Minkowski Benzeri Fraktal Antenin Analizi ve Tasarımı
UHF sensörleri temel olarak çift kutuplu antenleri, yama antenleri, ultra geniş bant antenleri ve fraktal antenleri içerir. Anten tasarım prensibine göre, UHF frekans bandında çalışan antenin boyutu metre seviyesinde ve boyutu çok büyük olduğundan, kompakt ve geniş bantlı bir anten tasarlamak için boyutunu küçültmek ve fraktal prensibini kullanmak gerekir. Bu amaçla, bu makale Minkowski benzeri bir fraktal mikroşerit yama anteni tasarlamaktadır.
Mikroşerit yama anteni, dışarıya doğru yayılan elektromanyetik dalgalar oluşturmak için bakır kaplı dielektrik panosundaki farklı şekilleri aşındırarak akımın dağıtımını ve akışını kontrol eder. Mikroşerit yama antenlerinin besleme yöntemleri arasında mikroşerit hattı yan beslemesi, koaksiyel hat alt besleme, eş düzlemli dalga kılavuzu beslemesi, elektromanyetik bağlantı vb. Yer alır. Besleme yönteminin birçok faktörü dikkate alması gerekir ve en önemli şey besleyiciyi ve Radyatörler empedans eşleştirilebilir. Mikroşerit antenin metal yaması genellikle dikdörtgen, daire, üçgen vb. Gibi çeşitli şekillerden oluşur.
Fraktal geometrinin iki ayrı özelliği vardır: öz-benzerlik ve boşluk doldurma Fraktal yapının öz-benzerliği rezonans noktasını artırabilir ve bant genişliğini genişletebilir; Fraktal yapının boşluk doldurması anten boyutunu azaltabilir. Fraktal teorinin anten tasarımına uygulanması, antenlerin uygulanmasında daha fazla gelişme sağlar ve anten boyutu ve frekans bant genişliği gibi sorunlar etkili bir şekilde iyileştirilebilir. Tipik fraktal yapılar arasında Koch, Hilbert, Sierpinski, Minkowski vb.
Bu makale, bir ultra geniş bant mikroşerit anten oluşturmak için Minkowski benzeri bir fraktal yapı ile bir mikroşerit yama anteninin kombinasyonunu kullanır. Anten 0,93 GHz 3,02 GHz frekans bandında çalışır ve bağıl bant genişliği% 105,82'dir.
1 Fraktal yapının geometrik açıklaması
1.1 Minkowski fraktal yapısı
Minkowski, oluşturmak için iki noktalı bir yöntem kullanır. İlk olarak, düz bir çizgi başlangıç elemanı A0 olması gerekir ve ardından bir jeneratör A1 oluşturmak için iki noktalı formülü kullanın, ilk yama A2 yan uzunluğu d olan bir karedir ve kare yamanın 4 düz kenarını değiştirmek için 4 jeneratör A1 kullanılır. , İlk yama A2, birinci dereceden Minkowski fraktal yaması A3'e dönüştürülecek. Bu yönteme göre, dönüşüme devam edilir ve A3'teki her bir düz kenar ilk öğe olarak kabul edilir ve ardından ikinci dereceden Minkowski fraktal yaması A4'ü oluşturmak için jeneratör öğesi ile değiştirilir.Tüm dönüşüm süreci Şekil 1'de gösterilmektedir.
1.2 Minkowski benzeri fraktal yapı
Bu yazıda önerilen yeni Minkowski benzeri fraktal yamanın yapım süreci Şekil 2'de gösterilmektedir. Şekil 2 (a) 'da, B0 kenar uzunluğu a olan kare bir yamadır. Merkezde 4 köşe bulunan ilk kare yama temelinde, kenar uzunluğu a · r1 olan 4 küçük kare yama dışa doğru yinelenir, Böylelikle Şekil 2 (b) 'de gösterildiği gibi birinci dereceden fraktal anten yapısı oluşturulmaktadır, ölçek faktörü r1 değiştirilerek, farklı boyutlarda birinci dereceden Minkowski benzeri fraktal yamalar elde edilebilmektedir. Birinci dereceden yamanın dört küçük karesi üzerinde, 12 dış köşeyi ortalayarak, Şekil 2'de gösterildiği gibi, ikinci dereceden bir fraktal yama oluşturmak için yan uzunluğu a · r1 · r1 olan 12 kare yamayı yineleyin ( c) gösterildiği gibi.
