CC BY
75
INFLUENCE OF THE METAMATERIAL SURFACE IMPEDANCE ON A MICROSTRIP ANTENNA COUPLING
Alexander Kukharenko,
Ph. D., Head recearcher,
Branch of "Joint Rocket and Space Company"
"Institute of Space Device Engineering",
Moscow, Russia,
alexk.05@mail.ru
Keywords: metamaterial, ground plane, frequency-selective surface, antenna element coupling, surface impedance.
In the present time antennas should meat high and sometimes contradiction requirements. For example, antennas for satellite navigation systems should provide a wide radiation pattern in top hemisphere and mitigation of multi-path signals in bottom one. To meet such requirements metamatirial-based frequency-selective surfaces are more and more often used in the construction of antenna modules. But the use of such structures as antenna element ground planes forces their decoupling with transmitting lines. This work presents an analysis of the influence of the ground plane, formed from mushroom-type metamaterial, on the microstrip antenna element characteristics. A mathematical model, which was used for investigation of dependence of the antenna element input impedance on the frequency-selective structure, on which it is mounted, surface impedance is described. Also an evaluation of dependence of the mushroom-type metamaterial based ground plane surface impedance on the structure resonant elements self inductance and capacitance is provided. Basing the evaluation and the described mathematical model a calculation of voltage wave standing ratio (VSWR) of an antenna element, installed on such a ground plane with different values of resonant elements self capacitance, which clearly shows the possibility of antenna element coupling readjustment with the help of ground plane parameters tuning, is made. A special construction of a mushroom-type metamaterial based ground plane, which construction contains variable capacitance elements and allows the tuning of its surface impedance with the help of direct control voltage, supplied to variable capacitance elements, is presented. The provided measurements of antenna element VSWR, which is installed in the described ground plane center, and the band gap of metamaterial, which forms the ground plane, clearly shows the possibility of microstrip antenna element input impedance tuning with the help of metamaterial resonant elements self capacitance control. Thus, a possibility of electronically tunable antenna elements creation with the help of implementing in to their construction mushroom-type metamaterial based ground planes is theoretically prescribed and practically proved.
Для цитирования:
Кухаренко А.С. Влияние поверхностного импеданса метаматериала на согласование микрополосковой антенны // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2016. - Том 10. - №3. - С. 76-81.
For citation:
Kukharenko А.S. Influence of the metamaterial surface impedance on a microstrip antenna coupling. T-Comm. 2016. Vol. 10. No.3. Pp. 76-81.
Т-Сотт Уо1.10. #3-2016
T-Comm ^м 10. #3-2016
Fig. 5. Sample of the high impedance frequency-selective surface with adjustable band gap
Fig. 6. BFS1 variable capacitance diode volt-farad characteristic
The PCB is made with three conducting layers and two FR4 (s = 4.2) dielectric layers of I mm thickness each. The top layer contains the topology of coupled resonant elements and pads for variable capacitance diode connection, and also diodes are mounted. A metalized vias are made in the center of each resonant element, which connect them to the conductive ground plane, which is made on the second layer of the PCB. Voltage to tune the variable capacitance diodes is supplied to the pads also with the help of vias, which connect them to feeding nets, arranged on the third layer. The same time the ground plane has holes, which prevent a contact between it and feeding net's vias. An antenna element, which dimensions are the same as the ones, provided in Table 1, is placed in the center of the frequency-selective surface.
An experimental measurement of parameters of an antenna element, installed on the adjustable frequcncy-selectivc surface
The results of measurement of parameters of the construction, presented on Fig. S, are presented on Fig. 7. Dotted lines on the graphs present the antenna element VSWR, solid ones - the frequency-selective surface transmission coefficient. The transmission coefficient measurement was made with the help of two microstrip lines, placed on opposite sides of the metamaterial
working surface and separated from the structure by capacitive gaps.
