CC BY
10
DOI 10.36622/VSTU.2021.15.5.007 УДК 621.396
ДВУХРЕФЛЕКТОРНАЯ АНТЕННА BI-QUAD ДЛЯ ЗАДАЧ WLAN С.М. Фёдоров1'2, Е.А. Ищенко1, И.А. Баранников1, К.А. Бердников1, В.В. Кузнецова1
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается двухрефлекторная Bi-Quad антенна, способная работать в диапазоне частот, соответствующих WLAN Wi-Fi 2,4 ГГц. Благодаря возможности управления положением рефлекторов удается добиться изменения направления излучения, что повышает эффективность использования антенны, коэффициент направленного действия. При управлении происходит поворот ячеек, из которых сформированы отражательные структуры, что позволяет пропускать электромагнитное излучение, которое формирует излучатель из медного провода в форме цифры «восемь». Предложенная конструкция позволяет обеспечить три стабильных режима работы антенны: двустороннее излучение, когда оба рефлектора в открытом положении, при таком режиме у антенны наблюдается одинаковое излучение в обоих направлениях с равным КНД; излучение вверх, в данном режиме верхний рефлектор открыт, что приводит к свободному протеканию электромагнитных волн, а от закрытого нижнего происходят отражения, в результате этого происходит увеличение КНД антенны по сравнению с ситуацией двустороннего излучения; аналогичная ситуация происходит при излучении вниз, когда открыт нижний рефлектор, так электромагнитные волны отражаются от закрытого верхнего рефлектора вниз, что приводит к увеличению КНД антенны. Предложенная конструкция обладает высокой эффективностью в диапазоне рабочих частот
Ключевые слова: рефлектор, Bi-Quad антенна, многорежимный рефлектор, Wi-Fi антенна
Введение
Для обеспечения функционирования устройств в частотных диапазонах WLAN - 2,4 ГГц применяются Bi-Quad антенны [1], которые представляют собой рефлектор и излучатель, который имеет форму цифры «8». Рефлектор позволяет обеспечить направленность антенны для достижения улучшенных характеристик излучения. Но применение одного рефлектора ограничивает антенну лишь одним направлением излучения, что является недостатком устройства.
Перспективным решением выступает Вь Quad антенна с двумя динамически управляемыми рефлекторами, которые способны осуществить регулировку направления излучения от двустороннего до направленного.
Для управления рефлектором в данной работе предлагаются вдающиеся рефлекторы, сформированные из периодических структур, в перспективе в роли рефлектора могут выступать две метаматериальные пластины, основанные на структуре из [2].
Конструкция антенны
Разработанная антенна предназначена для работы в частотном диапазоне от 2401 МГц до 2495 МГц, что обеспечивает покрытие диапазона Wi-Fi 2,4 ГГц. Излучатель представляет собой медный провод, который изогнут в фирме цифры «8» (рис. 1).
W
Рис. 1. Модель излучателя
Антенна обладает геометрическими размерами, которые приводятся в табл. 1.
Таблица 1
Размеры излучателя
La, мм № ° H, мм Dw, мм Sf,
мм
35,57 55,17 30,88 2,359 1,786
Антенна со сформированными рефлекторами приводится на рис. 2.
© Фёдоров С.М., Ищенко Е.А., Баранников И.А., Бердников К.А., Кузнецова В.В., 2021
Рис. 2. Антенна с рефлекторами в закрытом состоянии
Так как при предложенной конструкции возможны три режима работы (рис. 3), излучение антенны происходит в вертикальной плоскости с разными характеристиками электромагнитного поля:
1) при открытии обоих рефлекторов происходит излучение и вверх, и вниз (рис. 3а);
2) при закрытом нижнем и открытом верхнем - направление излучения вверх, так как электромагнитная волна не способна преодолеть нижний рефлектор (рис. 3б);
3) при закрытом верхнем и открытом нижнем - излучение вниз (рис. 3в).
пппппппгптп.
____
шиши II 11 II II II II
а)
РПНПРППППППП
Отражения"
.Излучение
б)
Отражениям
Излучение
в)
Рис. 3. Антенна при различных состояниях рефлекторов: а) оба открыты; б) открыт верхний; в) открыт нижний
При выполнении электродинамического моделирования производился анализ всех рассмотренных ситуаций. Особо важным является то, что диапазон рабочих частот всех трех рассмотренных антенн сохранялся от 2401 МГц до 2495 МГц. Для определения диапазона рабочих частот воспользуемся графиком Sll, диапазон рабочих частот определяется по уровню -10 дБ (рис. 4).
5-Рагате1кге [МадгМе]
"Ч 7
/
\ , /
—'.1.1 ('.-.по-. ОР —51.1 О^РеА - - 51.1 Тор ЬауЕгОА
-П.':. ад) ,12.772461.-10.0131}
Рис. 4. Б11 параметры полученной антенны при всех возможных случаях
Как видно, наиболее узкая полоса рабочих частот наблюдается при открытии обоих рефлекторов, однако диапазон рабочих частот составляет от 2,4 ГГц до 2,77 ГГц, что соответствует изначальным требованиям к антенне. Для анализа влияния рефлектора на картину электромагнитных волн рассмотрим рис. 5.
Рис. 5. Картина Е-поля на частоте 2,4 ГГц при закрытом нижнем рефлекторе
По полученной картине видно, что излученные электромагнитные волны отражаются от рефлектора, что приводит к фокусировке излучения в требуемом направлении.