Şekil 2'deki anten yapısı diyagramından, fraktal yapının kenarlarında, akım yayılma yolunu artıran birçok eşit olmayan yama kenarı olduğu görülebilir. Anten çalışmaya başladığında, bu benzer yapılar tarafından üretilen farklı akım yolları, farklı rezonans noktaları oluşturmak için etkileşime girer. Bu rezonans frekans noktaları arasındaki etkileşim, antenin radyasyon direncinin kademeli olarak artmasına ve rezonans frekansının kademeli olarak azalmasına neden olur, böylece fraktal anten geniş bant özelliklerine sahiptir.
2 Anten yapısı şeması
Antenin başlangıç boyutu, dikdörtgen mikroşerit yama anteninin formülünden elde edilebilir.Dikdörtgen mikroşerit yama anteninin boyutu ile rezonans frekansı arasındaki ilişki aşağıdaki gibidir:
Formülde, W ve L dikdörtgen yamanın genişliğini ve uzunluğunu temsil eder, c ışık hızını, f antenin rezonans frekansı, H dielektrik substratın kalınlığıdır, L yamanın uzatma uzunluğu, r dielektriğin bağıl düğüm sabitidir, e Etkili dielektrik sabitidir.
Anten yapısı Şekil 3'te gösterilmektedir, Şekil 3 (a) antenin üstten görünüşüdür ve Şekil 3 (b) bir HFSS modelleme diyagramıdır. Gölgeli kısım, antenin yapısıdır.Annede 2-kat fraktal Minkowski benzeri bir radyatör kullanılır ve radyatörün içi, bifraktal bir yapı oluşturmak için 1-fraktal Minkowski benzeri bir yuva kullanır. Aynı zamanda, besleme için 50 eş düzlemli dalga kılavuzu yapısı kullanılır. Bu makalede kullanılan substrat, düşük kayıplı, küçük kalınlıkta ve iyi esnekliğe sahip bir PTFE tabakasıdır.Alt tabakanın boyutu 90 mm × 71 mm × 1.6 mm, dielektrik sabiti r = 4.4 ve dielektrik kayıp tanjant tan = 0.02 , Radyasyon özelliklerini ve eşleştirme derecesini iyileştirmek ve anten empedans bant genişliğini artırmak için zemin plakasında dikdörtgen yuvalar açın. Antenin yapısı ve boyut parametreleri Şekil 3 ve Tablo 1'de gösterilmektedir.
3 Yapısal parametrelerin optimizasyon tasarımı
Fraktal yapının yeni antenin performansı üzerindeki etkisini incelemek için, HFSS simülasyonu ve optimizasyonu için kullanılmış ve geri dönüş kaybı, desen, kazanç vb. Dahil ilgili performans parametreleri test edilmiştir. Yamanın farklı fraktal sıralarına karşılık gelen dönüş kaybı grafiğinin (S11) karşılaştırma sonucu Şekil 4'te gösterilmektedir.
Şekil 4'ten, yineleme sayısı arttıkça, rezonans noktalarının sayısının da arttığı ve frekans bandının da genişlediği görülebilmektedir. 0 dereceli fraktalden ikinci dereceden fraktala kadar, fraktalın sırası artar, antenin radyasyon empedans bant genişliği artar ve empedans eşleştirme etkisi geliştirilir. Antenin performansını iyileştirmek için yüzey akımının akış yolunu değiştirerek, ikinci dereceden fraktal yapı birinci dereceden fraktal yapıdan daha uzun bir akım yoluna sahiptir ve birçok simülasyon ve optimizasyondan sonra, ikinci derece fraktal antenin daha geniş bir bant genişliğine sahip olduğu bulunabilir. .
Aynı zamanda anten fraktal ölçek faktörü r1'in dönüş kaybı üzerindeki etkisi de incelenmiştir.S11'in karşılaştırma sonucu Şekil 5'te gösterilmiştir.
