CC BY
23
DOI 10.36622/^Ти.2021Л7.4.010 УДК 621.396
ПОЛУВОЛНОВОЙ ДИПОЛЬ С АКТИВНЫМ РЕФЛЕКТОРОМ НА ОСНОВЕ ОПТОУПРАВЛЯЕМОГО МЕТАМАТЕРИАЛА
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: для обеспечения радиосвязи применяются различные конструкции антенн, которые могут обладать всенаправленными или узконаправленными диаграммами направленности, при этом наибольшей зашитой канала связи от помех и от перехвата обладают направленные антенны. Но их недостатком является то, что для обеспечения связи во всех направлениях требуется или установка группы антенн, или использование поворотных платформ, которые ухудшают показатели надежности системы, а также усложняют ее. Поэтому, как правило, для обеспечения связи применяют всенаправленные антенны, которые имеют диаграмму направленности в виде тороида. Недостатками таких антенн являются малый коэффициент направленного действия, а также прием большого числа шумов, что усложняет последующую обработку сигналов. Предлагается конструкция дипольной антенны, помещенной в активный метама-териал, с возможностью формирования луча путем коммутации слоев конструкции, что формирует динамически перестраиваемые рефлекторы. Получаемые в процессе функционирования системы диаграммы направленности обладают высокими значениями КНД, а также высокой помехозащищённостью и защитой от перехвата ввиду направленных свойств. Была получена конструкция антенны, помещенная в кубическую структуру активного метаматериала, с возможностью коммутации проводников с использованием рт-диодов или МЭМС-коммутаторов, что позволяет обеспечить быстрое переключение режимов работы устройства, формирование направленного луча и обеспечение помехо-защищенной и защищенной от перехвата связи
Ключевые слова: активный метаматериал, активный рефлектор, радиосвязь
Благодарности: работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ для молодых ученых № МК-57.2020.9
Введение
Антенны с активным управлением параметрами являются перспективными для внедрения в системах связи. В текущих реализациях известны несколько групп конструкций для антенн с активным управлением параметров. Разные виды конструкций применяются для достижения определенных характеристик системы.
Для обеспечения работы антенн в широкой полосе применяются активные цепи согласования, пример реализации таких антенных систем приводится в работах [1, 2]. Применение мало-шумящих усилителей позволяет обеспечить требуемый уровень возвратных потерь в широкой полосе частот, что позволяет реализовать сверхширокополосную связь на основе простых патч-антенн. Однако недостатками данных устройств являются их сложность, малая надежность и высокая стоимость реализации, однако данная возможность создания активных
© Ищенко Е.А., Пастернак Ю.Г., Пендюрин В.А., Фёдоров С.М., 2021
антенн применяется в современных системах широкополосной связи.
Примером антенных систем с управлением характеристиками излучения выступают активные фазированные решетки, примеры которых приводятся в работах [3, 4]. В активных фазированных антенных решетках управление главным лепестком антенны происходит за счет изменения фазы приходящих сигналов, при этом удаётся достичь сканирования антенной в широком диапазоне углов. Главным недостатком активных фазированных решеток выступают их большие размеры, так как для управления характеристиками диаграммы направленности антенны требуется установка большого числа антенных элементов.
Другим примером управления характеристиками антенн с применением активных устройств может выступать волновод, интегрированный в диэлектрическую подложку [5], который позволяет достичь смещения фазы электромагнитных волн, а следовательно, и поворота направления главного лепестка диаграммы направленности. Благодаря такой кон-
струкции возможна реализация антенн миллиметрового диапазона с управлением характеристиками диаграммы направленности, при этом интеграция их в MIMO антенную решетку.
