ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ШИРОКОПОЛОСНЫХ АНТЕНН НА ОСНОВЕ НЕРЕГУЛЯРНЫХ ФРАКТАЛЬНЫХ СТРУКТУР

January 4, 2013 by admin Комментировать »

Колесов В. В., Крупенин С. В., Петрова Н. Г., Потапов А. А. Институт радиотехники и электроники РАН Моховая ул., д. 11, к. 7, г. Москва, 125009, Россия тел.: +7(495) 2034716, e-mail: kvv@cplire.ru

Аннотация – Разработана методика построения воспроизводимых нерегулярных фрактальных структур для антенного проектирования. Проведен численный анализ характеристик антенн на основе этих фрактальных структур. Исследовано влияние изменения положения точки возбуждения на пространственно-частотные характеристики антенн.

I.                                       Введение

Проблема перехода к сверхширокополосным сигналам особенно актуальна в радиолокации, где использование сверхширокополосных сигналов позволяет значительно увеличить количество информации о цели и перейти к получению ее радиоизображения, что недоступно для традиционных узкополосных сигналов. Не менее актуально использование сверхширокополосных сигналов в радиосвязи, например, для организации нескольких независимых каналов связи в общей полосе частот. При этом сверхширокопо- лосные сигналы позволяют легко устранить недостатки коммуникационных систем, связанные с многолучевым распространением радиоволн.

Фрактальные антенны чрезвычайно эффективны при разработке сверхширокополосных радиолокационных и телекоммуникационных систем. Ключевые особенности фрактальных антенн – это компактность, многодиапазонность и широкополосность. Они являются следствием основных свойств фракталов: самоподобия и скейлинга. Кроме того, фрактальные антенны позволяют за счет изменения геометрии и положения точки возбуждения варьировать такие характеристики, как положение частотных диапазонов, форма диаграммы направленности и ширина рабочей полосы [1, 6].

Рис. 1. Конструкция нерегулярной фрактальной антенны.

Fig. 1. Configuration of irregular-shaped fractal antenna

II.                              Основная часть

в настоящей работе с помощью численного моделирования исследованы фрактальные антенны, основанные на нерегулярных фракталах. Предложен алгоритм построения полностью воспроизводимых нерегулярных фрактальных структур – псевдослучайных фрактальных кластеров. Алгоритм реализует модель кластер-кластерной агрегации [2] и использует дискретное хаотическое отображение с запаздыванием [3] ДЛЯ формирования псевдослучайной целочисленной последовательности. Антенна в форме фрактального кластера расположена на заземленной с обратной стороны подложке. Возбуждение антенны осуществляется с помощью коаксиальной ЛИНИИ с обратной стороны подложки (см. рис. 1).

Исследованы частотные характеристики антенн на основе фрактальных кластеров с фрактальными размерностями 1.5 и 1.9 в интервале частот от 0.1 до 20 ГГц. Зависимости полного входного сопротивления и входного коэффициента отражения от частоты (см. рис. 2) обнаруживают более 10 диапазонов различной ширины и степени согласования. От регулярных фрактальных антенн [1, 4-6] исследованные антенны выгодно отличаются большим количеством частотных диапазонов и меньшими вариациями входного сопротивления, что облегчает проблему согласования.

Форма диаграммы направленности антенн сильно зависит от частоты. Преимущественно направленность излучения характеризуется многолепестковы- ми структурами вдоль основных плоскостей. В целом диаграмма направленности имеет тенденцию к увеличению количества лепестков с возрастанием частоты. На частотах выше 15 ГГц форма диаграммы направленности приближается к всенаправленной. В отличие от регулярных фрактальных антенн Серпин- ского [5, 6] у исследованных антенн форма диаграммы направленности зависит от частотного диапазона, что может быть использовано для пространственного разделения частотных каналов. Данный эффект, по-видимому, связан с искажением распределений тока и поля при изменении частоты.

Рис. 2. Входное сопротивление и коэффициент отражения нерегулярной фрактальной антенны.

Fig. 2. Return loss and input impedance of irregularshaped fractal antenna

Исследованы характеристики антенн при смещении точки возбуждения. Показано, что при малом смещении точки возбуждения (на расстояние порядка сотой доли линейного размера антенны) сохраняется расположения основных частотных диапазонов. При этом форма диаграммы направленности в этих диапазонах претерпевает существенные изменения. Таким образом, появляется возможность управлять диаграммой направленности антенн в некоторых частотных диапазонах. Более значительные смещения точки возбуждения (на расстояние порядка десятой доли линейного размера антенны) влияют на ширину и расположение основных частотных диапазонов антенн. В этом случае появляется возможность целенаправленно изменять частотные характеристики антенн.