Şekil 5'ten görülebileceği gibi, dış şekil ölçek faktörünün antenin dönüş kaybını etkilediği görülmektedir.Ölçek faktörünün değişmesi ile antenin rezonans noktalarının sayısı ve konumu değişmiştir. R10.5 olduğunda anten en iyisine sahiptir S11 anteninin empedans eşleştirme özellikleri şu anda en iyisidir ve dönüş kaybı 0,93 GHz'den 3,02 GHz'e kadar olan frekans bandında -10 dB'nin altına inebilir. Bant genişliği şu anda en geniş olanıdır.
Aynı zamanda yamadaki yuvanın fraktal sırasının antenin dönüş kaybı üzerindeki etkisi de incelenmiştir.S11'in karşılaştırma sonucu Şekil 6'da gösterilmiştir.
Şekil 6'dan görülebileceği gibi, fraktal yuva olmadığında ve 0 derece ve 1. derece fraktal oluklar olduğunda, antenin dönüş kaybı diyagramı benzerdir ve rezonans noktasının konumu hemen hemen aynıdır, ancak anten yamasının birinci dereceden fraktal iç oluğu olduğunda anten Empedans eşleştirme özellikleri büyük ölçüde iyileştirildi ve S11'in minimum değeri büyük ölçüde optimize edildi.
Topraklama plakasında W1 genişliğinde ve L1 derinliğinde iki dikdörtgen alan kazılır, yani iki dikdörtgen W1 · L1 çentiği oluşturulur ve antenin dar frekans bandını ve geniş hacmini iyileştirmek için kullanılabilen iki simetrik dikdörtgen oluk oyulur. Dezavantajları. Zemin plakası yuvasının yarıklı yapısını ayarlayarak, yuvanın kenarındaki yüzey akımının yolunu değiştirerek, anten diğer frekans bantlarında yankılanabilir, böylece anten daha geniş bir bant genişliğine sahip olur. Dikdörtgen oluk L1'in uzunluğunun S11 üzerindeki etkisi incelenmiştir, L1 parametresi 3 mm 15 mm ve adım faktörü 4 mm'dir. S11'in karşılaştırma sonucu Şekil 7'de gösterilmektedir.
Şekil 7'den, sınırlı zemin plakası ile ana ışıma birimi arasındaki etkileşimin tüm uzaydaki elektromanyetik radyasyon dağılımını değiştirdiği görülebilmektedir.Birçok simülasyon ve optimizasyondan sonra, L1 = 11 mm olduğunda antenin en iyi şekilde eşleştiği bulunmuştur.
Gerçek anten ve ideal yayılma noktası kaynağı aynı giriş gücünü garanti ettiğinde, aralarındaki sinyallerin farklı güç yoğunlukları olacaktır.İkisi arasındaki oran anten kazancıdır.Makalede tasarlanan anten kazancı 3 GHz'de maksimuma ulaşır Değer 1,89 dB'dir ve 1 GHz, 2 GHz ve 3 GHz kazanç diyagramları Şekil 8'de gösterilmektedir.
Son olarak, model incelenir ve analiz edilir Antenin eh düzlem modeli Şekil 9'da gösterilmektedir.
Şekil 9'daki eh düzlem modelinden bu antenin iyi bir yönlülüğe sahip olduğu görülebilir. Optimize edilmiş anten sayesinde, performans önemli ölçüde iyileştirildi, sinyal alma yeteneği daha güçlü ve frekans bandı daha geniş. Yukarıdaki sonuçlar, iyileştirilmiş ve optimize edilmiş sonuçların iyi özelliklere sahip olduğunu göstermektedir, antenin f = 1 GHz ve f = 2 GHz'deki e-düzlem modeli "" dir ve anten modeli, f = 3 GHz yüksek frekansta oluşur. Bazı bozulmalar, anten yüksek frekanslarda rezonansa girdiğinde e-düzlemdeki karmaşık akım dağılımından kaynaklanır ve birden çok ışıma elemanının etkileşiminden kaynaklanır, ancak yine de iyi bir radyasyon kapasitesini korur. H-düzlemi, ultra geniş bant antenlerin gereksinimlerini karşılayabilen üç rezonans noktasında çok yönlü olarak yayılır.
