CC BY
27
DOI 10.36622/VSTU.2022.18.4.013 УДК 621.396
ФОРМИРОВАНИЕ ПАТЧ-АНТЕННЫ ИЗ СОЛНЕЧНОЙ ПАНЕЛИ
Е.А. Ищенко1, С.М. Фёдоров1,2, И.А. Черноиваненко1, А.В. Бунина1, Л.В. Сопина1,
Е.Д. Меньшикова1
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается патч-антенна, в конструкцию которой интегрирована солнечная панель, которая используется в роли излучателя вместо полностью металлического излучателя. Для определения характеристик полученной антенны производилось моделирование для сравнения основных характеристик разработанной антенны с базовым полностью металлическим излучателем. Полученные результаты показывают, что использование предложенной конструкции позволяет сохранить высокие качественные показатели антенны, при этом обеспечить генерацию электроэнергии за счет установленного в конструкцию фотоэлемента. Помимо сравнения конструкции с металлическим патч-излучателем, производилось исследование возможности увеличения относительной доли фотоэлемента в площади антенны за счет удаления участков диэлектрика. Полученные результаты показывают, что в таком случае удается также сохранить качественные показатели излучателя, при этом солнечный элемент занимает уже не 20% от площади антенного элемента, а 42%. Благодаря такой конструкции удается обеспечить расширение возможностей использования антенных элементов не только как устройств передачи сигналов, а также как источника энергии, которая получается за счет преобразования возобновляемого источника энергии - солнечного света. Благодаря углубленной интеграции антенных элементов и солнечных панелей становится возможным обеспечить расширение функционала антенных систем
Ключевые слова: патч-антенна, солнечная панель, зеленая энергетика
Введение
В современных системах связи участилось использование планарных антенн, так как они обладают малыми размерами, а также позволяют обеспечить всенаправленное излучение одного антенного элемента или сформировать антенную решетку с возможностью управления характеристиками излучения. Планарные антенны формируются на диэлектрических подложках путем формирования проводящей пластины.
Солнечные элементы, как правило, представляют собой полупроводниковую пластину кремния, в которой размещаются проводящие линии для сбора солнечной энергии и превращения в электричество. Таким образом, можно сделать предположение, что благодаря конструкции солнечного элемента становится возможным формировать излучающую пластину из солнечного элемента. Например, в работе [1] авторами предлагается вытравить в солнечной панели патч-излучатель с небольшим подъемом над пластиной солнечной панели, что формирует излучатель со стандартными характеристиками, однако увеличивает высоту антенны.
Другим примером может послужить работа [2], в которой авторы предлагают разместить
© Ищенко Е.А., Фёдоров С.М., Черноиваненко И.А., Бунина А.В., Сопина Л.В., Меньшикова Е.Д., 2022
F-излучатель над солнечной панелью, что минимизирует перекрытие фотоэлемента, чем удается сохранить эффективность работы солнечной панели, а также антенного элемента.
В диссертациях [3, 4] рассматриваются все аспекты производства солнечных панелей, а также возможные конструкции антенн, объединенных с солнечными панелями. Таким образом, авторы показывают, что объединение конструкции антенн и солнечных панелей позволяет повысить эффективность использования конструкций устройств благодаря выработке электроэнергии помимо обеспечения базовой задачи передачи информации.
Другим примером является возможность интеграции антенной решетки из патч-антенн в конструкцию солнечной панели [5]. Благодаря такой интеграции становится возможным обеспечить резервное питание оборудованию связи, а также повысить эффективность использования антенной системы.
Таким образом, можно сделать вывод, что использование солнечных панелей в антенных системах позволяет повысить эффективность использования антенных модулей благодаря возможности выработки электроэнергии. В данной работе предлагается конструкция антенны, когда в качестве излучателя патч-антенны применяется солнечный элемент.
Конструкция патч-антенны с солнечным элементом
В качестве базового антенного элемента была выбрана патч-антенна с микрополосковой линией питания на основе, конструкции которой формировался излучатель из солнечного элемента. На рис. 1 приводится изображение базового патч-излучателя и конструкции с использованием солнечного элемента.
