CC BY
11
DOI 10.36622^Ти.2022.18.2.007 УДК 621.396
ДИНАМИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМАЯ BI-QUAD АНТЕННА НА ОСНОВЕ АКТИВНОГО МЕТАМАТЕРИАЛА
К.А. Бердников1, Е.А. Ищенко1, Ю.Г. Пастернак1,2, В.А. Пендюрин3, С.М. Фёдоров1,4
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2ЗАО «ИРКОС», г. Москва, Россия 3АО Научно-производственное предприятие «Автоматизированные системы связи»,
г. Воронеж, Россия
4Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается Bi-Quad антенна с рабочей частотой 2.4 ГГц и двумя активными рефлекторами на основе реконфигурируемого метаматериала с электронным управлением на основе рт-диодов. Благодаря предложенной конструкции удается обеспечить работу антенны в трех режимах: прозрачные рефлекторы, когда формируется двунаправленное излучение; коммутация нижней пластины метаматериала и отсутствие коммутации верхней пластины, что приводит к формированию направленного излучения вверх с увеличенным значением коэффициента направленного действия; коммутация верхней пластины метаматериала и прозрачный режим нижней - формирование направленного вниз излучения. Таким образом, обеспечивается работа антенны в трех режимах с возможностью быстрого динамического перестроения режимов на основе коммутаций рт-диодов в ячейках трехмерной структуры метаматериала. Результаты работы полученной конструкции подтверждаются результатами моделирования с использованием метода Вейланда в электродинамике, при этом для повышения точности результатов рт-диоды в активном режиме заменялись сосредоточенными элементами в виде spice-моделей, а в выключенном режиме эквивалентными схемами. Таким образом, были получены результаты с наибольшей точностью для предложенной конструкции антенны, которые иллюстрируют все режимы работы при коммутациях пластин метаматериала
Ключевые слова: активный метаматериал, активный рефлектор, реконфигурируемая антенна
Благодарности: работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ для молодых ученых № МК-57.2020.9
Введение
Применение активных антенных систем в современных задачах связи является важной задачей, так как это позволяет осуществить управление характеристиками излучателя, объединив в одну конструкцию антенны несколько режимов работы. Одним из наиболее перспективных способов управления характеристиками антенны является применение метаматериалов.
Пример использования активного метаматериала приводится в работе [1], так путем выполнения коммутаций в узлах ячеек метамате-риала с использованием рт-диодов удается обеспечить управление характеристиками рефлектора для планарной антенны. Недостатком же используемой авторами конструкции является использование планарной структуры как антенны, так и метаматериала, что приводит к возникновению дополнительных потерь в пластинах диэлектрика.
Другим примером активных антенн являются конструкции метаматериалов, которые
© Бердников К.А., Ищенко Е.А., Пастернак Ю.Г., Пендюрин В.А., Фёдоров С.М., 2022
непосредственно помещаются в конструкцию антенны, как в работе [2]. Благодаря использованию трехмерной конструкции метаматериала удается обеспечить управление характеристиками рупорной антенны с минимальными потерями путем выполнения коммутаций рт-диодами в узлах конструкции. Применение такой конструкции позволяет обеспечить быстрое переключение режимов работы антенны, достигая этим отклонения главного лепестка антенны.
Помимо этого, использование радиокомпонентов в антеннах может применяться для управления типами поляризации электромагнитных волн, как в работе [3]. Благодаря использованию рт-диодов удается обеспечить переключение типов поляризации от правой круговой до левой круговой. Применение такой конструкции позволяет повысить помехозащищенность связи, а также применить новый способ модуляции сигналов на основе типов круговой поляризации в процессе передачи электромагнитных волн.
В работе авторов [4] предлагается применение рт-диодов в антенной системе для сетей пятого поколения. Так, благодаря использова-
нию радиокомпонентов удается достичь переключения режимов работы антенны, а следовательно, и осуществить управление диаграммой направленности излучателя. Помимо этого, для улучшения характеристик антенны предлагается использование пластины пассивного метама-териала, что также показывает перспективность использования метаматериалов в миллиметровом диапазоне радиоволн.
Таким образом, на основе приведенных примеров использование активных антенн на основе радиокомпонентов, а также метаматери-алов позволяет обеспечить управление характеристиками антенн во всех диапазонах радиоволн. В данной работе предлагается конструкция активного метаматериала, который используется в роли активного рефлектора для В> Quad антенны на частоте 2.4 ГГц.
Конструкция антенны
В процессе исследования была разработана антенна Bi-Quad с двумя активными рефлекторами на основе метаматериала - рис. 1.
Рис. 1. Конструкция антенны с двумя активными рефлекторами: а) полная модель антенны; б) конструкция ячейки метаматериала
Как видно из рисунка, метаматериал, который используется в роли активного рефлектора, представляет из себя 3D-структуру мета-
материала с длиной плеча порядка 1/10 длины волны на частоте 2.4 ГГц. В качестве коммутирующих устройств используются рт-диоды в корпусе SOD882, которые имеют малые размеры и могут быть удобно установлены в конструкцию метаматериала. На основании полученной конструкции производилось моделирование режимов работы антенны. Благодаря использованию активного метаматериала стоит ожидать трех режимов работы антенны:
1. Метаматериал отключен, при этом рефлекторы становятся прозрачными для электромагнитных волн, что формирует двунаправленную диаграмму направленности;
2. Коммутация одной из пластин метама-териала, что формирует направленное излучение в сторону выключенной пластины метама-териала.
