CC BY
57
DOI 10.36622/^ТО.2022.18.3.016 УДК 621.396
МНОГОДИАПАЗОННАЯ ПАТЧ-АНТЕННА НА ОСНОВЕ АКТИВНОГО МЕТАМАТЕРИАЛА
Е.А. Ищенко1, Ю.Г. Пастернак1, В.А. Пендюрин2, С.М. Фёдоров
1,3
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2АО Научно-производственное предприятие «Автоматизированные системы связи»,
г. Воронеж, Россия
3Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается конструкция планарной патч-антенны с активным метаматериалом, который позволяет путем подключения дополнительных слоев управлять рабочим диапазоном антенны. Благодаря применению конструкции такой антенны удалось достичь того, что прямоугольная патч-антенна обладает четырьмя режимами работы, которые обеспечивают четыре рабочих частотных диапазона антенны. При этом во всех режимах работы антенны сохраняются стабильные характеристики, так, коэффициент полезного действия не снижался менее 72%, коэффициент направленного действия антенны не ниже 7.2 дБ. Благодаря таким характеристикам можно сказать, что использование активного метаматериала в планарных антеннах позволяет улучшить характеристики антенны путем увеличения числа диапазонов антенны с сохранением основных показателей антенны. Также благодаря тому, что в процессе переключения режимов сохраняется лишь один резонанс антенны, то удается повысить помехозащищенность антенны, так как отсутствует прием на побочных каналах. Использованные для коммутаций метаматериала рт-диоды позволяют обеспечить быстрое переключение слоев, а также малое сопротивление во включенном режиме и этим обеспечить полученные высокие качественные характеристики, которые полостью соответствовали бы эквивалентным патч-антеннам с полной металлизацией
Ключевые слова: патч-антенна, метаматериал, многодиапазонная антенна
Благодарности: работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ для молодых ученых № МК-57.2020.9
Введение
Планарные патч-антенны становятся все более популярными в современных задачах связи, так как обладают малыми размерами, а также позволяют достичь высоких показателей КПД и направленного действия. Однако недостатком большинства конструкций патч-антенн является то, что они обладают узким диапазоном частот, поэтому актуальной является задача улучшения характеристик излучателей, а также поиск новых конструкций, которые позволят повысить КПД и КНД антенн.
Одним из способов применения патч-антенн является использование их в составе антенных решеток [1]. Благодаря тому, что планарные антенны формируются на диэлектрических подложках возможно обеспечить формирование электронных цепей, которые позволят осуществить управление характеристиками излучателей. С помощью таких цепей возможно осуществить управление поляризацией поля, а также фазой, что позволяет сузить главный лепесток диаграммы направленности, а также повысить КНД.
© Ищенко Е.А., Пастернак Ю.Г., Пендюрин В.А., Фёдоров С.М., 2022
Для формирования дополнительных диапазонов работы патч-антенн как правило приходится изменять конструкцию проводящих пластин [2, 3] - формировать в них диэлектрические участки. Недостатком такого изменения конструкции является понижение КПД антенны, а также искажения диаграмм направленности.
Другой особенностью патч-антенн является то, что для излучения возможно использование нескольких мод радиоволн, как показано в работе [4]. Благодаря применению нескольких мод радиоволн удается обеспечить управление характеристиками диаграмм направленности. Благодаря таким возможностям, патч-антенны имеют широкие возможности применения в задачах связи.
Одним из способов улучшения характеристик патч-антенн является применение метама-териалов [5]. Благодаря применению метамате-риалов удается улучшить согласование, а также улучшить характеристики диаграмм направленности.
Таким образом, можно сделать вывод, что улучшение характеристик патч-антенн является важной и актуальной задачей. В данной работе предлагается конструкция многодиапазонной
пачт-антенны с возможностью управления рабочими диапазонами за счет активного метама-териала.
