5 g通信:Fractal-Shaped PPDR应用程序的天线

文摘

在这项研究中,一个方法使用基于分形天线覆盖几种公共保护和救灾(PPDR)通信。专门的天线形式,必要的5 g天线设计的实现,增强适应特定应用程序的需求。雇佣fractal-shaped天线允许我们完成所有这些操作,这要求紧凑、保形和宽带高性能设备。天线由科赫曲线的分形进行了研究。为了实现PPDR通信5 g技术,频率带宽的重要性已被精心挑选并妥善包括在MATLAB环境下的天线的发展。天线设计师所需的重要信息,如360度方向在不同频率,阻抗(电阻和电抗)感兴趣的带宽,以及电压驻波比(电压驻波比)为偶极感兴趣的带宽,一个迭代,two-iteration科赫曲线,分别。方向性的特点在选定的频率也突出显示。为了最大化天线参数,本研究成功地提出了利用分形天线,使用分形的自相似性属性的对象在几个频率范围为最佳操作。天线的研究,我们得到以下结果有关的最大涨幅dBi(比例的单位收益之间的天线相比,一个各向同性天线的增益)。偶极子天线,收益是2.73 dBi和4.76 dBi 460 MHz和770 MHz,分别。 The gains for one-iteration fractal Koch antenna are 6.91 dBi and 4.51 dBi at 460 MHz and 770 MHz, respectively, and finally, for two-iteration fractal Koch antenna, the gains are 4.91 dBi and 3.28 dBi at 460 MHz and 770 MHz, respectively. Moreover, the impedance along the bandwidth is approximately 360 Ohms for two-iteration fractal Koch antenna, 180 Ohms for one-iteration fractal Koch antenna, and 140 Ohms for dipole antenna, respectively.

1。介绍

今天,现代社会需要越来越多的信息。显然,客户,政府,也对信息的存储库。无论我们谈论的是访问娱乐信息或PPDR(公共保护和救灾)信息,信息来源的链接是不允许,从客户的角度来看,延迟或无法访问它们。此时此刻,我们每个人都有一个智能通信终端,通过它我们访问应用程序来促进我们的日常活动。

在这种背景下,作为一个收发器的重要组成部分,天线必须有一个合适的设计相应功能。

它c环境已经开始一段时间以前开发项目的大部分时间每天,一个人可以采取的行动。因此,并行的可能性的活动诞生了。此外,社交媒体应用程序已经开发出令人印象深刻的是在过去的十年里因为他们允许人们相互联系和彼此分享各种信息。剖面研究表明,4 g技术执行双重信息的用户流量相比,用户的另一种类型的通信1]。

在艺术的状态,比较我们在这项研究中获得的结果和其他作者从科学专业文献的欢迎。因此,大小,形状,和增益通常比[更好或更2,3),还强调了在更深入全面的文献回顾了这一次在接下来的章节,参考引用文本中具体的比较。我们的价值观可以结果”一章中找到。

如今,移动运营商发展基础设施,允许它c突然发展环境。出于这个原因,客户今天显示越来越密集的网络,需要更大的高机动能力,无处不在的覆盖率,低延迟,大量的附属设备,能耗低,指数开始时是决定性的。

因此,为了优化生产成本,在本文档中,拟设计一个fractal-shaped天线可用于在不同的频段通信。

几何形状如Sierpinski的三角形,科赫曲线,康托尔的集合可以很容易地定义天线或天线网络促进跨多个通信频率范围如果适当的大小。

5克的研究描述了目标通信、分形几何的原理,以及这些不规则的形状如何帮助通信的未来。

六章的组织工作。在介绍,fractal-shaped天线在通信领域发展的动机。第二章讨论了新兴需要5 g技术和严格的要求,必须遵循以允许大量的连接设备快速和可靠的方式进行交互。此外,第三章介绍了分形理论并给出一些必要的方程。第四章致力于分形天线,从描述科赫曲线的控制方程,列举fractal-shaped天线的优点,然后搬到分形天线的设计。

在第五章,获得的结果使用我们开发的MATLAB程序,在特定的频率带宽精心挑选为了实现PPDR 5 g通信技术。因此,读者给出天线设计师所必需的重要信息的概述,如360度方向在不同频率,阻抗带宽的兴趣,以及电压驻波比(电压驻波比)为偶极感兴趣的带宽,一个迭代,分别和two-iteration科赫曲线。方向性的特点在选定的频率也突出显示。第六章研究结论。