Для реализации антенны с несколькими характеристиками диаграммы направленности возможно формирование антенны, которая состоит из нескольких излучателей [6], которые поочередно включаются, что позволяет управлять видом диаграммы направленности. Однако у такой конструкции присутствует недостаток, который возникает вследствие использования сложной конструкции, которая состоит из нескольких слоев антенных элементов, поочередно включаемых. Также благодаря различным размерам антенных систем удается достичь управления характеристиками возвратных потерь, а следовательно, и шириной рабочей полосы частот.
Другим, одним из самых перспективных способов управления характеристиками излучателей выступают пассивные метаматериалы [7]. Применение резонансных метаматериалов позволяет расширить рабочий диапазон частот антенны, повысить ее эффективность, улучшить характеристики диаграммы направленности. Недостатками пассивных метаматериалов являются их узкопополосность, а также резонансная настройка для каждого применяемого антенного элемента.
В данной работе предлагается использовать широкополосный оптоуправляемый активный метаматериал [8], который позволяет осуществить управление характеристиками диаграммы направленности простейшей антенны -полуволнового диполя. Применение предлагаемой конструкции позволяет реализовать активную антенну с управляемой диаграммой направленности, причем управление осуществляется путем выполнения электрической коммутации слоев, что позволяет повысить скорость работы устройства, добиться увеличения надежности конструкции. В данном случае полуволновой диполь выступает примером используемого излучателя, который может быть заменен на другой со всенаправленной диаграммой направленности, что возможно благодаря широкополосности применяемого метама-териала.
Конструкция антенны
Предлагаемая конструкция антенны состоит из двух компонентов: полуволнового диполя, который выступает в роли излучателя,
помещается в кубическую структуру, выполне-ную из практически прозрачного материала -пенопласта с диэлектрической проницаемостью 1,1 (рис. 1).
Рис. 1. Конструкция антенны с полуволновым диполем (1) и активным оптоуправляемым метаматериалом (2)
Метаматериал формируется на основе тонких металлических проводников, длина которых является кратной 1/8 или 1/16 длин волн, что позволяет обеспечить прозрачность конструкции при отсутствии коммутации слоев, а при наличии коммутаций возникают отражения от структуры метаматериала, что и позволяет реализовать активный рефлектор на основе оптоуправляемого метаматериала. Для рассматриваемой структуры длина медного проводника составляет 30/16 мм (что соответствует 1/16А для частоты 10 ГГц).
Управление коммутации слоев осуществляется за счет высокочастотных радиоэлектронных компонентов, которыми могут выступать рт-диоды [9] или МЭМС-коммутаторы [10]. Применение современных радиоэлементов позволяет достичь высоких качественных характеристик в работе устройства - высокой изоляции при отключенном режиме, малого сопротивления при активации радиокомпонента. Радиокомпоненты помещаются между проводниками, которые формируют структуру метаматериала и активируются за счет световодов, которые подводятся к коммутирующему устройству.
Оптоуправляемый метаматериал имеет два слоя - внутренний и внешний, что позволяет помимо управления направлением излучения достичь управления коэффициентом направленного действия, а также шириной главного лепестка антенны. Особо важным является то, чтобы при отсутствии коммутаций слоев мета-
материала не оказывалось серьезных влияний на характеристики протекающих электромагнитных волн.
Важными преимуществами используемого оптоуправляемого метаматериала являются:
1) Универсальность, использование мета-материала возможно с любой антенной, которая может быть помещена в его конструкцию;
2) Широкополосность, которая позволяет обеспечить стабильные характеристики мета-материала в широком диапазоне частот;
3) Высокий КПД полученной антенны с оптоуправляемым метаматериалом;
4) Диэлектрическая прозрачность структуры при отсутствии коммутаций слоев.
Все вышеперечисленные свойства позволяют сделать вывод, что разработанная антенна обладает высокими характеристиками при простой конструкции.
Расчет диэлектрических параметров метаматериала
Так как конструкция метаматериала формируется на пенопласте, диэлектрическая проницаемость которого отлична от вакуума, требуется рассчитать основные диэлектрические параметры среды. Для определения основных характеристик воспользуемся методикой, которая описана в [11].