Ф
Tic I--gj] ! Mao 10 cE ( Re! 0 dB Offs 1
Tita---S3 лв щ/ кепи oui
SB Ml M2 1.8562« 2.0116» GHz -8 GHz. -S Ы6<1В 320 dB
M 1 •M 2 ПГЯЯЯ 1 mm Г GHz 2 Z&ttt 1011 и
N
\
\ M2 T ——"
Ц > > У
•v / \mj м: f у
V T
а)
Ф
ÎIC1-gn :î Mas 10 dB I Rii 01« Offs i
TkJ---S3 --'."iR 1U/ Re) 1 U Off5
5Я1 Ml •M 2 1.056201 2,014301 GHz. -4 GHz .5 ■453 <SB 90S dB
Ml M2 îiW* 1 02930« 'eft. ч GH! 1 J64J О Î508 О
_^
f У S
\м;
Ч , M 1 f у
Ch1 Start 1 SGHz Pwr OdBm Slop 2.1 GHz
b)
Fig. 7. Antenna element VSWR ant the frequency-selective surface band gap position in case if variable capacitance diodes are connected to OV (a) and 4V (b) voltage
It can be seen from the graphs, that in case if voltage on variable capacitance diodes is OV, the metamaterial band gap central frequency is I960 MHz and is not matched with the antenna element resonance frequency {2014 MHz). The antenna element coupled band width in the case (VSWR is not grater then 2) is 32.6 MHz. After the variable capacitance diode control voltage was increased up to 4V (the capacitance of the diodes in the case appears to be 3 pF instead of 7.5 pF), the metamaterial band gap central frequency moved up and matched with the antenna element resonance frequency. The same time the antenna element coupling became belter (VSWR value is 1.06 instead of 1.52) and the coupled bandwidth became 42% wider up to 46.3 MHz. The measured data have a good correspondence with to the data, obtained during the mathematical calculation (Fig. 3.).
So, graphs on Fig. 7 clearly show the possibility of microstrip antenna element parameter adjustment with the help of the frequency-selective ground plane surface, on which the antenna element is installed, impedance tuning.
Conclusion
The paper presents the analysis of an influence of an impedance of micro strip antenna frequency-selective ground plane on the antenna element coupling. A possibility of antenna adjustment with the help of tuning of its ground plane electric parameters is mathematically proved. A construction of a mushroom-type me ta material frequency-selective ground plane, which has a possibility of its surface impedance and band gap position adjustment, is shown. Experimental measurements of the ground plane transmission coefficient and VSWR of the antenna element, installed on it, which clearly show the possibility of the antenna element characteristic readjustment with the help of frequency-selective ground plane electrical parameter tuning, are provided.
1. R.R. Rao. W, Kunysz. R. Fante and R. McDonald. CPS/GNSS antennas, London, Artech house, 2012, 420 p.
2. N. Engheta and R. W. Ziolkowsky. Metamaterials - physics and engineering exploration, Danvers, John Wiley & Sons Inc., 2006, 414 p.
3. AS. Kukharenko. A.A. Elizarov. Analysis of the physical features of metamaterials and frequency-selective microwave devices based on them. T-Comm. 2015. Vol. 9. No,5. pp. 36-41 [in Russian!.
4. A. S. Kukharenko, A.A. Elizarov. Methods for Extensión of the Rcjcction Band of Microwave Dcviccs on the Basis of Planar Modified Mushroom_Shaped Metamaterial Structures. Journal of Communica-
tions Technology and Electronics, 2016, Vol, 61, No. 2, pp. 204-210 [in Russian].
5. A. A. Elizarov. A.S. Kukharenko. Broadband frequency-selective microwave devices based on planar modified mushroom metamaterials. 25-th International Crimean conference microwavc and telecommunication technology (CriMiCo-2015). Sevastopol, September 2015: conference Materials in 2 volumes. Sevastopol: KNTZ them. A, S. Popov, 2015. Vol. î, pp. 586-587 [in Russian],
6. A.S. Kukharenko. Investigation of metamaterial surface influence patch antenna's characteristics. Loughborough antenna and propagation conference 2014, Loughborough, England, pp. 204-205, 2014.
7. Z Luo, X. Chen. J. Long. R. Quarfolh and D. Sievenpiper. Nonlinear power-dependent impedance surface. IEEE AP Transactions, vol. 63, No. 4, pp. 1736-1745, 2015.
8. A. A. Elizarov, A.S. Kukharenko. Metamaterial-based frequency selective surface with a band gap electronic adjustment. II all-Russian joint scientific conference "Problems of Microwave Electronics" MILM HSE - "Innovative solutions" Key sight Technologies, Moscow, Publishing house "Media Publisher"', 2015, pp. 45-48 [in Russian].
9. B.A. Panchenko and Y A. Nefedov. Micros! rip antennas. Moscow, Radio i sviaz, 1986, 144 p. [in Russian).
10. R. Garg. P Bhariia. 1. Bah! and A. Ittipiboon. Mi cri strip antenna design handbook, London, Artech House, 2001, 434 p.
11. C.A, Balanis. Antenna theory. New York, John Willey & Sons, 1997,957 p.
12. D. Sievenpiper. L. Zhang. R.J. Broas, N.G. Alexopolous andE. Yablonoyitch. High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band. IEEE Trans. MTT, vol. 47, No 11, pp. 2059-2074, 1999.