2。新兴的5 g的必要性

一个理想的问题在5克将波束形成实现,应该最终用户设备的方法。显然,5 g的基础设施的成本将会增加,因为大量的连接设备,事实与实际相反代沟通,今天,网络使用小功率工作。

突然,巨大的MIMO概念成为一个备份解决方案增加了带宽但不是很长一段时间的高概率发生的干扰。所以,一个好的天线设计需要避免这种现象。

毫秒延迟代表5 g的一个主要挑战。此工具出现在社会的热潮。一些当代处理器提供的可能性来实现这一目标,但物理定律的限制转移。所以,发送者和接收者应该足够接近实现这一点,和拓扑结构应该包括一个大数量的硬件设备。

至于使用的带宽,很少有间隔建议:(我)452.5 - -457.5兆赫(2)462.5 - -467.5兆赫(3)753 - 758兆赫(iv)788 - 791兆赫

每个频率范围的使用意味着特定行为的出现对电磁波的传播。一些最重要的反射和散射现象来研究,自由空间路径损耗,衍射,或材料渗透(1]。

为了为大量客户提供通信,建议智能接收器,能够区分信号的目的,或他人的噪音。这将成为一个挑战DSP或特别提款权程序员开发优化软件。

5 g技术应采用即使是PPDR通信为了提高他们在紧急情况下的响应时间(4]。

结合分形设计技术,新技术应该覆盖几乎所有从PPDR地区客户的需求。

3所示。分形理论

1977年,瑞典数学家的法国起源,Benoit Mandelbrot(1924 - 2010)发表“自然分形几何”为了提供一种新的方式来描述物体的形状如海岸线和云(5]。

分形的自相似性是最重要的属性,这意味着每次迭代分形对象必须有一个相同的观察(大多数自然对象的自相似)。因为一个分形对象不能输入一个欧氏公式,必须引入分形维数。这一概念有一个理性的价值,它是严格大于拓扑维数。

根据分离,分形维数正比于球体的最小数量,给定半径覆盖测量所需的对象。今天,数据集更可靠使用图像处理(6,7]。

曲线的长度为1,N(年代)= 1,立方体的边年代是必要的。在这个例子中,对于一个区域N(年代)= 1 /年代²立方体的边年代是必需的,体积,N(年代)= 1 /年代³立方体的边年代是必需的。

考虑d,年代从R,N(年代)=f(d)^∗sd,等一组函数N(年代)球(球)的数量年代直径(多维数据集年代侧),需要覆盖给定的集合X。然后,有一个独特的真正价值d=D_H的豪斯多夫维数X,所以,7,8]

因此,豪斯多夫维数是描述

一个对象描述了它如何占据空间的大小以及它如何可以测量(定量)。它是表示在一个理性的数字。我们可以很容易地计算出一个物体的几何尺寸(9]。一般来说,它是使用豪斯多夫维数计算的DH。

从上面的公式写的开始,更准确地说 在哪里N(年代)是方块的数目(或范围),年代是立方体的边的长度(或球体直径),然后呢D_H分别是对象的几何尺寸。

分形维数公式:允许的N(X,年代)来表示的最小系列相同的数据(球,球让我们说)的半径年代,必须包含在一组X。然后,分形维数理论正是给出 观察1:我们这里演示的连贯的分形维数的定义基本上会证明如果上限(4)可以取代一个直截了当的极限。不,这不是一个奢侈的紧急事件,和“lim啜”征集是必要的,有简单的极限集年代⟶0是不存在的8]。在结束这个话题,我们指定,有一些很好的方法快速计算的分形维数,其中我们列出一个叫计盒方法。观察2:在工程的期望方面,可以替代实际值盒维数计算的理论Hausdorff-Besicovitch维度,被计盒方法,给出简单计算。然而,分形维数计算的方面仍然超出当前研究的目的,我们将停止与这个话题有关的细节。分形用于天线设计是人工的闵可夫斯基的循环,科赫公司的曲线,Sierpinski的地毯,和Sierpinski垫片

