Здравствуйте, друзья. С Вами Тимур Гаранин, автор образовательных материалов по радиотехнике и техническим дисциплинам. Полагаю, что большинство тех, кто меня слышит, уже со мной хорошо знакомы. Поэтому перейдём сразу к делу.
Несколько лет назад вышла моя книга, посвящённая фрактальным антеннам и линиям задержки. Книга получила исключительно положительные отзывы, и с тех пор интерес аудитории только возрос к этой теме.
За несколько последних лет было собрано ещё больше потрясающего материала, не только теоретического, но и практического. И весь этот материал великолепно дополняет и теорию, и математический аппарат, который был описан в предыдущей части книги.
https://crit1.ru/fractal/fractal2.html
Не теряя времени, сразу перейдём к самой книге и пройдёмся по её содержимому.
В первой главе новой части мы вспоминаем о том, что фрактальная антенна представляет собой самоподобную структуру вложенных друг в друга антенн. Но в этот раз мы рассматриваем колебательные системы не с точки зрения проволочных антенн, а с точки зрения объёмных резонаторов, объединённых в одну систему.
Убеждаемся, что применение гребенчатых и иных объёмных линий задержки приводит к эффектам, схожим с эффектами от применения фрактальной линии задержки. Показываем разницу между одночастотной колебательной структурой и структурой с множеством резонансов.
Рассматривая фрактальные антенны с этой точки зрения мы ещё лучше начинаем понимать и чувствовать их природу.
Следующая глава посвящена важнейшей теме – пониманию АЧХ фрактальных антенн. Мы детально разбираем, что происходит с характеристикой антенны каждый раз с увеличением количества итераций фрактала. Рассматриваем промежуточные резонансы и такое уникальное явление как сплошной диапазон гармоник, находящийся значительно выше основных резонансов. Он нам ещё сильно пригодится.
На основании натурных измерений, проведенных радиолюбителем Максимом Микешиным, подтверждаем все перечисленные элементы частотной характеристики на практике и делаем выводы относительно зависимости глубины резонансов от качества полотна антенны.
Далее мы обсуждаем способы подключения фрактальных антенн к фидеру. Известный способ подключения по методу Натана Коэна к центральной точке антенны как минимум не является единственно верным. Я показываю, что такой способ противоречит естественному закону соединения сегментов полотна.
Мы исследуем естественный закон соединения сегментов фрактального полотна, приходя к выводу, что он гораздо удобней как для подключения к фидеру, так и для соединения сегментов между собой.
Понимание естественного закона соединения сегментов позволяет нам любую линейную антенну преобразовать во фрактальную. Или построить из фрактальных сегментов антенну, соответствующую любой желаемой форме.
Соединяя сегменты по естественному закону или вычленяя их из сплошной фрактальной структуры высшего порядка, мы можем создавать производные структуры, в основе которых не было никакой начальной линейной антенны. Но эти производные структуры, во-первых, сами вполне могут работать как антенны, а во-вторых позднее нам очень пригодятся.
Фрактал позволяет управлять входным сопротивлением антенны. Из прошлой части книги мы помним, что применение фрактала снижает активное сопротивление антенны. И это свойство становится очень полезным, когда нам нужно согласовать высокоомную антенну с низкоомным фидером.
Мы можем уменьшать входное сопротивление антенны, регулируя тип, структуру и глубину фрактала. А также можем увеличивать сопротивление путём последовательного соединения фрактальных сегментов.
Автоматизированных методов моделирования, которые корректно бы определяли характеристики фрактальных антенн, до сих пор не существует, поэтому полагаться приходится только на известный нам математический аппарат, описанный в первой части книги, и на алгоритм проектирования фрактальных антенн, о котором поговорим далее.
В следующем подразделе обсуждаем возможность подключения фрактальной антенны при помощи гамма-согласования. Говорим о том, зачем нам может понадобиться расчленять фрактальное полотно, о методе, противоположном наращиванию сегментов.
За этим следует глава, посвящённая управлению диапазоном частот. Мы детально разбираем, какие изменения в АЧХ антенны вызывает удлинение полотна, наращивание сегментов, масштабирование антенны и увеличение глубины фрактала. Понимание этих принципов позволяет нам добиться практически любого изменения диапазона частот в рамках разумных габаритов фрактальной антенны.