Предлагаемый метод основан на характеристиках матрицы рассеяния ^-параметров) для разомкнутого метаматериала. Волновое сопротивление метаматериала определяется в соответствии с формулой:
± _ /(^и+Р2-^2!
(1)
где 5ц и 521 - соответствующие элементы матрицы рассеяния ^-параметров); - волновое
сопротивление свободного пространства
Эффективное значение волнового сопротивления с учетом выражения (2):
^ =
(Лз+Ло)-511(Лз~Ло)
(2)
Для определения волнового числа для данной среды воспользуемся следующим выражением:
К = ^ [-(Агд(гА) + 2рп) + ] • 1пС|^4|)] , (3)
где р - выбор ветви значений (при расчетах р=1); d - толщина структуры (в данном случае
рассматривается толщина стенки метаматериала).
Тогда относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости будут равны:
^(/) = е*(Т) =
2п/ • До
к5
2п/ • Е0"П5
(4)
(5)
На основе приведенных выше уравнений были рассчитаны значения действительных и мнимых частей относительных магнитных и диэлектрических проницаемостей (рис. 2).
10.1 10.75 11.4 12.05 12.7 13.35 14 /,ГГ,I
).5 44 38 32 26 0.2 а)
08 02 04 1
7.5 8.15 8.8 9.45 10.1 10.75 11,4 12.05 12.7 13.35 14
¿щ
б)
Рис. 2. Электрические параметры среды: а) относительная диэлектрическая проницаемость; б) относительная магнитная проницаемость
Как видно по полученным результатам, разработанный метаматериал при отсутствии коммутаций не приводит к серьезным изменениям диэлектрических параметров среды в широком диапазоне частот, что позволяет сделать вывод о широкополосности и высоких качественных показателях разрабатываемого мета-материала.
Возможные виды коммутаций метаматериала
Оптоуправляемый метаматериал, в который помещается излучатель, позволяет обеспечить несколько режимов работы, которые приводятся на рис. 3.
ПО
11/
ц; 11
\С '
□
шт
"а)"
□ /
б)
Г п ч д
г л 1 \ X ч ч ч ч * ч % С \ * \ V ' --1. 1 1 • Л| 1 П
и и |._| ] и
в)
Рис. 3. Режимы работы оптоуправляемого метаматериала: а) режим прозрачности (нет коммутаций); б) коммутация одной стенки; в) коммутация двух стенок
Метаматериал позволяет обеспечить функционирование в нескольких режимах работы:
1) Режим прозрачности - проявляется, когда отсутствуют коммутации слоев метамате-риала, что позволяет обеспечить беспрепятственное прохождение электромагнитных волн через структуру, и диаграмма направленности практически не отличается от ДН излучателя, небольшие искажения вносят лишь узлы в углах электромагнитного кристалла, которые предназначены для увеличения жесткости конструкции. Теоретически ожидаемые направления протекания электромагнитных волн при таком режиме работы приводятся на рис. 3-а (черные пунктирные линии).
2) Коммутация одной стенки - позволяет реализовать плоский рефлектор для антенны, что позволяет произвести фокусировку излучения в одном направлении, так, это позволяет повысить КНД антенны за счет фокусировки и обеспечить направленное излучение в направлениях: 0°, 90°, 180°, 270°, соответственно, коммутация выполняется в направлении обратном целевому. На рис. 3-б показывается теоретически ожидаемое направление излучения, причем черными пунктирными линиями показывается первичное излучение от дипольной антенны, а серыми линиями с кружками - вторичное излучение, полученное в результате отражений, которое усиливает направленные характеристики системы.