4所示。分形天线

我们现在可以肯定,分形对象的优点之一是,它有一个无限的长度,体积的拟合在一个有限的程度。众所周知,辐射频率为每个单独的电磁发射器,取决于不同几何结构的电长度。这就是为什么,它被认为是利用分形几何的性质,我们可以增加天线的电长度(分别与波长直接连接),保持相同的天线体积。我们依靠数学观察处理,即我们有许多可能性可以尝试相同的分形天线的设计(10]。

4.1。分形几何

特定的分形描述整个结构在降低尺度的复制品。这个属性是数学上命名的自相似性,它有助于项目多波段天线。科赫的雪花是特别熟悉的自相似分形。其他分形填充空间,太空包装曲线的情况下,这使得它们迷人的小天线的设计。科赫公司的曲线是一个太空包装曲线的一个例子,已用于构建小天线(11]。

以下4.4.1。科赫公司的曲线

发起者,或者更确切地说,最初的曲线是一条直线。具体地说,在这种情况下,转换定律要求直线被分成三个相等的部分,中央部分被删除,取而代之的,没有基础被放置一个等边三角形(图1)。

在每个迭代中,每个独立的权利被认为是,和转换法应用于它。在这种情况下,4段每一个成为一个“新”的发起者,和4的支持“图像”萎缩和放置相同的规则。让我们不要忘记,我们的思想必须采取的本质过程,继续到正无穷,因为只有无穷许多步骤之后,我们获得所谓的科赫分形。这条曲线之间的无限长度和有自己的尺寸是1和2。这是一个“奇怪”的几何对象对一个人的思维,未使用的和抽象的东西。它是一个连续的曲线,没有一点不可分割,这超过了“自然”的一条线,但没有达到表面的质量11]。

适当的分形维数:这个科赫曲线分形维数的特征:df= ln (4) / ln (3) = 1.26185…。

更具体的解释是,建造这条曲线,一开始画一条直线(图中蓝色部分)。将这部分分成三个相等的部分,和中间环节被双方一个等边三角形的长度一样删除段的长度(两个红色部分中间的图)(9]。现在重复,产生的四个部分,将他们分成三个相等的部分,每个中间段和替换一个等边三角形的两面(红色部分底部的图)。

在图1科赫曲线建设基于一个特定的发电机,即订单0,1,2。

曲线的科赫曲线限制了应用这种建筑无限次数。证明,这种建设甚至产生一个“限制”是当前曲线,例如,一个紧凑的时间间隔的连续图像。

第一次迭代的科赫曲线由4份原始的事实对段,每个乘以r= 1/3。两段必须由60°,旋转一个顺时针和一个反向。

在图2科赫曲线结构,基于特定的发电机,提出了。显然,获得的长度是4/3。

尼尔斯·费边Helge·冯·科赫曲线构造(1870 - 1924)在1904年的一个例子nondifferentiable曲线,这是一个在任何时候没有切线的连续曲线。卡尔·维尔斯特拉斯1872年发布了第一个这样的曲线的存在。在中间的长度曲线n^th迭代的建设(4/3)^n,在那里n= 0表示原始长度的段。然而,科赫曲线的长度是无限的。此外,任意两点之间的长度曲线的曲线也是无限的,复制的科赫曲线之间的任何2分(12,13]。

4.2。Fractal-Shaped天线的优点

电信部门认为无线电通信的天线作为一个单独的元素,因此需要特别注意不仅在设计阶段,而且在维护阶段。

随着世界变得越来越依赖于手机设备,天线的需求已经越来越紧凑,保形,和宽带10]。一个受欢迎的方法实现这些特性的天线是利用分形的特性。

为了最大化天线的长度,使用分形天线的这项研究表明,使用分形的自相似性属性的对象在几个频率范围为最佳操作。

在fractal-shaped天线的优点,我们可以提到以下几点:(我)非常紧凑的侵位(可以弯曲线分形,所以在过程的结束,在相同的表面适合更大的线的长度)(2)高输入电阻由于长度的增加或周边4](3)低副瓣水平和宽的带宽(iv)能够实现波束形成技术由于分形recursivity [10]

根据国家权威的公共文档管理和监管的通信罗马尼亚(安共体)(49页)14],PPDR通信会使用一些带宽特定链接。那么,为什么不是所有的系统只使用一个天线带宽?这可以开发self-reconfigurable系统的可能性。

