Колесов В В, Крупенін С В, Петрова Н Г, Потапов А А Інститут радіотехніки й електроніки РАН Мохова вул, Д 11, к 7, м Москва, 125009, Росія тел: +7 (495) 2034716, e-mail: kvv@cplireru

Анотація – Розроблено методику побудови відтворюваних нерегулярних фрактальних структур для антенного проектування Проведено чисельний аналіз характеристик антен на основі цих фрактальних структур Досліджено вплив зміни положення точки збудження на просторово-частотні характеристики антен

I                                       Введення

Проблема переходу до надширокосмугові сигналам особливо актуальна в радіолокації, де використання надширокосмугових сигналів дозволяє значно збільшити кількість інформації про мету і перейти до отримання її радіоізображенія, що недоступно для традиційних вузькосмугових сигналів Не менш актуальне використання надширокосмугових сигналів у радіозвязку, наприклад, для організації кількох незалежних каналів звязку в загальній смузі частот При цьому сверхшірокопо-лисніють сигнали дозволяють легко усунути недоліки комунікаційних систем, повязані з багатопроменевим поширенням радіохвиль

Фрактальні антени надзвичайно ефективні при розробці понадширокосмугових радіолокаційних і телекомунікаційних систем Ключові особливості фрактальних антен – це компактність, багатодіапазонними і широкополосность Вони є наслідком основних властивостей фракталів: самоподібності і скейлінга Крім того, фрактальні антени дозволяють за рахунок зміни геометрії і положення точки збудження варіювати такі характеристики, як положення частотних діапазонів, форма діаграми спрямованості і ширина робочої смуги [1, 6]

Рис 1 Конструкція нерегулярної фрактальної антени

Fig 1 Configuration of irregular-shaped fractal antenna

II                              Основна частина

в справжній роботі за допомогою чисельного моделювання досліджені фрактальні антени, засновані на нерегулярних фракталах Запропоновано алгоритм побудови повністю відтворюваних нерегулярних фрактальних структур – псевдовипадкових фрактальних кластерів Алгоритм реалізує модель кластер-кластерної агрегації [2] і використовує дискретне хаотичне відображення з запізненням [3] ДЛЯ формування псевдослучайной целочисленной послідовності Антена у формі фрактального кластера розташована на заземленою із зворотного боку підкладці Збудження антени здійснюється за допомогою коаксіальної ЛІНІЇ із зворотного боку підкладки (див рис 1)

Досліджено частотні характеристики антен на основі фрактальних кластерів з фрактальними розмірностями 15 і 19 в інтервалі частот від 01 до 20 ГГц Залежності повного вхідного опору і вхідної коефіцієнта відбиття від частоти (див рис 2) виявляють більше 10 діапазонів різної ширини і ступеня узгодження Від регулярних фрактальних антен [1, 4-6] досліджені антени вигідно відрізняються великою кількістю частотних діапазонів і меншими варіаціями вхідного опору, що полегшує проблему узгодження

Форма діаграми спрямованості антен сильно залежить від частоти Переважно спрямованість випромінювання характеризується Багатопелюсткова-ми структурами вздовж основних площин В цілому діаграма спрямованості має тенденцію до збільшення кількості пелюсток з зростанням частоти На частотах вище 15 ГГц форма діаграми спрямованості наближається до всенаправленной На відміну від регулярних фрактальних антен Серпін-ського [5, 6] у досліджених антен форма діаграми спрямованості залежить від частотного діапазону, що може бути використано для просторового розділення частотних каналів Даний ефект, мабуть, повязаний із спотворенням розподілів струму і поля при зміні частоти

Рис 2 Вхідний опір і коефіцієнт відбиття нерегулярної фрактальної антени

Fig 2 Return loss and input impedance of irregularshaped fractal antenna

Досліджено характеристики антен при зміщенні точки збудження Показано, що при малому зміщенні точки збудження (на відстань близько сотої частки лінійного розміру антени) зберігається розташування основних частотних діапазонів При цьому форма діаграми спрямованості в цих діапазонах зазнає істотні зміни Таким чином, зявляється можливість управляти діаграмою спрямованості антен в деяких частотних діапазонах Більш значні зсуви точки збудження (на відстань близько десятої частки лінійного розміру антени) впливають на ширину і розташування основних частотних діапазонів антен У цьому випадку зявляється можливість цілеспрямовано змінювати частотні характеристики антен

III                                  Висновок

Розроблено методику побудови відтворюваних нерегулярних фрактальних кластерних структур Фрактальні антени на основі даних структур досліджені за допомогою чисельного моделювання Показано, що вони є широкосмуговими і багаточастотними зважаючи самоподібності вхідного опору і коефіцієнта відбиття в декількох частотних діапазонах

Показано, що зміщення точки збудження антен дозволяє здійснити управління їх просторово-частотними характеристиками, що може бути використано при вирішенні завдань синтезування антеною апертури

Робота виконана за фінансової підтримки РФФМ, проекти 04-07-90161 та 06-07-08109

IV                           Список літератури

[1] Потапов А А Фрактали в радіофізики та радіолокації: Топологія вибірки М: Університетська 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] Гуляєв Ю В, Бєляєв Р В, Воронцов Г М та ін Інформаційні технології на основі динамічного хаосу для передачі, обробки, зберігання та захисту інформації Радіотехніка та електроніка, 2003, т 48, № 10

[4] Гуляєв Ю В, Нікітов С А, Потапов А А, Давидов А Г Про проектування фрактальних радіосистем Чисельний аналіз електродинамічних властивостей фрактальної антени Серпінського Радіотехніка та електроніка, 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@cpllreru

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 15 and 19 is studied by means of numerical analysis within the frequency range of 01-20 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

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р