3) Коммутация двух соседних стенок -позволяет сформировать уголковый рефлектор, который обеспечивает направленное излучение в следующих направлениях: 45°, 135°, 225°, 315°. При выполнении такого вида коммутации происходит фокусировка излучения для диагонального излучения, при этом теоретически ожидаемое распространение первичных радиоволн от источника изображено черными линиями на рис. 3-в, а отражённые от метаматериала волны, усиливающие направленные свойства антенны, приводят к усилению направленных свойств антенны.
Таким образом видно, что применение ме-таматериала позволяет сформировать направленное излучение антенн в следующих направлениях: 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°, что позволяет обеспечить направленную связь на основе простой всенаправленной антенны -полуволнового диполя. Наличие двух слоев позволяет обеспечить управление не только направлением излучения, но и шириной главного лепестка диаграммы направленности антенны.
На основе предложенной конструкции антенны возможна реализация направленной связи с малым уровнем излучения в обратном направлении, то есть с большим значением передне-заднего отношения.
Моделирование антенной системы
В процессе исследования выполнялось моделирование оптоуправляемого метаматериала, предназначенного для управления диаграммой направленности полуволнового диполя. Антенна представляет собой медный цилиндрический проводник диаметром 0,5 мм и длиной 13,9 мм. Как известно, простой полуволновой диполь имеет диаграмму направленности в форме торо-ида, что позволяет обеспечить всенаправленное излучение в горизонтальной плоскости. Для управления характеристиками диаграммы направленности применялся активный метамате-риал, который сформирован на основе пенопласта ПС-1, который обладает £ = 1,1 и ^ = 1, что уменьшает влияние на характеристики протекающих радиоволн. Размер ячейки метаматериала 2,27x2,27 мм, а вся итоговая структура имеет размеры 19,7x19,7x21,7 мм, что позволяет полностью поместить полуволновой диполь внутрь конструкции. Произведем анализ влияния мета-материала на основные характеристики излучателя. На рис. 4 приводятся Sll параметры излучателя для ситуации, когда присутствует только полуволновой диполь и неактивный метаматериал.
S-Parameters [Magnitude)
б1-1-1-1-
$ 7 5 5 10 11 12 13 Н
Frequency / GH:
Рис. 4. S11 параметры антенны
Как видно по полученным результатам, ввиду того, что излучатель помещается в среду с диэлектрической проницаемостью отличной от 1, происходит смещение рабочего диапазона частот (по уровню -10 дБ) по частоте вниз, при этом уменьшается значение возвратных потерь, что приводит к повышению коэффициента полезного действия антенны (рис. 5) в рабочем диапазоне частот. Также применение опто-управляемого метаматериала привело к небольшому расширению диапазона рабочих частот с 0,95 до 1,05 ГГц.
Total Efficiency [Magnitude]
5 3 10 11 12 1Э U
Frequency GHi
Рис. 5. Коэффициент полезного действия антенны
По полученным результатам видно, что при использовании метаматериала максимальное значение КПД выше, чем при использовании простой антенны, также наблюдается более резкий спад значений вне рабочего диапазона частот. Таким образом видно, что показатели эффективности антенны возросли при использовании оптоуправляемого метаматериала, при этом небольшое смещение рабочего диапазона частот вызвано тем, что диэлектрическая проницаемость материала исполнения структуры отлична от 1. Влияние метаматериала на характеристики диаграммы направленности были проверены на частоте 9,2 ГГц и приводятся на рис. 6.
FF 9.2 GHz
О — f...(f=09.2000) [1] Dipole
—330 —f...{f=09.2000) Ii] Metamaterial
k ( 0, 2.18829) •2( 0, 2.12705 ) ■^(45, 1,89862 )
)\o!s 1 1.5 Щ
120 \ V\ /'■........ . • // / 240
ISO _L_——-"210
1B0
Phi / Degree vs. dBi
Рис. 6. Характеристики диаграмма: направленности
Как видно, метаматериал вносит небольшие искажения на углах диаграммы направленности, что вызвано наличием ребер жесткости в углах структуры метаматериала.