4. Sonuç
Bu yazıda, Minkowski benzeri yeni bir fraktal anten tipi tasarlandı, ebat 90 mm × 71 mm × 1.6 mm ve fraktal yapının kendine benzerliği ve boşluk dolgusu, bant genişliğini arttırırken boyutta kazancın artması ve küçültülmesini gerçekleştirmek için kullanıldı. Literatürdeki anten ile karşılaştırıldığında, kazanç yaklaşık -10 dB'den 1.89 dB'ye, kazanç yaklaşık 12 dB artmıştır.Literatürdeki anten ile karşılaştırıldığında boyut 255 mm × 255 mm'den 90 mm × 71 mm'ye düşürülmüştür. Boyut büyük ölçüde azaltılır. Aynı zamanda, simülasyon optimizasyonu ve bant genişliğini artırmaya yönelik deneyler sayesinde, antenin çalışma bant genişliği 0,93 GHz 3,02 GHz'dir ve bağıl bant genişliği% 105,82'ye ulaşır.
Referanslar
Wang Yifan Sıkıca bağlanmış yapıya dayalı geniş bant çift kutuplu anten dizisi araştırması Chengdu: Southwest Jiaotong Üniversitesi, 2018.
Wu Tianli. Çok yönlü filtre yama anteninin tasarımı ve araştırması. Guangzhou: Güney Çin Teknoloji Üniversitesi, 2018.
Pei Lei, Ge Wenping, Reyhan Bektur, ve diğerleri.Çift çentikli ultra geniş bant mikroşerit anten.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2019, 45 (4): 48-51.
Chen Ming, Wang Caifang, Liao Cong, ve diğerleri.Fraktal yapıya dayalı çok bantlı mikroşerit anten. Xi'an University of Posts and Telecommunications, 2016, 21 (4): 72-76, 95.
Wang Shuai, Wang Eryong. Tamamlayıcı bölünmüş halka açısı kodlamasına dayanan çipsiz RFID etiket tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (7): 24-27, 33.
Qi Bensheng, Han Yan, Tan Junyan, vb. SAW sıcaklık sensörü sıcaklık ölçüm sisteminde anten tasarımı Elektronik Teknolojisi Uygulaması, 2018, 44 (1): 91-95.
Lin Bin, You Baiqiang. Üç bantlı yüksek kararlılıklı radyasyon bölünmüş büyüme fraktal mikroşerit anteni Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (7): 11-15.
Shen Xuangang, Su Jun, Wang Zhan. Eş düzlemli dalga kılavuzu ile beslenen üç bantlı mikroşerit anten tasarımı. Kablosuz Ara Bağlantı Teknolojisi, 2016 (3): 88-89.
Cao Weiping.Geniş bant minyatürleştirilmiş anten ve dizi teknolojisi üzerine araştırma Chengdu: Çin Elektronik Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, 2012.
Dong Li. Minyatürleştirilmiş Geniş Bant Anten ve Koch Fraktal Anten Araştırması Xi'an: Xidian Üniversitesi, 2013.
Zhou Tingting, He Yigang, Zhang Nan, vd.Bir yüzey akustik dalga sensörü için Minkowski fraktal mikroşerit anteni.Sensors and Microsystems, 2018, 37 (6): 66-68.
Zhao Bo. Ultra geniş bant ve çok frekanslı antenlerde fraktal teknolojinin uygulanması Harbin: Harbin Institute of Technology, 2007.
Ma Chao, Sun Yaoqin, Hao Ning. HFSS'ye Dayalı Hilbert Fraktal Anten Tasarımı. Elektriksel Ölçüm ve Enstrümantasyon, 2017, 54 (11): 116-123.
Jiang Yu, Bai Xuewei UHF bandı ve mikrodalga bandına dayalı tiplendirilmiş antenler üzerinde araştırma Bilgi Teknolojisi, 2011, 35 (5): 12-15.
yazar bilgileri:
Tang Zhen, Wang Lixin, Tang Tianyu
(İletişim Mühendisliği Okulu, Hangzhou Dianzi Üniversitesi, Hangzhou 310018, Zhejiang)
