radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2019-22-4-45-52radioelectronics-353Research ArticleОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯORIGINAL ARTICLEСинтез направленного излучателя в диапазоне 0.9…5.8 ГГцSynthesis of a Radiator in the Frequency Range of 0.9…5.8 GHzЛитовскийИ. А.LitovskyIlya A.

инженер-электроник

Postgraduate student of the Department of Bionics and Statistical Radiophysics of Lobachevsky University of Nizhny Novgorod. Electronic Engineer at PJSC «NPO" Almaz "»

litovskii@list.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5707-0806МаврычевЕ. А.MavrychevEvgeny A.

кандидат технических наук (2003), доцент (2012) кафедры информационных радиосистем

Cand. Sci. (Engineering) (2003), Associate Professor (2012) on the Department of Information Radio Systems

mavrychev.eugene@mail.ruНижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского; ПАО «НПО "Алмаз"»РоссияLobachevsky State University of Nizhny Novgorod; PJSC «NPO" Almaz "»Russian FederationНижегородский государственный технический университет им. Р. Е. АлексееваРоссияNizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. AlekseevRussian Federation2019011020192244552Copyright © Литовский И.А., Маврычев Е.А., 20192019Литовский И.А., Маврычев Е.А.Litovsky I.A., Mavrychev E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/353Введение

Введение. Рассмотрена проблема синтеза направленного излучателя с 50-омным портом на входе, в частотном диапазоне 0.9…5.8 ГГц. Данный диапазон на сегодняшний день является наиболее актуальным для анализа электромагнитной обстановки, так как в этой полосе частот наиболее часто реализуется обмен информацией с бортовой аппаратурой беспилотных летательных аппаратов.

Цель работы

Цель работы. Синтез направленного широкополосного излучателя в частотном диапазоне 0.9…5.8 ГГц.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для синтеза широкополосного излучателя используется метод конечных элементов при электродинамическом моделировании в программном средстве HFSS. Характеристики излучателя, оптимизированные на электродинамической модели, подтверждаются с помощью натурных экспериментов на макете излучателя. Измерения диаграммы направленности, проводимые в безэховой камере, и коэффициента стоячей волны (КСВ) осуществляются с помощью анализатора цепей.

Результаты

Результаты. Предложен неаналитический метод параметрической оптимизации модели по критерию КСВ < 2 удобный для применения в средствах электродинамического моделирования (HFSS, CST, FEKO и др.). Приведены эскизы разработанной оптимизированной модели с указанием итоговых значений всех геометрических параметров излучателя. Представлены снимки расчетного распределения электрического поля на полотне антенны, расчетные диаграммы направленности на крайних частотных точках рабочего диапазона (0.9 ГГц…5.8 ГГц), расчетный КСВ модели. Полученные результаты дают представление об основных характеристиках синтезируемой антенны. По результатам моделирования и параметрической оптимизации геометрии излучателя изготовлен макет антенны. Приведены измеренные главные сечения диаграммы направленности и КСВ макета.

Заключение

Заключение. В результате представленного исследования разработана модель широкополосного излучателя в диапазоне 0.9…5.8 ГГц, проведено макетирование и краткий сравнительный анализ расчетных и измеренных характеристик антенны, демонстрирующий хорошее совпадение расчетных и измеренных диаграмм направленности и зависимостей КСВ от рабочей частоты. Описаны преимущества предложенного метода и самой модели излучателя. Результаты работы актуальны в задачах наблюдения, пеленгации и приема сигналов от беспилотных летательных аппаратов.

Introduction

Introduction. In this work, we consider the problem of a radiator synthesis with the 50-Ohm port at the input in the frequency range of 0.9…5.8 GHz. At present, this frequency range is the most relevant for the electromagnetic environment analysis due to information exchange with the on-board equipment of unmanned aerial vehicles is most often realized in this frequency range.

Objective

Objective. The main objective of this work is the synthesis of a radiator for an ultra-wideband antenna array in the frequency range of 0.9…5.8 GHz.