Таким образом, можно сделать вывод, что оптоуправляемая структура активного метама-териала оказывает небольшое влияние на характеристики антенной системы, что позволяет применять структуры в прозрачном режиме для обеспечения всенаправленной связи.
Произведем анализ возможных случаев коммутации оптоуправляемого метаматериала и их влияния на формирование активного рефлектора антенны. В предлагаемой конструкции оптоуправляемого метаматериала реализуется
двухслойная структура, которая позволяет обеспечить коммутацию двух типов рефлекторов -внутреннего и внешнего. При этом коммутация возможна как одной стенки, так и уголка.
Рассмотрим ситуацию, когда выполняется коммутация внутреннего слоя метаматериала. Так структура, в которой формируются проводники с активными радиоэлементами, удалена от излучателя на 7,59 мм, что позволяет обеспечить лучшую фокусировку радиоволн и повысить стабильность картины диаграммы направленности. Рассмотрим картины электромагнитных полей, которые были получены в результате моделирования методом конечного интегрирования (на частоте f=9,104 ГГц), при этом убедимся, что вид распространения аналогичен теоретическим ожиданиям на рис. 4, полученные картины для односторонней коммутации приводятся на рис. 7а, для коммутации уголка на рис. 7б.
I ад»)
б)
Рис. 7. Картины электромагнитных полей на частоте f=9,104 ГГц: а) формирование плоского рефлектора; б) формирование уголкового рефлектора
Как показывают результаты моделирования, теоретически ожидаемые направления излучения электромагнитных волн, которые приводились на рис. 3, совпадают с полученными. Для коммутации узлов метаматериала в процессе моделирования применялись Spice модели СВЧ pin-диодов. Произведем анализ картин диаграмм направленности антенны, которые были получены в результате моделирования, также стоит отметить, что ввиду симметричности структуры при аналогичных типах коммутаций других стенок метаматериала характеристики не изменяются, а лишь изменяется направление излучения. На рис. 8 приводятся диаграммы направленности антенны при исследовании формирования внутреннего рефлектора антенны в горизонтальной плоскости.
Farfield Directivity Abs (Theta=90) о
оП —-1--™ —fatfield (f=09.2000) [1]
О
Frequency = 9.2 GHz Main !oi>e magnitude = 7.65 dBi
Main !oba direction = 90.0 deg. Angular width (3 dB) = 96.1 deg. Side lobe level = -12.0 dB
a)
Farfield Directivity Abs (Ttieta=90)
Frequency = 9.2 GHz
Main Icbe magnitude = 8.48 dBi Main lobe direction = 45.0 deg. Angular width (3 dB) = 75.2 deg.
Рис. 8. Диаграммы направленности антенны на частоте f=9,2 ГГц: а) при формировании плоского рефлектора; б) формирование уголкового рефлектора
Как видно по полученным результатам моделирования, удается достичь поворота
главного лепестка излучения, причем углы поворота соответствуют ожидаемым направлениям излучения. Также благодаря широкополос-ности применяемого метаматериала управление диаграммой направленности возможно в диапазоне частот от 8,4 ГГц до 9,6 ГГц, причем рабочий диапазон ограничивается именно антенной, а сам метаматериал позволяет обеспечить работу и в более широком диапазоне частот. Для плоского рефлектора уровень передне/заднего отношения в рабочем диапазоне частот не ниже 9,5 дБ, для уголкового отражателя не менее 12 дБ. На рис. 9 приводятся все возможные виды направлений диаграммы направленности для внутреннего рефлектора, а в табл. 1 приводятся сводные характеристики диаграмм направленности антенны с активным внутренним рефлектором.