Моделирование активной антенны на основе метаматериала
Для управления характеристиками антенны был сформирован активный метаматериал, в котором для коммутации используются рт-диоды. На рис. 1 приводится исследуемая конструкция антенны с активным метаматериалом.
б)
Рис. 1. Исследуемая модель патч-антенны: а) общий вид антенны; б) вид метаматериала, сформированного вокруг излучателя
Для питания антенны используется коаксиальная линия питания, что позволяет расширить возможный рабочий диапазон, поэтому удается сформировать четырехдиапазонную антенну, причем для переключения диапазонов требуется выполнить коммутацию слоев метаматериала.
Для определения характеристик антенны произведем электродинамическое моделирование, причем для коммутации будут использоваться spice модели pin-диодов, что позволит повысить точность моделирования. На рис. 2 приводится график возвратных потерь (S11), который позволит определить диапазоны рабочих частот для всех режимов работы антенны.
Рис. 2. Возвратные потери антенны во всех режимах работы: model - отсутствие коммутаций в слоях метаматериала; mode2 - активен первый слой метаматериала; mode3 - активен первый и второй слои; mode4 - активны все слои метаматериала
Как видно, благодаря использованию ме-таматериала удается обеспечить работу антенны в 4 частотных диапазонах. Рассмотрим диаграммы направленности антенны во всех режимах - рис. 3. Основные характеристики антенн во всех режимах приводятся в таблице.
Характеристики антенны во всех режимах
Режим (рис. 2) Частота ДН, ГГц КНД, дБ Ширина гл. лепестка, КПД, % Диап. Раб. частот (S11= -10 дБ), ГГц
model 14.9 7.39 78.7 79 14.8-15.1
mode2 13.2 7.49 82.4 77 13.1-13.3
mode3 11.2 7.63 86.0 75 11.1-11.3
mode4 9.2 7.29 89.6 72 9.1-9.3
Как видно по полученным результатам, применение активного метаматериала позволяет сформировать четырехдиапазонную антенну, режимы которой полностью управляются путем выполнения коммутаций. Благодаря особенностям конструкции метаматериала сохраняется высокая стабильность характеристик диаграмм направленности.
ю
5 0
m -
2.
щ -ю
■а
о
£ -15 га
CL -10
1П 0 nfin .
а.
-5
а)
о
I "5
СМ
«■ю
о
£-15 га
О- -10 -о
га с а. -5
о
5 10
10 5
о
I -5
со
•8-1°
о
£-15 га
о- -10 -ь
с
(Г -5
о
5 10
10 5 0
m -5
0) -10 "О
о
£-15 га
О. -10 тэ
я 5
а. 0 о
5 10
170 180 190
б)
В)
г)
Рис. 3. Диаграммы направленности антенны
во всех режимах работы: а) model - нет коммутаций метаматериала; б) mode2 - коммутация первого слоя метаматериала; в) mode3 - коммутация первого и второго слоя метаматериала; г) mode4 - коммутация всех слоев метаматериала
Заключение
Разработанная патч-антенна с активным метаматериалом позволяет обеспечить работу в четырех диапазонах частот благодаря возможности увеличения площади излучателя путем подключения излучающих поверхностей за счет использования pin-диодов. Полученные характеристики антенн показывают, что благодаря использованию предложенной конструкции сохраняется высокая стабильность показателей, а также обеспечивается высокий КПД. Помимо этого, подобная конструкция антенны повышает помехозащищенность антенны от приемов сигнала в иных диапазонах, так как обеспечивается лишь один резонанс антенного элемента после активации требуемого режима. Таким образом, можно сделать вывод, что использование метаматериалов в современных антеннах является одним из наиболее перспективных способов управления и улучшения характеристик антенн.
Литература
1. Polarization Reconfigurable And Beam-Switchable Array Antenna Using Switchable Feed Network / C. Liu, Y. Li, T. Liu, Y. Han, J. Wang, S. Qu // IEEE Access. 2022. 9 P.