4.3。分形天线设计

分形几何在天线设计工程的支持导致了小说最近认识像fractal-electrodynamics域,这极大地影响了天线理论。传统的天线设计基于欧几里得几何图形,但小说设计来自现代分形天线工程。

分形天线得到的好处古典欧几里得几何图形无法获得发展提供准确的消费者想要的东西。

分形天线的第一重要的利润是我们可以获得超过一个共振乐队。正如我们之前说的,分形的概念可以用来降低天线尺寸,如在科赫偶极子的情况下,科赫磁单极子,科赫循环,和闵可夫斯基循环,例如。

的关系,描述了多元素天线的辐射功率如下(13]: 在哪里定义了每个元素的强度和方向,有一个连接与分形的元素空间分布。我们提到的每一个元素他整个微积分的辐射功率密度在时间确定时刻,通过矢量幅值和已知的阶段,显然。

天线阵列和分形天线的区别是经典天线使他们的顺序是共振只沿着一个带宽,和分形的障碍(由分形的元素)使fractal-shaped天线共振以及许多带宽(迭代0可以被视为一个典型的天线,并开始一个新的迭代,可以获得一个新的带宽)。

多个应用程序可以开发基于fractal-shaped天线由于其紧凑的尺寸和多波段共振。应用,如雷达、个人手机,从超宽频的分支,或5 g PPDR设备可以受益这样一个元素可以作为起点有专门的天线(对数周期,磁单极子、偶极子和补丁)。

5。结果

为了实现PPDR 5 g通信技术,提出了一些带宽安共体在罗马尼亚(14):452.5 - -457.5 MHz, 462.5 - -467.5 MHz, 753 - 758 MHz和788 - 791 MHz。

5.1。分形天线由科赫的曲线

从这个角度来看,我们设计在MATLAB R2018b中心馈电fractal-shaped天线(科赫曲线格式)观察这种情况如何解决方案符合5 g通信相比,一个偶极子。

默认情况下,MATLAB生成的偶极子的长度1米每一方,宽度0.1米。通过调整尺寸根据所需的带宽,我们获得的长度0.75米每一方,宽度0.0583米。第一次迭代后,我们观察到天线应该养肥为了获得更广泛的带宽(13]。因此,一方获得的长度是0.7米,宽度0.07米。第二次迭代实现,它可以观察到,不需要养肥。长度是一样的,每一方的0.7米,宽度也将保持0.0583米。

图3介绍了偶极子天线的元素,如模拟。

在数据4- - - - - -6360度方向(偶极子,一个迭代科赫曲线和two-iteration科赫曲线),460 MHz的频率值和频率770 MHz的价值,所示的细节。

使用分形维数可以确定共振频率除以c( m / s)到4乘以分形的有效长度10]。

数据7和8显示三维偶极子的辐射模式和阶段在460 MHz和770 MHz,分别用颜色区分时尚。

它可以观察到在图950欧姆阻抗几乎是在感兴趣的带宽(15]。

在图10,分形科赫天线(迭代1)表示,在进一步,图11描述了分形天线科赫(迭代2)。

在图5360度,一个迭代分形科赫天线方向性图形表示的是两个感兴趣的频率,分别为460和770 MHz。

数据12和13显示一个迭代分形科赫的彩色三维表示天线辐射模式和阶段在460 MHz和770 MHz,分别为(16,17]。

它可以观察到在图14阻抗的虚部为零,所以天线共振以及感兴趣的带宽。

数据15和16显示的彩色三维表示两个迭代:分形科赫天线辐射模式和阶段在460 MHz和770 MHz,分别。

图17显示两个感兴趣的带宽,天线可能不是共振,但它仍然是适合两人。

在数据9,14,17、阻抗测量欧姆(y设在)图形化表示感兴趣的乐队和频率,以GHz (17),与偶极子天线,一个迭代,two-iteration科赫的曲线。图形都有两个不同的颜色,阻力(蓝色)和电抗(红色),来区分它们。

阻抗值,从数字9,14,17,表明,偶极子天线和一个迭代科赫曲线适合使用在所需的带宽,和two-iteration科赫曲线可能在第一部分工作不佳的选择范围,但它肯定会在下半年正常工作。

电压驻波比,图18,它可以观察到,大部分的权力交付给天线是天线的辐射。第一带宽,偶极子和two-iteration分形是最合适的,而第二带宽,天线从图10是更好的。