Result
-farfidd (f=09.2000)
— farfield (f=09.2000)
— farfield (f=09.2000)
— farfield (M9.2000)
— farfield (f-09.2000)
— farfield (f—09.2000)
— farfield (f-09.2000)
— farfield (f= 09.2000)
Phi / Degree vs. dBi
Рис. 9. Объединенные диаграммы направленности при коммутации внутренних слоев
Таблица 1
Характеристики диаграмм направленности при коммутации внутреннего слоя метаматериала, f=9,2 ГГц
Как видно по полученным результатам, антенна обладает высокой эффективностью в исследуемом диапазоне частот, при этом обеспечивается точное направленное излучение, управление которым осуществляется за счет выполнения коммутаций метаматериала.
Так как метаматериал обладает двумя слоями, то произведем исследование характеристик диаграммы направленности антенны при коммутации внешнего слоя метаматериала. Наличие внешнего слоя позволяет управлять помимо направления излучения также и максимальным значением коэффициента направленного действия, шириной главного лепестка диаграммы направленности. Произведем анализ картины электромагнитного поля при различных видах коммутации полей - рис. 10.
б)
Рис. 10. Картины электромагнитных полей на частоте f=9,104 ГГц:
а) формирование плоского внешнего рефлектора;
б) формирование внешнего уголкового рефлектора
Полученные картины показывают, что ожидаемый вид распространения электромагнитного поля подтвержден результатами моделирования, на рис. 11 приводятся диаграммы направленности полученной антенны с внешними рефлекторами.
Как видно по полученным картинам диаграмм направленности, применение внешнего слоя оптоуправляемого метаматериала позво-
Тип рефлектора Плоский Уголковый
Направление излучения, ° 0, 90, 180, 270 45, 135, 225, 315
КНД, дБ 7,65 8,48
Ширина главного
лепестка по уров- 96,4 75,2
ню 3 дБ
Передне/ заднее отношение, дБ 12 20,26
КПД, % 93 84
ляет изменить КНД антенны, при этом происходит изменение ширины главного лепестка, также заметно отклонение главного лепестка при коммутации плоского рефлектора, что вызвано ребрами жесткости на углах метаматери-ала, однако отклонение мало и им можно пренебречь.
Farfieid Directivity Abs (Theta=90)
— farfieid (f=09.20Û0) [1]
Frequency = 9.2 GHz Main lobe magnitude = 7.37 dBi Main lobe direction = 91.0 deg. Angular width (3 dB) = 97.7 deg. Side lobe level = -12.7 dB
a)
Farfieid Directivity Abs (Theta=90)
— farfieid (f=09.2C00) [1]
Frequency = 9.2 GHz Main lobe magnitude = 8-92 dBi Main lobe direction = 45.0 deg. Angular width (3 dB) = 63.7 deg.
б)
Рис. 11. Диаграммы направленности антенны на частоте f=9,2 ГГц:
а) при формировании внешнего плоского рефлектора; б) формирование внешнего уголкового рефлектора
На рис. 12 приводятся все возможные картины диаграмм направленности, которые формируются в процессе коммутаций внешних рефлекторов антенны. Итоговые характеристики диаграмм направленности приводятся в табл. 2.
Рис. 12. Картины ДН, при использовании внешних рефлекторов
Таблица 2
Характеристики диаграмм направленности при коммутации внешнего слоя метаматериала, f=9,2 ГГц
Тип рефлектора Плоский Уголковый
Направление излучения, ° 1, 91, 181, 271 45, 135, 225, 315
КНД, дБ 7,37 8,92
Ширина главного
лепестка по уров- 97,7 63,7
ню 3 дБ
Передне/ заднее отношение, дБ 12,7 39,9
КПД, % 89,7 83
Как видно, полученная антенна позволяет обеспечить управление направлением излучения, а также за счет применения двухслойной активной структуры обеспечить управление характеристиками главного лепестка диаграммы направленности.