2. Dual-band gemini-shaped microstrip patch antenna for C-band and X-band applications / G. Djengomemgoto, R. Altunok, C. Karabacak, §. T. Imeci, T. Durak // 2017 International Applied Computational Electromagnetics Society Symposium. Italy (ACES). 2017. Pp. 1-2.
3. Single-Layer Single-Patch Dual-Band and Triple-Band Patch Antennas / W.C. Mok, S.H. Wong, K.M. Luk, K.F. Lee // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2013. Vol. 61. No. 8. Pp. 4341-4344.
4. A Cpw-fed Dual-Band Dual-Pattern Radiation Patch Antenna Based on TM01 and TM02 Mode / H. Liu, L. Meng, X. Huo, S. Liu // 9th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP). 2020. Pp. 1-2.
5. Saghanezhad S. A. H., Atlasbaf Z. Miniaturized Dual-Band CPW-Fed Antennas Loaded With U-Shaped Metamaterials // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2015. Vol. 14. Pp. 658-661.
Поступила 09.03.2022; принята к публикации 16.06.2022
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
Пастернак Юрий Геннадьевич - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), 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
MULTI-BAND PATCH ANTENNA BASED ON ACTIVE METAMATERIAL
E.A. Ishchenko1, Yu.G. Pasternak1, V.A. Pendyurin2, S.M. Fyedorov1,3
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2Research and Production Enterprise "Automated Communication Systems", Voronezh, Russia international Institute of Computer Technologies, Voronezh, Russia
Abstract: the article discusses the design of a planar patch antenna with an active metamaterial, which allows you to control the operating range of the antenna by connecting additional layers. Thanks to the design of such an antenna, it was possible to achieve that a rectangular patch antenna has four modes of operation, which provide four operating frequency bands of the antenna. At the same time, in all modes of operation of the antenna, stable characteristics are maintained, so the efficiency did not decrease below 72%, the directional coefficient of the antenna was not lower than 7.2 dB. Thanks to these characteristics, we can say that the use of active metamaterial in planar antennas can improve the characteristics of the antenna by increasing the number of antenna ranges while maintaining the main characteristics of the antenna. Also, due to the fact that in the process of switching modes, only one antenna resonance is preserved, it is possible to increase the noise immunity of the antenna since there is no reception on side channels. The pin diodes used for switching the metamaterial make it possible to ensure fast switching of layers, provide low resistance in the on mode, and thereby ensure the obtained high-quality characteristics that would correspond to equivalent full-metallization patch antennas Key words: patch antenna, metamaterial, multiband antenna
Acknowledgments: this research was funded by the grant of the President of the Russian Federation for Young Scientists, the grant no. МК-57.2020.9
References
1. Liu C., Li Y., Liu T., Han Y., Wang J., Qu S. "Polarization reconfigurable and beam-switchable array antenna using switchable feed network", IEEE Access, 2022, 9 p.
2. Djengomemgoto G., Altunok R., Karabacak C., Imeci §. T., Durak T. "Dual-band gemini-shaped microstrip patch antenna for C-band and X-band applications", 2017 International Applied Computational Electromagnetics Society Symposium - Italy (ACES), 2017, pp. 1-2.
3. Mok W. C., Wong S. H., Luk K. M., Lee K. F. "Single-layer single-patch dual-band and triple-band patch antennas", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2013, vol. 61, no. 8, pp. 4341-4344.
4. Liu H., Meng L., Huo X., Liu S. "A Cpw-fed dual-band dual-pattern radiation patch antenna based on TM01 and TM02 mode", 2020 9th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP), 2020, pp. 1-2.
5. Saghanezhad S.A.H., Atlasbaf Z. "Miniaturized dual-band CPW-Fed antennas loaded with U-shaped metamaterials", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2015, vol. 14, pp. 658-661.
Submitted 09.03.2022; revised 16.02.2022 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
Yuriy G. Pasternak, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, 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), International Institute of Computer Technologies (29 b Solnechanya str., Voronezh 394026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