在图18大小,以dB (y设在)图形化表示感兴趣的乐队和频率,以MHz与偶极子天线(迭代0),一个迭代,two-iteration科赫的曲线。为偶极子图形都有三种不同的颜色(蓝色),一次迭代(棕色),和two-iteration(橄榄)来区分它们。

电压驻波比的值,从图18显示,大部分的权力交付给天线是天线的辐射。第一带宽,偶极子和two-iteration分形是最合适的,而对于第二个带宽,导致天线要好得多(2,18,19]。

在图19,偶极子的回波损耗和科赫曲线评估天线,大小,以dB (y图形表示与设在)频率,以MHz (20.]。为偶极子图形都有三种不同的颜色(蓝色),一次迭代(棕色),和two-iteration(橄榄)来区分它们。

在图20.,偶极子天线和科赫曲线之间的比较(一个迭代和two-iteration)。图形也有三种不同的颜色,蓝色,棕色,橄榄,偶极子,一个迭代,和two-iteration分别。

我们希望此时给的总结我们在研究中获得定量结果。通过执行文物开发的三维物理模拟,我们得到以下数值为方向性最大值2.73 dBi和4.76 dBi的偶极子在460 MHz和770 MHz,分别。在同一频率,天线辐射模式显示在460 MHz最大方向性的值6.91为一个迭代分形科赫dBi天线和4.91 dBi科赫two-iteration分形天线,在770 MHz,这些值是4.51为一个迭代分形科赫dBi天线和3.28 dBi科赫two-iteration分形天线,分别。因此,我们可以观察到一个迭代天线的方向性下降29%在460 MHz,大约27%在770 MHz的频率就越高。此外,一个迭代和two-iteration分形科赫最大方向性天线表现出高于偶极子天线在两个频率进行了研究。

产生的电压驻波比调查的最高价值大约在625 MHz 12 dB two-iteration科赫分形天线。此外,最大回波损耗大小约为8.8 dB two-iteration科赫天线和6 dB的偶极子天线在460 MHz。最后,沿着带宽大约为360欧姆阻抗two-iteration科赫分形天线,一个迭代分形科赫天线180欧姆,分别为偶极天线和140欧姆。

6。结论

专用宽带天线可以作为起点fractal-shaped天线获得新的优势如体积小、多波段共振,并提供更多的交流单一设备的链接。

新兴技术面临的一个问题,5 g,天线因为它将是一个巨大数量的信息没有过滤片。这可以非常具有挑战性的,当大量用户和协议都考虑进去。

只有一个天线能覆盖技术,如2 g、3 g, 4 g无线个域网,WLAN, WiMax如果设计得当,它将是一种耻辱,忘记这些网络5克什么时候上市。

因为需要,一种加速的需要,为了提高响应时间,PPDR机构将采取5 g技术尽快。

在这项研究中,两种方法使用fractal-based天线覆盖提出了几种PPDR通信。

建议是科赫曲线分形形状fractal-shaped天线,基于偶极子。这种天线覆盖频率350 MHz和800兆赫之间很少有局限性。

所有结果使用MATLAB R2018b软件开发。天线的研究,我们得到以下结果有关的最大涨幅dBi(比例的单位收益之间的天线相比,一个各向同性天线的增益)。偶极子天线,收益是2.73 dBi和4.76 dBi 460 MHz和770 MHz,分别。科赫一个迭代分形天线的收益是6.91 dBi和4.51 dBi 460 MHz和770 MHz,最后,分别为科赫two-iteration分形天线,收益是4.91 dBi和3.28 dBi 460 MHz和770 MHz,分别。此外,沿着带宽大约为360欧姆阻抗two-iteration科赫分形天线,一个迭代分形科赫天线180欧姆,分别为偶极天线和140欧姆。

信号情报、电子战、或战术通信可以其中一个应用程序,因为属性如宽带频率范围或紧凑的大小对那些想要为这个分支开发解决方案。

因此,目标提出了天线设计的5 g的实现可以通过加强专门的天线形式。这些操作可以通过使用fractal-shaped天线。更多,在未来,我们打算使用一个原始的两个或两个three-iteration二进制仿生树分形天线的模式来设计第五代(5克)天线,源自名义微带单极天线的规则但一起共振连接设备(21),集成在熟悉的分形几何科赫的好处。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现由于商业机密无法访问。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

引用

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