На рис. 6 приводятся картины диаграмм направленности, которые соответствуют разным режимам работы.
Для удобства анализа полученных результатов воспользуемся табл. 2.
Таблица 2
Характеристики диаграмм направленности 1=2,4 ГГц (<р = 90°)
Тип Оба Открыт Открыт
рефлектора открыты верхний нижний
Направление 17, 163 2 177
излучения, °
КНД, дБи 5,68 10,2 9,96
Продолжение табл. 2
Ширина главного лепестка (3 дБ), ° 112,8 73,9 72,8
УБЛ, дБ -- -12,3 -10,8
КПД, % 89,59 97,82 96,61
Farfield Directivity Abs (Phi=90) О
-farfield (f=2.4) [1]
Theta / Degree vs. dBi
Frequency = 2.4 GHz Main lobe magnitude = 5.68 dBi Main lobe direction = 17.0 deg. Angular width (3 dB) = 132.8 deg.
a)
Farfield Directivity Abs (Phi=90)
— farfield (f=2.4) [1]
Phi= 90 30
30 Phi=270
180
Theta / Degree vs. dBi
Frequency = 2.4 GHz Main lobe magnitude = 10.2 dBi Main lobe direction = 2,0 deg. Angular width (3 dB) = 73.9 deg. Side lobe level = -12.3 dB
6)
Farfield Directivity Abs (Phi=90) О
- farfield {f=2.4) [1]
90 11 30 Ph
/ J^ \
/ щ
ш
щ
150^— _-—150
Theta / Degree vs. dBi
Frequency = 2.4 GHz Main lobe magnitude = 9.96 dBi Main lobe direction = 177.0 deg. Angular width (3 dB) = 72.8 deg. Side lobe level = -10.8 dB
в)
Рис. 6. Диаграммы направленности полученной антенны: а) открыты оба рефлектора; б) открыт верхний; в) открыт нижний
Полученные характеристики диаграмм направленности показывают, что у антенны наблюдаются три режима работы: всестороннее излучение (и вверх, и вниз), излучение вверх, излучение вниз. Полученные характеристики антенны сохраняются во всем рабочем диапазоне частот, что позволяет обеспечить ее применение в диапазоне WLAN 2,4 ГГц.
Заключение
Антенны с активным рефлектором являются перспективными устройствами обеспечения связи, так как способны обеспечить излучение электромагнитной энергии в нескольких направлениях путем перестройки конструкции. Перспективным является применение коммутируемых метаматериалов, которые позволяют обеспечить управление характеристиками антенн без изменения их физических характеристик [2].
Предложенная конструкция антенны позволяет улучшить прием и передачу сигнала, так как уменьшает побочные излучения и позволяет сфокусировать электромагнитную энергию в нужном направлении.
Литература
1. Constantine A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, Fourth Edition, Wiley: Canada, 2016. 1073 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. № 6. С. 107-113.
Поступила 02.07.2021; принята к публикации 20.10.2021 Информация об авторах
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: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163 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: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Баранников Илья Андреевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
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: [email protected]
Кузнецова Валерия Васильевна - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
BI-QUAD DUAL REFLECTOR ANTENNA FOR WLAN TASKS S.M. Fyedorov1,2, E.A. Ishchenko1, I.A. Barannikov1, K.A. Berdnikov1, V.V. Kuznetsova1
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia international Institute of Computer Technologies, Voronezh, Russia
Abstract: the article discusses a two-reflector Bi-Quad antenna capable of operating in the frequency range corresponding to WLAN Wi-Fi 2.4 GHz. Thanks to the ability to control the position of the reflectors, it is possible to achieve a change in the direction of radiation, which increases the efficiency of using the antenna, and increases the directivity. During control, the cells are rotated, from which the reflective structures are formed, which allows the transmission of electromagnetic radiation, which is formed by the emitter, formed from a copper wire in the shape of the number "eight". The proposed design makes it possible to provide three stable modes of antenna operation: double-sided radiation, when both reflectors are in the open position, in this mode the antenna has the same radiation in both directions with equal directivity; radiation upward, in this mode, the upper reflector is open, which leads to free flow of electromagnetic waves, and reflections occur from the closed lower reflector, as a result of this, the antenna directivity increases in comparison with the situation of two-sided radiation. A similar situation occurs when radiating downward, when the lower reflector is open, so electromagnetic waves are reflected from the closed upper reflector downward, which leads to an increase in the antenna directivity. The proposed design is highly efficient in the operating frequency range
Key words: reflector, Bi-Quad antenna, multimode reflector, Wi-Fi antenna
References
1. Balanis C.A. "Antenna theory analysis and design", Canada: Wiley, 2016, 1073 p.
2. Ishchenko E.A., Pasternak Yu.G., Sivash M.A., Fedorov S.M. "Investigation of the influence horn integrated into the construction on the directional diagram", Bulletin of Voronezh State Technical skogo gosudarstvennogo technicheskogo universiteta), 2020, vol. 16, no. 5. pp 107-113.
Submitted 02.07.2021; revised 20.10.2021 Information about the authors
Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), International Institute of Computer Technologies (29 b Solnechanya str., Voronezh 39026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Il'ya A. Barannikov, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Kirill A. Berdnikov, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Valeriya V. Kuznetsova, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
of the metamaterial pyramidal University (Vestnik Voronezh-