Заключение
В проведенном исследовании производилась разработка и моделирование дипольной антенны, интегрированной в оптоуправляемый метаматериал, который применяется для формирования рефлекторов. Благодаря применению высокочастотных коммутаторов удается достичь быстрого переключения характеристик антенны и обеспечить направленное излучение на углах 0, 45, 90, 135, 180, 225, 270, 315 градусов. Применение предложенной конструкции антенны позволяет обеспечить направленную связь с высокой защитой от побочного излучения, которое негативно сказывается на помехозащищенности канала. В процессе исследова-
ния применялись методы моделирования, основанные на методе конечного интегрирования.
Предлагаемая конструкция антенны позволяет решить проблему с формированием направленного излучения, так как не требуется осуществлять механического вращения антенны, а только требуется обеспечивать переключение коммутирующих устройств, что позволяет повысить надежность и упростить конструкцию антенны.
Литература
1. Cho K., Hong S. Design of a VHF/UHF/L-Band Low-Power Active Antenna for Mobile Handsets // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2012. Vol. 11. pp. 45-48.
2. Foroutan F., Nikolova N.K. UWB Active Antenna for Microwave Breast Imaging Sensing Arrays // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2019. Vol. 18. No. 10. pp. 1951-1955.
3. Yang G., Zhang Y., Zhang S. Wide-Band and Wide-Angle Scanning Phased Array Antenna for Mobile Communication System // IEEE Open Journal of Antennas and Propagation. 2021. Vol. 2. pp. 203-212.
4. Yasuzumi T., Kazama Y., Hashimoto O. Beam scanning characteristics of bi-layered patch antenna with slots having conical radiation pattern // 2011 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI). 2011. pp. 3078-3081.
5. Ding Y.R., Jian Cheng Y. A Tri-Band Shared-Aperture Antenna for Wi-Fi MIMO and Beam-Scanning Wi-
Gig Applications // 2019 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting. 2019. pp. 1279-1280.
6. A New Corner-Reflector Antenna With Tunable Gain Based on Active Frequency Selective Surfaces/ G.H. Elzwawi, А. Kesavan, R. Alwahishi, T.A. Denidni // IEEE Open Journal of Antennas and Propagation. 2020. Vol. 1. pp. 88-94.
7. Review on Metamaterial Perfect Absorbers and Their Applications to IoT/М. Amiri, F. Tofigh, N. Shariati, J. Lipman, M. Abolhasan // IEEE Internet of Things Journal. 2021. Vol. 8. No. 6. pp. 4105-4131.
8. Использование активного метаматериала в качестве интегрированного в волновод фазовращателя/ Ю.Г. Пастернак, Е.А. Ищенко, В.А. Пендюрин, С.М. Фёдоров // Труды учебных заведений связи. 2021. Т. 7. № 1. С. 5462.
9. 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. P. 9.
10. Сысоева С. Высокочастотные МЭМС-ключи // Компоненты и технологии. 2011. №11. С. 29-36.
11. A Review of the Scattering-Parameter Extraction Method with Clarification of Ambiguity Issues in Relation to Metamaterial Homogenization/S. Arslanagic et al. // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2013. Vol. 55. No. 2. Pp. 91-106.
12. Peng P., Lixin G. A New Shooting Bouncing Ray Method for Composite Scattering from a Target above the Electrically Large Scope Sea Surface // Mathematical Problems in Engineering. 2017. Vol. 2017. Article ID 6201745. 7 p.