References
ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ИМПЕДАНСА МЕТАМАТЕРИАЛА НА СОГЛАСОВАНИЕ МИКРОПОЛОСКОВОЙ АНТЕННЫ
Кухаренко Александр Сергеевич,
к.т.н., с.н.с, Филиал открытого акционерного общества "Объединенная ракетно-космическая корпорация" "Научно-исследовательский институт космического приборостроения", Москва, Россия, alexk.05@mail.ru
Аннотация
В настоящее время к антеннам предъявляются повышенные, а зачастую и противоречивые требования. Так, например, от антенн спутниковых систем навигации требуется широкая диаграмма направленности в верхней полусфере и одновременно подавление приема переотраженных сигналов в нижней. Для удовлетворения этих требований в конструкциях антенных модулей все чаще применяются частотно-селективные поверхности на основе метаматериалов. Однако использование этих структур в качестве экранов антенных элементов приводит к рассогласованию входного сопротивления последних с приемо-передающим трактом. Представлен анализ влияния экрана на основе грибовидного метаматериала на характеристики микрополоскового антенного элемента. Описана математическая модель, при помощи которой проведено исследование зависимости входного сопротивления антенного элемента от поверхностного импеданса частотно-селективной структуры экрана, на который он установлен. Также приведено выражение, определяющее зависимость поверхностного импеданса экрана на основе грибовидного материала от собственных значений индуктивности и емкости его резонансных элементов. На основании этого выражения и представленной математической модели произведен расчет коэффициента стоячей волны антенного элемента, установленного на экран на основе такой частотно-селективной поверхности с различными значениями собственной емкости ее резонансных элементов, который наглядно показывает возможность изменения его настроек путем управления параметрами экрана. Представлена особая конструкция частотно-селективного экрана на основе грибовидного материала, имеющая в своем составе элементы с переменным значением емкости и позволяющая изменять значение его поверхностного импеданса при помощи постоянного управляющего напряжения, подводимого к элементам переменной емкости. Проведенные измерения КСВ антенного элемента, установленного в центре этого экрана, и полосы запирания образующего его метаматериала наглядно демонстритуют возможность изменения входного сопротивления микрополоскового антенного элемента при помощи управления значениями собственной емкости резонансных элементов метаматериала. Теоретически обоснована и экспериментально показана возможность создания электронно-перестраиваемых антенных элементов при помощи использования в их конструкции экранов на основе грибовидных метаматериалов.
Ключевые слова: метаматериал, экран, частотно-селективная поверхность, настройка антенного элемента, поверхностный импеданс.
PUBLICATIONS IN ENGLISH
Литература
1. R.R. Rao, W. Kunysz, R. Fante and R. McDonald. GPS/GNSS antennas. London: Artech house, 2012. 420 p.
2. N. Engheta and R. W. Ziolkowsky. Metamaterials - physics and engineering exploration - Danvers: John Wiley & Sons Inc., 2006. 414 p.
3. Кухаренко А.С., Елизаров А.А. Анализ физических особенностей метаматериалов и частотно-селективных СВЧ устройств на их основе // T-Comm: Телекоммуникации и связь. 2015. Т. 9. №5. С. 36-41.
4. Кухаренко А.С., Елизаров А.А. Методы расширения полосы заграждения СВЧ устройств на основе планарных модифицированных грибовидных структур метаматериалов // Радиотехника и электроника. 2016. Т.61. № 2. С. 204-210.
5. Елизаров А.А., Кухаренко А.С. Широкополосные частотно-селективные СВЧ устройства на основе планарных модифицированных грибовидных метаматериалов // Материалы 25-й Международной Крымской конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо 2015)". Севастополь, 2015. Т. 1. С. 586-587.
6. AS. Kukharenko. Investigation of metamaterial surface influence patch antenna's characteristics // Loughborough antenna and propagation conference 2014. Loughborough, England, 2014, pp. 204-205.
7. Z. Luo, X. Chen, J. Long, R. Quarfoth and D. Sievenpiper. Nonlinear power-dependent impedance surface // IEEE AP Transactions. Vol. 63. No. 4, pp. 1736-1745, 2015.
8. Елизаров А.А., Кухаренко А.С. Частотно-селективная поверхность на основе метаматериала с электронной перестройкой полосы запирания // Труды II Всероссийской научной конференции "Проблемы СВЧ-электроники" МИЭМ НИУ ВШЭ - "Инновационные решения" Keysight Technologies. Москва, 2015. C. 45-48.
9. Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М: Радио и связь, 1986. 144 с.
10. R. Garg, P. Bhartia, I. Bahl and A. Ittipiboon. Micristrip antenna design handbook. London: Artech House, 2001. 434 p.
11. C.A. Balanis. Antenna theory - New York: John Willey & Sons, 1997. 957 p.
12. Sievenpiper D., Zhang L., Broas R. J., Alexopolous N. G., and Yablonovich E. High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band // IEEE Trans. Microw. Theory Tech., Nov. 1999, No. 11, vol. 47, pp. 2059-2074.