Рис. 1. Исследуемая модель патч-антенны:
а) металлический излучатель; б) излучатель на основе солнечной панели
Антенный элемент формируется в данном случае на основе диэлектрика Rogers RO4003C толщиной 0.5 мм с толщиной медной пленки в 35 мкм; солнечный элемент же формируется на основе кремниевой пластины (£ = 11.9) толщиной 100 мкм с проводящим рисунком для сбора электричества, сгенерированного элементом. На основе такой конструкции было получено, что полная площадь антенного элемента (размеры всей пластины диэлектрика -20.42x22.91 мм) составила 467.82 мм2, а пло-
щадь фотоэлемента - 94.32 мм2, что соответствует 20% от площади всей пластины диэлектрика. На основе полученных конструкций проводилось моделирование, результаты которого приведены на рис. 2.
-MelalElement .........SolarElement
7,5 в,о e.s Frequency (GHz)
а)
6)
"•-■of» --- l<|>" ^fr >•( ~r-» <■ i
I . I- - >•
в)
Ul < « « ' ? • I "J I дичк4.«., . , 4 i 4 "«).». »
4JD.4 • * i к 'I " »1 4 1,(441 4 , .1 „ » S 1ЧЧ; ¡.
✓ J»/
>
J 0
i-'»
' r)
Ш.
Рис. 2. Результаты моделирования патч-антенн: а) возвратные потери S11 для обоих типов антенн; б) диаграмма направленности полностью металлического
излучателя; в) диаграмма направленности антенного элемента с излучателем из солнечной панели; г) картина поверхностных токов полностью металлического патча; д) поверхностные токи для излучателя с солнечной панелью
Полученные результаты показывают, что на основе солнечного элемента возможно создать патч-излучатель, при этом из-за изменения характеристик проводящей пластины произошло смещение диапазона рабочих частот. Полученные характеристики для сравнения приводятся в табл. 1.
Таблица 1
Характеристики антенны во всех режимах
Характеристика Металлический патч Патч на основе фотоэлемента
Бп мин, дБ (5вшт, ГГц) -16.4 (8.57) -20.2 (8.43)
Д/, ГГц (Бц— 10 дБ) 8.52-8.63 8.38-8.49
КНД, дБ 7.26 7.23
Ширина лепестка (3 дБ), ° 84.5 84.1
УБЛ, дБ -15.4 -14.8
КПД, % 68 67
Как видно, характеристики излучения пат-ча на основе солнечной панели схожи с показателями для полностью металлического патча. Также стоит уделить внимание возможности уменьшения площади неиспользованного пространства на диэлектрике. Для этого произведем исследование усеченного патч-излучателя, который приводится на рис. 3.
Рис. 3. Усеченный излучатель с уменьшенной диэлектрической пластиной
На основании такого уменьшения было получено, что площадь диэлектрической пластины составляет 223.87 мм2 (16.82x13.31 мм). Таким образом, солнечный элемент составляет 42% от полной площади антенны (увеличение доли более чем в 2 раза - было 20%). На основании моделирования были получены характеристики, которые приводятся на рис. 4.
5
Ю 0
1 -з
о
л
о
Iп
£ -15
а -15
Щ -5 се и
2-1
0-
-2-
■4-
-6-
т -8-
-10-
СО -12-
-14-
-10 -
-18-
-20-
-22 -
1 -5о1агВа$е .........Магго\мЗо1аг
(
/
\
7,5 8,0 8,5 Ргечиепсу(йНг)
а)
го * 0 350 мс
£-10
1-15 СО -15 С
г
§ -5
(и
140 ' . .¿/йГ 220
1Й0 , 210 170 т
160 170 180 «0
б)
в)
Рис. 4. Результаты моделирования уменьшенного патча: а) возвратные потери для обоих случаев; б) диаграмма направленности для изначальной антенны с излучателем на основе фотоэлемента; в) диаграмма направленности укороченного элемента
Как видно из результатов, произошло незначительное изменение характеристик излучения, при этом значительно улучшилась эффективность использования поверхности диэлектрика.
На основе полученной антенны становится возможным сформировать антенную решетку, которая позволит обеспечить не только излучение с требуемыми характеристиками, но и обеспечить вырабатывание электроэнергии.
Заключение
Рассмотренная в статье конструкция антенны с излучателем на основе солнечной панели показала, что применение фотоэлемента позволяет обеспечить сохранение характеристик излучения, схожими с оригинальным металлическим патчем, при этом обеспечивается получение электроэнергии на основе альтернативных - зеленых источников питания, что повышает эффективность использования антен-
ных модулей и добавляет новый функционал в процессе их применения.