Materials and methods

Materials and methods. In this work, the method of full-wave electromagnetic simulation is used for the broadband radiator synthesis. The characteristics of the radiator are optimized by simulation and confirmed by experimental investigations of the radiator model. The antenna radiation pattern measurements are carried out in the anechoic chamber and standing wave ratio (SWR) is calculated by using the network analyzer.

Results

Results. A non-analytical method of the model parametric optimization considering the SWR<2 criterion and using the latest tools of the full-wave electromagnetic simulation is proposed. The examples of the designed optimized model with the final values of all parameters are reported. The calculated distributions of the electric field over the antenna, calculated radiation patterns at several frequency points, and calculated SWR of the model are presented. The radiator model is made taking into account simulation and optimization results. The measured main cross-sections of the radiation pattern and SWR of the model are shown. Conclusion. In the present work, the broadband radiator model in the frequency range of 0.9…5.8 GHz is designed. The machining and brief comparative analysis of the calculated and measured antenna characteristics is carried out and demonstrated a good agreement. The advantages of the proposed method and designed radiator model are described. The results of this work are relevant in the tasks of observation, direction finding and signals reception from unmanned aerial vehicles. Key words: ultra-wideband antenna, Vivaldi antenna, microwave range, full-wave electromagnetic simulation><2 criterion and using the latest tools of the full-wave electromagnetic simulation is proposed. The examples of the designed optimized model with the final values of all parameters are reported. The calculated distributions of the electric field over the antenna, calculated radiation patterns at several frequency points, and calculated SWR of the model are presented. The radiator model is made taking into account simulation and optimization results. The measured main cross-sections of the radiation pattern and SWR of the model are shown.

Conclusion

Conclusion. In the present work, the broadband radiator model in the frequency range of 0.9…5.8 GHz is designed. The machining and brief comparative analysis of the calculated and measured antenna characteristics is carried out and demonstrated a good agreement. The advantages of the proposed method and designed radiator model are described. The results of this work are relevant in the tasks of observation, direction finding and signals reception from unmanned aerial vehicles.