Таким образом, становится возможным сформировать многорежимную антенну для частот 2.4 ГГц. Так, на рис. 2 приводится график Sll-параметров антенны, который позволяет определить рабочий диапазон антенны.
3-15
_____
\ к у
\
1,5 1,6 1,7 1,6 1,8 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,6 2,9 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 Частота [ГГц)
Рис. 2. График Б11 для разработанной конструкции
На основе полученной зависимости видно, что рабочий диапазон разработанной конструкции антенны по уровню S11 -10 дБ (КСВН=2) составляет 2.24-2.72 ГГц, что соответствует целевому рабочему диапазону. При этом пластины метаматериала сохраняют свои характеристики в частотном диапазоне, который значительно шире рабочего диапазона антенны. Произведем исследование всех режимов работы антенны путем выполнения электродинамического моделирования.
Отдельно стоит выделить, что для учета всех потерь, а также построения наиболее точной модели необходимо использовать сосредоточенные элементы, которые будут имитировать рт-диоды в активном и пассивном режимах. В данном случае в процессе выполнения
моделирования замкнутые рт-диоды заменялись 8рюе-моделями, а разомкнутые - эквивалентной схемой. Было получено, что в активном режиме рт-диод в исследуемом диапазоне частот имеет сопротивление менее 10 Ом, а в выключенном режиме более 50 кОм. На основании такой модели произведем моделирование всех режимов работы антенны, которые приводятся на рис. 3.
в)
Рис. 3. Картины E-поля при разных режимах работы антенны: а) прозрачный режим работы (pin-диоды в выключенном режиме); б) коммутация нижней пластины метаматериала, верх выключен; в) коммутация верхней пластины, низ выключен
Как видно по картинам электромагнитного поля, удается обеспечить 3 режима работы антенны, таким образом, стоит ожидать формирования 3 видов диаграмм направленности - все-направленной и с направлением вверх или вниз.
Рассмотрим полученные характеристики диаграмм направленности при всех возможных режимах работы. Полученные картины диа-
грамм направленности в вертикальной плоскости приводятся на рис. 4.
Рис. 4. Диаграммы направленности антенны при всех режимах работы: а) прозрачный режим; б) прозрачный верхний рефлектор; в) прозрачный нижний рефлектор
Таким образом, по полученным картинам диаграмм направленности видно, что на частоте 2.4 ГГц удается достичь ожидаемых картин диаграмм направленности при всех режимах работы активного метаматериала. Для анализа полученных характеристик диаграмм направленности на частоте 2.4 ГГц воспользуемся таблицей, в которой приводятся основные характеристики разработанной конструкции антенны на основе активного метаматериала.
Характеристики диаграмм направленности для
Полученные результаты показывают, что применение предложенной конструкции позволяет обеспечить 3 режима работы антенны, при этом переключение режимов работы осуществляется полностью электронно за счет использования pin-диодов, также было получено, что в исследуемом диапазона частот КПД антенны остается выше 80%.
Заключение
Предложенная в данной работе антенна на основе активного метаматериала обладает 3
режимами работы, которые позволяют реализовать как всенаправленное излучение, так и направленное. Применение трехмерной конструкции метаматериала позволило достичь высокой эффективности работы антенны с минимальными потерями и возможностью быстрого переключения режимов на основе коммутирующих устройств (pin-диодов). Таким образом, можно сделать вывод, что применение современных конструкций метаматериалов в антеннах позволяет не только улучшать характеристики распространения радиоволн, но и осуществлять управление основными характеристиками антенн.
Литература
1. Design of a PIN Diode-Based Reconfigurable Metasurface Antenna for Beam Switching Applications/ S. Chaimool, T. Hongnara, C. Rakluea, P. Akkaraekthalin, Y. Zhao // International Journal of Antennas and Propagation. 2019. Vol. 2019. Article ID 7216324. 7 p.
2. Исследование влияния интегрированного в конструкцию пирамидального рупора метаматериала на диаграмму направленности / Е.А. Ищенко, Ю.Г. Пастернак, М.А. Сиваш, С.М. Фёдоров // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2020. Т. 16. № 5. С. 107-113.
3. An Orbital Angular Momentum (OAM) Mode Reconfigurable Antenna for Channel Capacity Improvement and Digital Data Encoding/ В. Liu, G. Lin, Y. Cui et al. // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. No. 9852. 9 p.
4. Mingle S., Hassoun I., Kamali W. Beam-Steering in Metamaterials Enhancing Gain of Patch Array Antenna Using Phase Shifters for 5G Application // IEEE EUROCON 2019 -18th International Conference on Smart Technologies. 2019. pp. 1-4.