Литература
1. Integration of Microstrip Patch Antenna With Poly-crystalline Silicon Solar Cell / S.V. Shynu, M.J. Roo Ons, P. McEvoy, M.J. Ammann, S.J. McCormack, B. Norton // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2009. Vol. 57. No. 12. pp. 3969-3972.
2. O'Conchubhair O., McEvoy P., Ammann M.J. Integration of Antenna Array With Multicrystalline Silicon Solar Cell // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2015. Vol. 14. pp. 1231-1234.
3. O'Conchubhair O. Integration of Antennas and Solar cells for Low Power Wireless Systems // Doctoral Thesis, Technological University Dublin. 2015. 115 p.
4. Roos Ons M.J. Integration of Antennas and Solar Cells for Autonomous Communication Systems // Doctoral Thesis, Technological University Dublin. 2010. 142 p.
5. 5G base station antenna integrated into solar panel / E.A. Ishchenko, A.S. Badaev, A.V. Volodko, S.M. Fedorov // OP Conf. Ser.: Earth Environ. 2022. Vol. 979. 6 p.
Поступила 19.04.2022; принята к публикации 19.08.2022 Информация об авторах
Ищенко Евгений Алексеевич - инженер, 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
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 Черноиваненко Игорь Александрович - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: chernoivanenko2000@mail.ru Бунина Алина Владимировна - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: Alina.bunina@list.ru
Сопина Лилия Вячеславовна - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: sopina1803@gmail.com
Меньшикова Екатерина Дмитриевна - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: menshulya77@inbox.ru
FORMING A PATCH ANTENNA FROM A SOLAR CELL
E.A. Ishchenko1, S.M. Fyedorov12, I.A. Chernoivanenko1, A.V. Bunina1, L.V. Sopina1,
E.D. Men'shikova1
1Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia international Institute of Computer Technologies, Voronezh, Russia
Abstract: the article considers a patch antenna with a solar panel integrated in its design, which is used as an emitter instead of a completely metal one. To determine the characteristics of the resulting antenna, we modelled it to compare the main characteristics of the developed antenna with a basic all-metal radiator. The results obtained show that the use of the proposed design makes it possible to maintain high quality indicators of the antenna, while ensuring the generation of electricity due to the photocell installed in the design. In addition to comparing the design with a metal patch emitter, we studied the possibility of increasing the relative fraction of the photocell in the antenna area by removing dielectric sections. The results obtained show that in this case it is also possible to maintain the quality indicators of the emitter, while the solar cell no longer occupies 20% of the area of the antenna element, but 42%. Thanks to this design, it is possible to expand the possibilities of using an-
94
tenna elements not only as signal transmission devices, but also as a source of energy, which is obtained by converting a renewable energy source - sunlight. Thanks to the deep integration of antenna elements and solar panels, it becomes possible to expand the functionality of antenna systems
Key words: patch antenna, solar cell, green energy
References
1. Shynu S.V., Roo Ons M.J., McEvoy P., Ammann M.J., McCormack S.J., Norton B. "Integration of microstrip patch antenna with polycrystalline silicon solar cell", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2009, vol. 57, no. 12, pp. 3969-3972.
2. O'Conchubhair O., McEvoy P., Ammann M.J. "Integration of antenna array with multicrystalline silicon solar cell", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2015, vol. 14, pp. 1231-1234.
3. O'Conchubhair O. "Integration of antennas and solar cells for low power wireless systems", doctoral thesis, Technological University Dublin, 2015, 115 p.
4. Roos Ons M.J. "Integration of antennas and solar cells for autonomous communication systems", doctoral thesis, Technological University Dublin, 2010, 142 p.
5. Ishchenko E A., Badaev A.S., Volodko A.V., Fedorov S.M. "5G base station antenna integrated into solar panel", OP Conf. Ser.: Earth Environ, 2022, vol. 979, 6 p.
Submitted 19.04.2022; revised 19.08.2022 Information about the authors
Evgeniy A. Ishchenko, engineer, 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
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: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
Igor' A. Chernoivanenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: chernoivanenko2000@mail.ru
Alina V. Bunina, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: Alina.bunina@list.ru
Liliya V. Sopina, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: sopina1803@gmail.com
Ekaterina D. Men'shikova, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: menshulya77@inbox.ru