Поступила 25.05.2021; принята к публикации 20.08.2021 Информация об авторах
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
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, Россия, г. Москва, Звездный бульвар, д. 21), e-mail: [email protected]
Пендюрин Владимир Андреевич - генеральный директор, АО НПП «Автоматизированные системы связи» (394062, Россия, г. Воронеж, ул. Пеше-Стрелецкая, д. 108, офис 415), e-mail: [email protected]
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
HALF-WAVE DIPOLE WITH AN ACTIVE REFLECTOR BASED ON OPTO-CONTROLLED
METAMATERIAL
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: to ensure radio communication, various antenna designs are used, which can have omnidirectional or narrowly directional radiation patterns, while directional antennas have the greatest protection of the communication channel from interference and interception. However, their disadvantage is that to ensure communication in all directions, either the installation of a group of antennas or the use of turntables are required, which degrade the reliability of the system, as well as complicate it. Therefore, as a rule, to provide communication, omnidirectional antennas are used, which have a radiation pattern in the form of a toroid. The disadvantage of such antennas is, as a rule, a small directional coefficient, as well as the reception of a large number of noises, which complicates the subsequent signal processing. In this work, we propose a design of a dipole antenna placed in an active metamaterial with the possibility of forming a beam by switching the layers of the structure, which forms dynamically tunable reflectors. Directional patterns obtained in the course of system operation have high directivity values, as well as high noise immunity and protection against interception due to directional properties. As a result of the study, we obtained an antenna design, placed in a cubic structure of an active metamaterial with the possibility of switching conductors using pin diodes or MEMS switches, which allows for fast switching of device operating modes, formation of a directed beam and providing noise-immune and interception-proof communication
Key words: active metamaterial, active reflector, radio communication
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. Cho K., Hong S. "Design of a VHF/UHF/L-Band low-power active antenna for mobile handsets", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2012, vol. 11, pp. 45-48.
2. Foroutan F., Nikolova N.K. "UWB active antenna for microwave breast imaging sensing arrays", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2019, vol. 18, no. 10, pp. 1951-1955.
3. Yang G., Zhang Y., Zhang S. "Wide-band and wide-angle scanning phased array antenna for mobile communication system", IEEE Open Journal of Antennas and Propagation, 2021, vol. 2, pp. 203-212.
4. Yasuzumi T., Kazama Y., Hashimoto O. "Beam scanning characteristics of bi-layered patch antenna with slots having conical radiation pattern", 2011 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI), 2011, pp. 3078-3081.
5. Ding Y.R., Jian Cheng Y. "A tri-band shared-aperture antenna for Wi-Fi MIMO and beam-scanning Wi-Gig applications", 2019 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSIRadio Science Meeting, 2019, pp. 1279-1280.
6. Elzwawi G.H., Kesavan A., Alwahishi R., Denidni T.A. "A new corner-reflector antenna with tunable gain based on active frequency selective surfaces", IEEE Open Journal of Antennas and Propagation, 2020, vol. 1, pp. 88-94.
7. Amiri M., Tofigh F., Shariati N., Lipman J., Abolhasan M. "Review on metamaterial perfect absorbers and their applications to IoT", IEEE Internet of Things Journal, 2021, vol. 8, no. 6, pp. 4105-4131.
8. Pasternak Yu.G., Ishchenko E.A., Pendyurin V.A., Fyedorov S.M. "The use of an active metamaterial as a phase shifter integrated into the waveguide", Papers of the Educational Institutions of Communication (Trudy uchebnykh zavedeniy svyazi), 2021, vol. 7, no. 1, pp. 54-62.
9. 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, pp. 9.
10. Sysoeva S. "High-frequency MEMS keys" // Components and Technologies (Komponenty i tekhnologii), 2011, no. 11, p.
29-36.
11. Arslanagic S. et al. "A review of the scattering-parameter extraction method with clarification of ambiguity issues in relation to metamaterial homogenization", IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2013, vol. 55, no. 2, pp. 91-106.
12. Peng P., Lixin G. "A new shooting bouncing ray method for composite scattering from a target above the electrically large scope sea surface", Mathematical Problems in Engineering, 2017, vol. 2017, 7 p.
Submitted 25.05.2021; revised 20.08.2021
Information about the authors
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
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: [email protected].
Vladimir A. Pendyurin, General Director, JSC RPE "Automated Communication Systems" (of. 415, 108 Peshe-Streletskaya str., Voronezh 394062, Russia), e-mail: [email protected]
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