сверхширокополосная антеннаантенна ВивальдиСВЧ-диапазонэлектродинамическое моделированиеultra-wideband antennaVivaldi antennamicrowave rangefull-wave electromagnetic simulationReferencesYang L., Giannakis G. B. Ultra-Wideband Communications. An Idea whose Time has Come // IEEE Signal Processing Magazine. 2004. Vol. 21, № 6. P. 26–54. doi: 10.1109/MSP.2004.1359140Yang L., Giannakis G. B. Ultra-Wideband Communications: An Idea whose Time has Come. IEEE Signal Processing Magazine. 2004, vol. 21, no. 6, pp. 26–54. doi: 10.1109/MSP.2004.1359140Localization via Ultra-Wideband Radios / S. Gezici, Z. Tian, G. B. Giannakis, H. Kobayashi, A. V. Molisch, H. V. Poor, Z. Sahinoglu // IEEE Signal Processing Magazine. 2005. Vol. 22, № 4. P. 70–84. doi: 10.1109/MSP.2005.1458289Gezici S., Tian Z., Giannakis G. B., Kobayashi H., Molisch A. V., Poor H. V., Sahinoglu Z. Localization via Ultra-Wideband Radios. IEEE Signal Processing Magazine. 2005, vol. 22, no. 4, pp. 70–84. doi: 10.1109/ MSP.2005.1458289Чернышев С. Л. Приближенный аналитический синтез сверхширокополосных устройств на плавных нерегулярных линиях // Наука и образование. Электрон. журн. 2008. № 1. URL: http://engineeringscience.ru/doc/70017.html (дата обращения: 09.04.2019)Chernyshev S. L. Approximate analytical synthesis of ultra-wideband devices on smooth irregular lines. Science and education. MGTU N. E. Bauman. Electron. Journal. 2008, no. 1. Available at: http://engineeringscience.ru/doc /70017.html (accessed 09.04.2019) (In Russ.)Ultrawideband VHF/UHF Dipole Array Antenna / A. J. Fenn, P. T. Hurst, J. D. Krieger, J. S. Sandora, L. I. Parad // Proc. of 2010 IEEE Intern. Symp. on Phased Array Systems and Technology, Waltham, MA, USA, 12–15 Oct. 2010. Piscataway: IEEE, 2010. P. 79–82. doi: 10.1109 /array.2010.5613390Fenn A. J., Hurst P. T., Krieger J. D., Sandora J. S., Parad L. I. Ultrawideband VHF/UHF Dipole Array Antenna. Proc. of 2010 IEEE Intern. Symp. on Phased Array Systems and Technology, Waltham, MA, USA, 12–15 Oct. 2010. Piscataway, IEEE, 2010, pp. 79–82. doi: 10.1109/array.2010.5613390Yang K.-W., Zhang F.-S., Li C. Design of a Novel Wideband Printed Dipole Array Antenna // Proc. of 2018 Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conf. (CSQRWC), Xuzhou, China, 21–24 July 2018. Piscataway: IEEE, 2018. doi: 10.1109 /csqrwc.2018.8455804Yang K.-W., Zhang F.-S., Li C. Design of a Novel Wideband Printed Dipole Array Antenna. Proc. of 2018 Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conf. (CSQRWC), Xuzhou, China, 21–24 July 2018. Piscataway, IEEE, 2018. doi: 10.1109/ csqrwc.2018.8455804Terentyeva P. V., Golovkov G. A., Borovikov S. G. Antenna Array for the Passive Radar Monitoring System // Proc. of 2018 22nd Intern. Microwave and Radar Conf. (MIKON), Poznan, Poland, 14–17 May 2018. Piscataway: IEEE, 2018 P. 208–211. doi: 10.23919/MIKON.2018.8405179Terentyeva P. V., Golovkov G. A., Borovikov S. G. Antenna Array for the Passive Radar Monitoring System. Proc. of 2018 22nd Intern. Microwave and Radar Conf. (MIKON), Poznan, Poland, 14–17 May 2018. Piscataway, IEEE, 2018, pp. 208–211. doi: 10.23919/MIKON.2018.8405179Теоретические основы радиолокации / под ред. Я. Д. Ширмана. М.: Сов. радио, 1970. 560 с.Theoretical foundations of radar. Ed. by J. D. Shirman. Мoscow, Sov. radio, 1970, 560 p. (In Russ.)Исследование возможности использования принципа фрактальности для построения многодиапазонных сверхширокополосных антенных структур на основе ТЕМ-рупоров, размещенных внутри друг друга / А. В. Ашихмин, Ю. Г. Пастернак, И. В. Попов, Ю. А. Рембовский // Антенны. 2008. № 2 (129). С. 32–38.Ashihmin А. V., Pasternak Y., Popov I. V., Rembovsky Y. A. Investigation of the possibility of using the principle of fractality to build multi-band ultra-wideband antenna structures based on TEM horns placed inside each other. Antennas, 2008, № 2(129), pp. 32–38.