Управление диаграммой направленности – тема следующей главы. Обсуждаем возможность создания широкополосных коллинеарных синфазных систем, фрактальных антенн на основе турникетных и решётчатых диполей, а также возможность создания вертикальных стеков излучателей. Как при помощи последовательного соединения фрактальных сегментов в вертикальную структуру, подобную коллинеарным антеннам или квадосу, создать широкополосную систему с хорошей диаграммой направленности.
Дальше возвращаемся к самому известному типу фрактальных антенн – крестовидным антеннам. Данный тип антенн лучше всего подходит для проволочного исполнения, поэтому размышляем о том, как минимизировать усилия при изготовлении этих антенн при помощи элементарного шаблона.
После чего переходим к анализу пересекающегося полотна крестовидных антенн. Проводим сравнение непересекающихся элементов и пересекающихся, оцениваем их с точки зрения фазировки тока в пространстве на основных резонансных частотах.
На первый взгляд анализ токов в подобных пересекающихся структурах свидетельствует об их лучшей фазировке, нежели у непересекающихся крестовидных антенн. Как минимум, в проволочном исполнении они ни в чём не проигрывают, обеспечивают более глубокие резонансы, и потому достойны внимания.
Формулируем краткий алгоритм изготовления крестовидной фрактальной антенны в проволочном исполнении, на шаблоне, с регулировкой параметров, управлением диаграммой направленности и с учётом всех факторов, которые так или иначе повлияют на результат.
Иногда может возникнуть необходимость создать новый фрактал со свойствами, отличными от существующих. Если не брать во внимание сложные фракталы, основанные на криволинейных функциях, то в самом простом виде создание фрактала сводится к замене прямолинейного участка на ломаную, состоящую из более мелких прямолинейных участков.
На основе этого принципа показываю пример того, как можно создать новый произвольный фрактал.
Важнейшей теме посвящена следующая глава – взаимодополняющим частотным свойствам фрактальных антенн. Фракталы выгодно отличаются от хаотических структур своим порядком. Именно благодаря этому порядку мы получаем порядок и на частотной характеристике. Фрактальная антенна имеет гребёнку из основных резонансов, на частоте которых она принимает хорошо, а между резонансами фрактальная антенна имеет пробелы на АЧХ.
Это свойство позволяет нам подобрать вторую фрактальную антенну, резонансы которой будут соответствовать пробелам в АЧХ первой антенны. Тем самым, при помощи взаимодополняющих фрактальных структур мы получаем сплошное согласование в сверхшироком диапазоне частот.
Рассматриваем, как сделать это на практике – простым параллельным соединением антенн разного размера и с разным количеством итераций, либо гораздо умнее – взаимной интеграцией в одну структуру сегментов одного и того же фрактала, но с разной глубиной.
В следующей главе рассматриваем возможность применения фрактальных фидеров, делителей и трансформаторов сопротивления. Каким образом можно уменьшить размер полоскового экспоненциального трансформатора, не ухудшая его свойств. Как уменьшить размеры рупорных и антенн Вивальди, без потери, а то и с улучшением их характеристик.
Освещаем плоские трансформаторы сопротивления в форме спиралей, круглых и квадратных.
И далее подходим к следующей главе, посвящённой одному из самых перспективных типов антенн – спиральных фрактальных антенн.
Объясняем физику введения в полотно спиральной антенны линии задержки, состоящей из спиралей, иначе говоря, малых спиральных антенн. Как это влияет на входное сопротивление и на частотный диапазон.
Рассматриваем варианты плоских спиральных антенн с переменным ходом витков. Как влияет на частотную характеристику линия задержки переменной интенсивности или переменный ход витков.
Какова диаграмма направленности фрактальных спиральных антенн.
Антенны плоского прямоугольного форм-фактора и пары антенн для дуплексной связи.
Гиперширокий диапазон частот, великолепное согласование, эффективное использование ресурсов платы и пространства – вот какие преимущества предлагают плоские прямоугольные спиральные фрактальные антенны.
Рассматриваем возможность создания решеток, как синфазных, так и фазированных, на основе фрактальных спиральных излучателей.
Касаемся темы трёхмерных спиральных антенн. Использование спирали в качестве полотна для спиральных, штыревых и петлевых антенн. Когда это оправдано, а когда нет. Какая антенна с фрактальным полотном позволяет в основе своей получить сверхширокий диапазон частот с приемлемой диаграммой направленности.
В следующей главе обсуждаем коллинеарные системы на основе фрактальных антенн, и решетки с фрактальными фидерами.
Так как одной из функций фрактала в полотне есть создание антенной системы малых размеров, то мы просто обязаны направить свой взор в сторону сверхкомпактных антенн.
Рассматриваем сперва простые фрактальные диполи, затем погружаемся в тему ЕН и магнитных антенн, и синтезируем на их основе фрактальные ЕН-антенны.
Открываем для себя, что при помощи небольших подстроечных элементов мы можем точно регулировать частотные характеристики фрактальных антенн, сдвигая АЧХ в нужную сторону и добиваясь идеального совпадения резонансов и других характеристик.
Подходим к такой актуальной в современном мире теме как корпус-антенна. Показываем, как с помощью фрактальных антенн можно эффективно использовать поверхности приборов, наделяя эти приборы выдающимися свойствами в отношении широкополосности и управления диаграммой направленности.
Рассматриваем пару вариантов простых широкополосных генераторов импульсов.
В следующей главе начинаем изучать фрактальные антенны направленного типа. Рассматриваем известные примеры волновых каналов с крестовидными излучателями и их характеристики.
Обсуждаем проблему пропорций для волновых каналов, основанных на фиксированной длине волны.
Затем переходим к активным директорным системам, менее зависимым от длины волны. И на их основе строим компактные направленные широкополосные фрактальные антенны. Рассматриваем также возможность создания активных директорных систем с излучателями на печатных платах.
На основании направленной широкополосной антенны бегущей волны Кузнецова создаём такую же антенну с фрактальными излучателями.
А далее переходим к логопериодическим системам. Используя уже известные принципы построения логопериодических антенн, которые по своей природе уже являются самоподобными, создаём ещё более компактные и широкополосные фрактальные логопериодические системы.
На этом перспективные направления не заканчиваются. Переходим к конусным, дискоконусным, экспоненциальным объёмным антеннам. Сами по себе они уже являются широкополосными. Но как можно ещё сильнее расширить их полосу частот, не увеличивая размер?
Так же как и в рупорных антеннах и волноводах – необходимо применить замедляющую структуру к поверхности объёмной антенны, и мы получаем сверхкомпактную гиперширокополосную антенну с полностью предсказуемой диаграммой направленности. К тому же на их основе можно легко создавать коллинеарные системы, ещё сильнее улучшая ДН.
Предпоследняя глава этой части книги посвящена теме, которую я не имел права обойти стороной – оптическим антеннам. Классические полупроводниковые фотоэлектрические панели могут охватить лишь небольшую часть излучения с ограниченным диапазоном уровней энергии. Большую часть энергии солнечного излучения они теряют.
На смену полупроводниковым панелям приходят антенны нанометрового диапазона, способные резонировать на частотах оптического и инфракрасного излучения, детектируя энергию при помощи террагерцовых МДМ-диодов.
Однако МДМ-диоды – самая дорогая часть антенны, а размер элементов полотна ограничен уровнем развития техники.
И вот тут нас и спасают фрактальные антенны. Фрактальная антенна, будучи структурой из более мелких антенн, работает как единое целое. Благодаря своей гиперширокополосности легко охватывает диапазон от микроволнового и теплового изучения до ультрафиолетового. Способность работать в диапазоне гармоник, на частотах, превышающих частоты основных резонансов, позволяет упростить технологический процесс. Не говоря уже о более рациональном использовании пространства и возможности подключения всей структуры к одному детектору.
Завершает книгу глава, в которой мы подбираем комплексный подход к созданию фрактальных антенн. Несмотря на великое разнообразие типов фрактальных антенн опорный алгоритм их проектирования и доводки всё-таки будет полезен.
И после заключения я счёл уместным добавить таблицу с основными формулами, используемыми в математическом аппарате при создании фрактальных антенн. Чтобы в случае необходимости не искать их по всей книге.
Возможности, которые открывают перед нами фрактальные технологии, впечатляют. Речь идёт уже не только о создании сверхширокополосных антенн компактного размера. Теперь мы можем наделить любой прибор, гаджет, бытовую технику, невиданными доселе свойствами. Любую поверхность можно превратить в сверхширокополосный узел связи. А в ближайшем будущем и в источник энергии.
Настоятельно рекомендую книгу к изучению всем радиотехникам, всем специалистам в точных науках, физикам, математикам, программистам. Материал в прямом смысле уникален.
На этом я буду завершать обзор. Делитесь этой информацией с Вашими знакомыми. Пишите отзывы о книге после прочтения.
Исследуйте, создавайте фрактальные антенны, анализируйте, делитесь результатами! Удачи, друзья! И спасибо, что остаётесь со мной и помогаете двигать науку вперёд.