Bi-Quad антенны с двумя рефлекторами
Коммута- Коммута-
ция ция
Характеристика сравнения Прозрачный режим нижнего рефлектора (прозрачный верхний) верхнего рефлектора (прозрачный нижний)
Направление главного 0, 180 0 180
лепестка, °
КНД, дБ 7.1 10.9 10.7
Ширина главного лепестка по уровню 3 дБ, 76.1 (в обоих направлениях) 65 64.3
Пе-
редне/заднее отношение, 0.13 25.09 24.30
дБ
КПД, % 87 99.3 99.3
Поступила 27.12.2021; принята к публикации 15.04.2022 Информация об авторах
Бердников Кирилл Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kir_ber@mail.ru
Ищенко Евгений Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Пастернак Юрий Геннадьевич - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84); ведущий инженер, ЗАО «ИРКОС» (129626, г. Москва, Звездный бульвар, д. 21), e-mail: pasternakyg@mail.ru
Пендюрин Владимир Андреевич - генеральный директор, АО НПП «Автоматизированные системы связи» (394062, Россия, г. Воронеж, ул. Пеше-Стрелецкая, д. 108, офис 415), e-mail: infonpp-acc.ru@yandex.ru
Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84); доцент кафедры информационной безопасности и систем связи, Международный институт компьютерных технологий (394026, Россия, г. Воронеж, ул. Солнечная, д. 29 б), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
DYNAMICALLY CONTROLLED BI-QUAD ANTENNA BASED ON ACTIVE
METAMATERIAL
K.A. Berdnikov1, E.A. Ishchenko1, Yu.G. Pasternak1,2, V.A. Pendyurin3, S.M. Fyedorov1,4
'Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2JSC "IRKOS", Moscow, Russia 3Research and Production Enterprise "Automated Communication Systems", Voronezh, Russia international Institute of Computer Technologies, Voronezh, Russia
Abstract: the paper considers a Bi-Quad antenna with an operating frequency of 2.4 GHz and two active reflectors based on a reconfigurable metamaterial with electronic control based on pin diodes. Thanks to the proposed design, it is possible to ensure the operation of the antenna in the following modes: transparent reflectors, when bi-directional radiation is formed; switching of the lower plate of the metamaterial and the absence of switching of the upper plate, which leads to the formation of directed radiation upward with an increased value of the directional action coefficient; the switching of the upper plate of the metamaterial and the transparent mode of the lower one - the formation of downward-directed radiation. Thus, the antenna operates in three modes with the possibility of fast dynamic rebuilding of modes based on the commutation of pin diodes in the cells of the three-dimensional structure of the metamaterial. We confirmed the results of the operation of the obtained structure by the results of modeling using the Weiland method in electrodynamics, while in order to improve the accuracy of the results, we replaced the pin diodes in the active mode by lumped elements in the form of spice models, and in the off mode - by equivalent circuits. Thus, we obtained the results with the highest accuracy for the proposed antenna design, which illustrate all modes of operation when switching metamaterial plates
Key words: active metamaterial, active reflector, reconfigurable antenna
Acknowledgments: this research was funded by the grant of the President of the Russian Federation for Young Scientists, the grant number MK-57.2020.9
References
1. Chaimool S., Hongnara T., Rakluea C., Akkaraekthalin P., Zhao Y. "Design of a PIN diode-based reconfigurable metasur-face antenna for beam switching applications", International Journal of Antennas and Propagation. 2019. Vol. 2019. Article ID 7216324. 7 p.
2. Ishchenko E.A., Pasternak Yu.G., Sivash M.A., Fedorov S.M. "Investigation of the influence of the metamaterial pyramidal horn integrated into the construction on the directional diagram", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezh-skogo gosudarstvennogo technicheskogo universiteta), 2020, vol. 16, no. 5. pp 107-113.
3. Liu B., Lin G., Cui Y. et al. "An orbital angular momentum (OAM) mode reconfigurable antenna for channel capacity improvement and digital data encoding", Scientific Reports, 2017, vol. 7, no. 9852, 9 p.
4. Mingle S., Hassoun I., Kamali W. "Beam-steering in metamaterials enhancing gain of patch array antenna using phase shifters for 5G application", IEEE EUROCON 2019 -18th International Conference on Smart Technologies, 2019, pp. 1-4.
Submitted 27.12.2021; revised 15.04.2022
Information about the authors
Kirill A. Berdnikov, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7(473)243-77-29, e-mail: kir_ber@mail.ru
Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Yuriy G. Pasternak, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia); Leading Engineer of JSC "IRKOS" (21 Zvezdnyy avenue, Moscow 129626, Russia), e-mail: pasternakyg@mail.ru Vladimir A. Pendyurin, General Director, JSC RPE "Automated Communication Systems" (of. 415, 108 Peshe-Streletskaya str., Voronezh 394062, Russia), e-mail: infonpp-acc.ru@yandex.ru
Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), Associate Professor, International Institute of Computer Technologies (29b Solnechanya str., Voronezh 39026, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