III.                                  Заключение

Разработана методика построения воспроизводимых нерегулярных фрактальных кластерных структур. Фрактальные антенны на основе данных структур исследованы с помощью численного моделирования. Показано, что они являются широкополосными и многочастотными ввиду самоподобия входного сопротивления и коэффициента отражения в нескольких частотных диапазонах.

Показано, что смещение точки возбуждения антенн позволяет осуществить управление их про- странственно-частотными характеристиками, что может быть использовано при решении задач синтезирования антенной апертуры.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проекты 04-07-90161 и 06-07-08109.

IV.                           Список литературы

[1]  Потапов А. А. Фракталы в радиофизике и радиолокации: Топология выборки. М.: Университетская книга, 2005.

[2]  R. Thouy, R. Jullien. А Cluster-Cluster Aggregation IVIodel with Tunable Fractal Dimension. J. Phys. A: Math. Gen., 1994, V. 27, pp. 2953-2963.

[3]  Гуляев Ю. В., Беляев Р. В., Воронцов Г. М. и др. Информационные технологии на основе динамического хаоса для передачи, обработки, хранения и защиты информации. Радиотехника и электроника, 2003, т. 48, № 10.

[4]  Гуляев Ю. В., Никитов С. А., Потапов А. А., Давыдов А. Г. О проектировании фрактальных радиосистем. Численный анализ электродинамических свойств фрактальной антенны Серпинского. Радиотехника и электроника, 2005, т. 50, № 9.

[5]  С. Puente-Baliarda, J. Romeu, R Pous., A. Cardama. On the Behavior of the Sierpinski Multiband Fractal Antenna, IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 46, No. 4, 1998.

[6]  C. T. P. Song, P. S. Hall, H. Ghafouri-Shiraz. Perturbed Sierpinski Multiband Fractal Antenna with Improved Feeding Technique, IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 51, No. 5, 2003.

NUMERICAL SIMULATION OF IRREGULAR-FRACTAL BASED ANTENNAS

Kolesov V. V., Krupenin S. V., Petrova N. G., Potapov A. A.

Russian Academy of Science,

Institute of Radio Engineering and Electronics

11/7, Mokhovaya street, Moscow, 125009, Russia Ph.: (495) 2034716, E-mall: kvv@cpllre.ru

Abstract- The new design of multiband fractal antenna with irregular shape using two-dimensional pseudorandom fractal clusters is proposed. The multiband behavior of fractal-cluster based antennas is studied by means of numerical analysis. The spatial-frequency antenna characteristics are studied under feeding point displacements.

I.                                         Introduction

Nowadays the problem of transition to ultra wideband signals is especially actual for radar systems in order to increase the information capacity and to go into objects radio imaging that is impossible for traditional narrowband radar systems. Another application area of ultra wideband signals is communication systems, in particular, maintenance of multiple independent communications channels in the common frequency band. Moreover the use of ultra wideband signals allows eliminating easily multipath transmission problems.

Fractal antennas are extremely effective in development of ultra wideband radar and communication systems. Key benefits of fractal antennas are reduced size and multiband functionality as a consequence of the basic fractals properties: self-similarity and scale invariance. Furthermore fractal antennas allow controlling such characteristics as location of frequency bands, beam shape and operating bandwidth [1, 6].

II.                                        Main Part

Considered in this paper are fractal antennas of irregular shape. The algorithm of building fully reproducible irregular fractal structures (pseudorandom fractal clusters) is developed. The algorithm is based on a cluster-cluster aggregation model [2] and employs chaotic discrete map [3] for pseudorandom sequence generation. The fractal-cluster shaped antennas are placed onto substrate with coaxial feeder at the underside of ground plane (see fig. 1).

Frequency response of the fractal-cluster based antennas with fractal dimension of 1.5 and 1.9 is studied by means of numerical analysis within the frequency range of 0.1-20 GHz. Return loss and input impedance of the antennas (see fig. 2) reveal more than ten frequency bands of various widths and matching in the analysis range. Compared to regular fractal antennas [1, 4-6] these irregular-shaped fractal antennas demonstrate improved multiband behavior and better matching characteristics.

Return loss and radiation pattern of the antennas for different feeding point positions are analyzed in order to understand the influence of feeding point displacement on antenna performance. Small feeding point displacements do not impact matched frequency bands of the antennas. At the same time the radiation pattern at the matched frequencies undergoes essential changes. Such behavior under feeding point displacements provides an opportunity to control the antenna radiation pattern in certain operating bands. Larger feeding point displacements induce changes in width and location of antenna frequency bands. Thus antenna frequency bands could be controlled by means of feeding point displacements.

III.                                       Conclusion

Computer-aided technique of building fully reproducible irregular fractal structures is developed. Multiband antenna design is proposed on the basis of irregular fractals. As is shown, the control of antenna spatial-frequency characteristics could be carried out by means of feeding point displacements.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты