Многодиапазонные и широкополосные свойства фрактальных антенн и частотно-избирательных структур на их основе

В.1.

Актуальность темы

.

Одной из основных задач современной радиоэлектроники является синтез широкополосных радиосистем и широкополосных радиосигналов с последующей их обработкой.

Расширение полосы частот обусловлено современными тенденциями в развитии радиолокации, телекоммуникаций, радиотехники [1−42] с целью повышения скорости передачи информации, повышения уровня помехозащищенности и емкости радиосистем, а также защищенности передаваемой информации.

Применение новых методов в радиофизике на основе математического аппарата дробных операторов, а так же понятия фрактал [2], введенного Б. Мандельбротом [Mandelbrot, 1975], позволило расширить класс широкополосных радиосистем за счет скейлинговых эффектов таких фрактальных структур. Радиофизические направления, связанные с применением теории дробной размерности, эффектов сксйлинга открывают новые пути совершенствования действующих радиосистем и обеспечивают переход к принципиально новым фрактальным радиосистемам.

Неотъемлемым устройством любой радиосистемы являются антенные устройства. Фрактальные антенны обладают чрезвычайно интересными свойствами в области широкополосности и многодиапазонности. Первые упоминания о фрактальной антенне и фрактальной решетке появились в работе Й Ким, Д. Л. Джаггард [Jaggard] «Фрактальные случайные решетки» / ТИИЭР. 1986, Т.74, № 9, с. 124−126.

Помимо чисто научных интересов, при этом имеют место и практические приложения к решению радиолокационных и телекоммуникационных задач, а также проблемам мониторинга сред на различных пространственновременных масштабах. В отличие от традиционных методов, когда синтезируются гладкие ДН антенны, в основе теории синтеза фрактальных 7 антенн заложена идея реализации характеристик излучения с повторяющейся структурой на произвольных масштабах. Это дает возможность создавать новые режимы во фрактальной электродинамике (термин введен D.L. Jaggard, США, 1990). С этого времени поток публикаций по анализу и синтезу многообразных фрактальных антенн начал расти лавинообразно. К примеру, в известном журнале IEEE Trans. «Antennas and Propagation» каждый год публикуется не менее 5−8 статей по фрактальным антеннам, особенно в последнее десятилетие. В России широкое применение в радиофизике, радиотехнике и электронике фрактальный подход получил в ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН, начиная с 1979 г. [д.ф.-м.н., профессор А.А. Потапов].

Анализ литературных источников показывает, что тема диссертации является актуальнойа исследования в данном направлении проводятся по большей части исключительно иностранными авторами. Следует заметить, что в 1992 году А. А. Потапов совместно с ЦКБ «Алмаз» проводил разработку таких необычных (для того времени) фрактальных антенных структур (конкретно был изготовлен действующий макет фрактальной щелевой решетки в диапазоне ММВ). На данный момент в лаб. № 343 ИРЭ РАН ведутся интенсивные исследования по всем возможным применениям теории фракталов, дробных операторов и скейлинговых эффектов в радиофизических задачах.

Основной задачей, в частности, является анализ и синтез таких «фрактальных радиосистем» [А.А. Потапов, 2002] и фрактальных элементов, получивших название «фрактальные импедансы». В широком понятии к «фрактальным импедансам» следует относить и фрактальные антенны, которые при их микроминиатюрном исполнении могут служить весьма эффективными частотно-избирательными поверхностями и средами. В частности, применение элементарных фрактальных рассеивателей, позволяет создавать новые типы киральных сред и магнонных кристаллов.

Таким образом, работа относится к одному из перспективных направлений современной радиофизики — исследование электродинамических свойств фрактальных (с дробной размерностью Хаусдорфа) пространственно-распределенных и частотно-избирательных структур.

Анализ литературных источников также показал, что тема данной диссертации является актуальной и перспективной для практического применения. Исследования в данном направлении проводятся многочисленными исследователями за рубежом, но в России представлено немногочисленными работами (в основном, работами сотрудников ИРЭ им В. А. Котельникова РАН).

В.2. Фрактальные антенны.

Первые упоминания о применения фрактальных множеств в создании антенных решеток появились в работе Й Ким, Д. Л. Джаггард [Jaggard] «Фрактальные случайные решетки» / ТИИЭР. 1986, Т.74, № 9, с. 124−126. Использование фрактальной геометрии в конструировании антенн позволяет эффективно реализовывать широкополосные и многодиапазонные свойства за счет самоподобия и миниатюрности структуры. Многообразие видов регулярных фрактальных множеств открывает дополнительные конструктивные и электродинамические возможности в проектировании антенн: см., например, кривая Минковского [Cohen, 1995; Best, 2003], салфетка Серпинского:[РиеШе et al. 1996, Song et al. 2003; Anguera at al., 2004], кривая и снежинка Коха [Puente at al., 1998, Cohen. 1999; Best, 2003; Borja & Romeu, 2003], кривая Гильберта [Anguera et al., 2003; Zhu et al., 2003], кривая neaHo[Zhu et al., 2004], дерево Кейли [ А. А. Потапов и др. 2006].

Вызывает интерес предположение ученых Коена (Cohen) и Хохлфелда (Hohlfeld), выдинутое в 1999 году [1]. Они предположили, что согласно принципу Рамсея (V.H. Rumsey) все антенны, геометрическая структура которых зависит только от угла, могут быть «частотно независимыми» или постоянными по своим характеристикам независимо от частоты. Как видно из Рис. 1. это предположение так же будет верно и для логопериодической антенны. Но для фрактальных антенн этого утверждения явно не достаточно.

Под него попадают уже не только логопериодические антенны, но и спиральные, а так же волнообразные, спиральные антенн Дайсона. Класс логопериодических антенн является лишь небольшой частью большого класса самоподобных, относительно точки, геометрических структур.

Рис. 1. Множество самоподобых структур. В. З. Цель работы.

Целью данной научной работы является:

• исследование применимости классических фрактальных множеств и кривых для синтеза фрактальных антенн;

• разработка геометрии выбранных фрактальных множеств для конструирования антенн и построение её компьютерной модели в Системах автоматизированного проектирования (САПР): EDEM 3D,.

• исследование электродинамических свойств сконструированных моделей фрактальных антенн путем их численного моделирования;

• анализ выявленных особенностей и зависимостей свойств антенн от параметров фрактальности выбранных фрактальных кривых и множеств.

HFSS.

Исходя из поставленных целей, в процессе исследовательской работы на основе соответствующих кривых были смоделированы следующие фрактальные антенны:

• монополь «Серпинского» (Салфетка Серпинского) — классический случай;

• диполь «Серпинского» (Салфетка Серпинского);

• диполь «Дерево Кейли» (множество Кейли);

• кольцевой монополь.

Также исследованы радиофизические свойства этих фрактальных структур при взаимном повороте и различном числе базовых фрактальных элементов.

В.4. Научная новизна.

Научная новизна данной работы заключается в применении новых видов фрактальных структур для создания новых типов антенн: дерево Кейли, кольцевой монополь и др.

Показана возможность практической реализации таких антенн в радиодиапазоне.

Выявленные электродинамические свойства (диаграмма направленности, КСВ, импеданс) исследованных фрактальных антенн позволили сделать выводы о широкополосности и многодиапазонности фрактальных антенн, а также зависимости числа резонансов от порядка итераций фрактальной кривой.

В.5. Практическая ценность.

Впервые предложены новые фрактальные множества для моделирования и конструирования многодиапазонных и/или широкополосных антенн. Разработана и построена компьютерная модель для численного электродинамического анализа фрактальных антенн структур для диапазона частот 0,1 — 20 ГГц, что существенно упрощает процесс изготовления макета такой антенны.

Благодаря высокой плотности элементов антенн и их миниатюрности, а так же широкополосным и многодиапазонным свойствам, перспективно использование таких фрактальных антенн в средствах радиолокации и радионавигации, а также RFID-метках (радиочастотных идентификационных метках).

Результаты численного моделирования могут служить для более глубокого дальнейшего детального теоретического и экспериментального изучения таких структур, так как теория фрактальных антенн на данный момент в мире практически не развита.

В.6. Личный вклад.

Личный вклад автора заключается:

• выборе анализируемых фрактальных множеств («дерево Кейли», кольцевой монополь);

• создании математических моделей фрактальных структур;

• разработке текста программ для параметризации фрактальной геометрии исследуемых частотно-избирательных структур;

• проведении серии численных экспериментов на основе созданных моделей в САПР AntSoft HFSS, EDEM 3D,.

• а так же в обработке полученных результатов.

Интерпретация полученных научных результатов осуществлялась вместе с соавторами публикаций.

В.7. Положения, выносимые на защиту.

1. Методы генерации фрактальных структур и их компьютерные модели: салфетка Серпинского, дерево Кейли, кольцевые структуры.

2. Результаты численного моделирования антенн с фрактальной геометрией (дерево Кейли, салфетка Серпинского, кольцевые структуры) в диапазоне частот 0,1 -20 ГГц.

3. Зависимость числа резонансов фрактальной структуры от числа итераций, элементарной фрактальной структуры.

4. Результаты исследования характеристик фрактальных частотно-избирательных структур на основе дерева Кейли.

В.8. Апробация работы.

Основные результаты проведенных исследований данной диссертации были представлены расширенными тезисами на следующих международных конференциях: XII Международная конференция по спиновой электронике и гировекторной электродинамике (Фирсановка, МЭИ (ТУ), 2003) — XIV и XV Международная студенческая школа-семинар (Судак, МИЕМ, 2006 и 2007) — XI Международный молодежный форум (Харьков, ХНУРЕ, 2007) — Second European Conference on Antennas and Propagation EuCAP-2007 (Edinburgh, UK, The Institution of Engineering and Technology & EurAAP AISBL, 2007) — XIV Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, НПФ «Саквоее», 2008) — 2nd Internationl Conference «CHAOS-2009» on Chaotic Modeling, Simulation and Applications (Chania, Crete, Greece, National and Kapodistrian University, 2009) — «Progress in Electromagnetics Research Symp. (PIERS 2009)» (Moscow, MIREA, 2009) — International Radar Symposium 2009 (IRS-2009) (Hamburg, Germany, TUHH, 2009) — а также на следующих всероссийских конференциях: XLVI и XLVIII научная конференция МФТИ, (Долгопрудный, МФТЩГУ), 2003 и 2005) — IX Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах» (Звенигород, МГУ, 2004) — конкурс молодых ученых им. И. В. Анисимкина (Москва, ИРЭ им. В. А. Котельникова, 2006)-VIII Всероссийская научно-техническая конференция «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем «ДНДС-2009» (Чебоксары, ЧГУ, 2009).

В.9. Публикации.

Основные результаты работы отражены в 3 статьях, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК, и 16 тезисах Международных и Всероссийских конференций. Общее количество работ — 19. Список работы приведен в конце диссертации под индексами А1 — А19.

В.10.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Полный объем диссертации составляет 102 страницы, в том числе 50 рисунков, 14 таблиц, библиографический список цитированных источников из 61 наименований, в том числе 19 публикаций автора по теме диссертации.

Основные результаты диссертационной работы можно сформулировать в следующих выводах:

1. Предложены новые фрактальные множества для конструирования антенн: дерево Кейли, кольцевой монопольв диапазоне частот 0,1 — 20 ГГц.

2. Разработан текст программы для компьютерного моделирования параметрической фрактальной частотно-избирательной структуры в САПР EDEM 3D, .Antsoft HFSS v. 10.

3. Полученные характеристики позволили сделать выводы о диапазонных свойствах антенн:

— Диполь Серпинского: (Z)=Log (3) / Log (2), размеры апертуры 19×11 см., рабочие частоты, ширина полосы пропускания) имеет ряд резонансов кратных итерации фрактала.

— Дипольная антенна дерева Кейли является более узкополосной, чем антенна на основе салфетки Серпинского, поскольку имеет небольшие полосы пропускания (25/ If ~ 1%), диапазоне частот 0,1−20 ГГц. Тем не менее, такая фрактальная антенна достаточно привлекательна для конструирования частотно-избирательных поверхностей и задач радиолокации.

4. Кольцевые монополи по сравнению с деревом Кейли обладают более широким диапазоном излучения (рабочий диапазон от 3 — 11 ГГц) и полосой пропускания (25/If ~70%).

5. С увеличением значения фрактальной размерности от D = 2 до D = 3, логарифмически возрастает число резонансов данной структуры, расширяется полоса пропускания.

Фрактальные антенны являются не только перспективными с теоретической точки зрения, но и обладают большой практической пользой, благодаря свойствам самоподобия резонансов. Их применение не ограничивается приемно-передающими функциями. Фрактальные структуры могут быть использованы так же как радиолокационные экраны, искажающие радиопортреты исследуемых объектов.

Кроме того, анализ публикаций о фрактальных антеннах позволяет сделать вывод о целесообразности исследований фрактальных структур в качестве частотно-избирательных поверхностей. В частности, имеющиеся результаты моделирования антенны дерева Кейли, не ограничивают возможность использования этой структуры в качестве частотно-избирательной поверхности.

Фрактальные частотно-избирательные поверхности и объемы (особенно в микроминиатюрном исполнении) перспективны для синтеза радиопоглощающих покрытий и материалов, а так же для создания новых искусственных композитов и метаматериалов с использованием понятия «фрактальных лабиринтов» с элементами теории перколяции. При этом одним из наиболее перспективных на сегодняшний день является эволюционное проектирование на основе генетических алгоритмов в задаче синтеза фрактальных частотно-избирательных поверхностей [22].

Заманчивым так же, представляется рассмотрение и применение таких фрактальных объектов в нанотехнологиях.

Заключение

.