית עבור שידור נתונים. עיצובים Fractal, במיוחד Koch ו Minkowski, לעזור להשיג את אורך החשמל הדרוש תוך השארת ביו-תואמים וקטן מספיק להשתלה.

עיצוב ושיקולים

עיצוב אנטנה fractal דורש סימולציה אלקטרומגנטית זהירה.כלי כמו Ansys HFSS, CST מיקרוגל Studio, או FEKO הם סטנדרטיים.

• (FLT:0) מספר ההסרות של ה-ITFLT:1 - יותר אמירות מספקות יותר חזרות, אך מגבירות מורכבות גיאומטרית ויכולות להפחית את העוצמה המכנית בדרך כלל 2-3 נקודות הן אופטימליות עבור רוב היישומים.
• (FLT:0) ,Scaling factorFLT:1 - Determines את תדירות התכווצ בין להקות.עבור סיגינסקי, גורם בקנה מידה של 2 מניב החזרות בערך אחד octave בנפרד.
• (FLT:0) נקודה חיובית (FLT:1) - האכלה ב- offex או לאורך קצה משנה את הדחף.טכניקה נפוצה משתמשת קו מיקרו-סטריפ או בדיקה קואקסיאלית.
• (FLT:0) חומרים מטבוליים (FLT:1) - נמוך-הפסדים substrates (למשל רוג'רס, FR-4) משפיעים על יעילות ופס רוחב פס. עבור יישומי IoT, זול FR-4 מקובל; עבור עיצובים גבוהים של גלי מילימטר, קרמיקה או PTFEstrates הם מועדפים.
• (FLT:0) קיצור של רוחב הפסFLT:1 - יש פער מסחר בסיסי: אנטנות קטנות יש רוחב פס נמוך יותר.פרוקטל גאומטריה עוזר אבל לא מבטל גבולות פיזיים.גבול צ'ו-ההרינגטון חל, כך מעצבים חייבים לקבל פשרה.

לאחר סימולציה, prototyping הוא חיוני. אנטנות Fractal רגישים לייצור סובלנות, במיוחד בתדרים גבוהים.Eching דיוק, מכרה של נקודת להאכיל, ודיור משפיעים על הביצועים הסופיים.

גבולות ואתגרים

בעוד אנטנה רבת עוצמה, fractal אינה ללא חסרונות.ה-FLT:0gainigincioFLT:1 של אנטנה מיני-אירויה הוא בדרך כלל נמוך יותר ממקבילה בגודל מלא.לדוגמה, אנטנה עקומת הילברט עשויה להיות 0–2 dBi רווח, אשר עשוי להיות לא מספיק עבור קישורים לטווח ארוך.

(FLT:0)ניהול דיוק מדויק 1FLT הופך קריטי עבור סטיות גבוהות יותר. שגיאות קטנות בגרד יכול לשנות תדרים resonant באופן משמעותי.זה בעייתי במיוחד עבור יישומי גלי מילימטר. יתר על כן, אנטנה fractal קשה יותר להתכוונן לאחר ייצור מאשר אנטנות פשוטות; התאמות דורשות לעתים קרובות שינוי הגיאומטריה ולא חיתוך.

לבסוף, (FLT:0)התאמת ההתאמה של FLT1 בכל הלהקות יכולה להיות מאתגרת ללא מעגלים מתאימים חיצוניים, אשר מוסיפים עלות והפסדי שילוב.נקודת האכלה אחת המספקת התאמה טובה לכל הלהקות הרצויות היא נדירה, כך שמעצבים משתמשים לעתים קרובות T-matching או L-networks.

כיוונים עתידיים ומחקר

מחקר לאנטנות fractal ממשיך להתרחב.שלוש אזורים מבטיחים הם:

• (FLT:0) Metamaterial-enhanced fractalsFLT 1 - שילוב גיאומטריה fractal עם תאים יחידה metamaterial (למשל, מחזרים מפוצלים) יכול לייצר אנטנה עם התנהגות אינדקס שלילי השבירה, המאפשרת superdirectivity או אפס-index נכסים.זה יכול להוביל להנחיות גבוהות, אנטנה קטנה חשמלית.
• (FLT:0) אנטנות fractal מודפסת anasveFLT:1 (ייצור אדרטיבי מאפשר יצירת של fractals תלת-ממדי אמיתי (למשל, 3D Sierpinski Gasket או מניגר ספוג) ניתן להשתמש אלה עבור סינון שטח נפח ברחפנים, לווינים, או מכשירים לבישים.
• (FLT:0 ,Reconfigurable אנטנות fractal יכול לשנות את הצורה היעילה שלהם, ובכך להחליף להקות או להתאים את המלכודות.לדוגמה, מתגי RF MEMS, או RF, אנטנה fractal יכול לכסות את הצורה היעילה שלהם, ובכך להחליף להקות או להתאים את האימפולס.לדוגמה, סגסוגת Sierpinski גז יכול לכסות הן תת- 6GHz ו- 5G דורשות על להקות.
• (FLT:0) אינטליגנציה מלאכותית עבור אופטימיזציה עיצובית fractal של ההרחבה:1 ; אלגוריתמים גנטיים ולמידה מכונה משמשים כדי לגלות צורות fractal חדשות אשר מייעלות עבור תוכניות תדרים ספציפיים, מגבלות גודל, דרישות דפוס. גישה זו יכולה להניב עיצובים לא אינטואיטיביים כי fractals.

מסקנה

אנאנטנות Fractal מייצגות התכנסות של מתמטיקה והנדסה, המספקות ביצועים רב-band מעשי בחבילה קטנה פיזית.על ידי ניצול של דמיון עצמי, אנטנה אלה להשיג מספר רב של חזרות אשר אחרת דורשות אלמנטים נפרדים. מאלקטרוניקה צרכנית ועד מערכות הגנה, אנטנה פרקלקית ממשיכה להוכיח את הערך שלהם. כמו טכנולוגיה אלחוטית דוחפת לעבר תדרים גבוהים יותר, מיניאודור גדול יותר, ומבצע רב סטנדרטי, אנטנות, תישארוכות מפתח של מערכות מחשוב קומפקטיות, אפילו אנטנות.

(ב) לקריאה נוספת, מתייחס ליצירות היסוד של נתאן כהן (FreaLT:0)Cohen, "יישומים אנטנה טפקטית", IEEE Antennas ו-Proagation Society International Symposium, 1997BuildFLT:1), ספרי לימוד מקיפים כגון FLT:2"Fractal Antennas and Applications" מאת BestFillos 3LT, and recent article on Reurentation Site on a Reurentation 7LTs (Analytics)