Ротхаммель К. Антенны: В 2 т. Т. 2. М.: ДМКПресс, 2011. 414 с.Rothammel К. Antennas, vol. 2. Мoscow, DМКPress, 2011, 414 p. (In Russ.)Gibson P. J. The Vivaldi aerial // 9th European Microwave Conf. Brighton, UK, 17–20 Sept. 1979. Piscataway: IEEE, 1979. P. 101–105. doi: 10.1109/EUMA.1979.332681Gibson P. J. The Vivaldi aerial. 9th European Microwave Conference. Brighton, UK, 17–20 Sept. 1979. Piscataway, IEEE, 1979, pp. 101–105. doi: 10.1109/EUMA.1979.332681A UHF Ultrabroadband Vivaldi-Type Direction Finding Antenna / R. Mueller, S. Lutz, R. Lorch, T. A. Walter // Proc. of 2010 IEEE Antennas and Propagation Society Intern. Symp., Toronto, ON, Canada, 11–17 July 2010. Piscataway: IEEE, 2010. doi: 10.1109/aps.2010.5561691Mueller R., Lutz S., Lorch R., Walter T. A. UHF Ultrabroadband Vivaldi-Type Direction Finding Antenna. Proc. of 2010 IEEE Antennas and Propagation Society Intern. Symp., Toronto, ON, Canada, 11–17 July 2010. Piscataway, IEEE, 2010. doi: 10.1109/aps.2010.5561691A Design of High-Gain Vivaldi Antenna Loaded with Antipodal Structure and Slotting Correction / Y. Tang, X. Cao, Y. Song, L. Jidi, J. Lan, H. Yu // Proc. of 2018 IEEE MTT-S Intern. Wireless Symp. (IWS), Chengdu, China, 6–10 May 2018. Piscataway: IEEE, 2018. doi: 10.1109/ieee-iws.2018.8400909Tang Y., Cao X., Song Y., Jidi L., Lan J., Yu H. A Design of High-Gain Vivaldi Antenna Loaded with Antipodal Structure and Slotting Correction. Proc. of 2018 IEEE MTT-S Intern. Wireless Symp. (IWS), Chengdu, China, 6–10 May 2018. Piscataway, IEEE, 2018. doi: 10.1109/ieeeiws.2018.8400909A Miniaturized Vivaldi Antenna with High Gain for Ultra-Wideband Applications / H. Wang, S. He, Z. Ding, J. Cao, Y. Yang // Proc. of 2017 Sixth Asia-Pacific Conf. on Antennas and Propagation (APCAP), Xi'an, China, 16–19 Oct. 2017. Piscataway: IEEE, 2017. doi: 10.1109/apcap .2017.8420722Wang H., He S., Ding Z., Cao J., Yang Y. A Miniaturized Vivaldi Antenna with High Gain for Ultra-Wideband Applications. Proc. of 2017 Sixth Asia-Pacific Conf. on Antennas and Propagation (APCAP), Xi'an, China, 16–19 Oct. 2017. Piscataway, IEEE, 2017. doi: 10.1109/apcap.2017.8420722Виленский А. Р. Чернышев С. Л. Синтез сверхширокополосных излучателей экспоненциального типа // XV МНТК "Радиолокация, навигация, связь". Воронеж, 14–16 апр. 2009. Т. 1. С. 396–405.Vilensky A. R., Chernyshev S. L. Synthesis of ultrawideband radiators of exponential type. XV ISTC Radiolocation, navigation, connection. Voronezh. 2009, vol. 1, pp. 396–405. (In Russ.)Рязанов И. Г., Бякин А. А., Белоусов О. А. Анализ и синтез широкополосной планарной щелевой антенны с экспоненциальным изменением ширины щели для систем широкополосного доступа // Вопр. соврем. науки и практики. 2013. № 2 (46). C. 297–306.Ryazanov I. G., Byakin A. A., Belousov O. A. Analysis and Synthesis of Broadband Planar Slit Antenna with Slit Width Exponential Change For Broadband Access Systems. Problems of Contemporary Science and Practice. Vernadsky University. 2013, no. 2 (46), pp. 297–306. (In Russ.)Математические методы прикладной электродинамики / под ред. С. Б. Раевского. М.: Радиотехника, 2007. 88 с.Mathematical methods of applied electrodynamics. Ed. by S. B. Raevsky. Мoscow, Radio engineering, 2007, 88 p. (In Russ.)Shan J., Xu A., Lin J. A Parametric Study of Microstrip-Fed Vivaldi Antenna // Proc. of 2017 3rd IEEE Intern. Conf. on Computer and Communications (ICCC), Chengdu, China, 13–16 Dec. 2017. Piscataway: IEEE, 2017. P. 1099–1103. doi: 10.1109/compcomm.2017.8322713Shan J., Xu A., Lin J. A Parametric Study of MicrostripFed Vivaldi Antenna. Proc. of 2017 3rd IEEE Intern. Conf. on Computer and Communications (ICCC), Chengdu, China, 13–16 Dec. 2017. Piscataway, IEEE, 2017, pp. 1099– 1103. doi: 10.1109/compcomm.2017.8322713

The authors declare that there are no conflicts of interest present.