radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2020-23-2-38-45radioelectronics-416Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASСверхширокополосная диэлектрическая стержневая антеннаUltra Wide Band Dielectric Rod Antennahttps://orcid.org/0000-0002-0204-327XПавловИ. Д.PavlovI. D.

Павлов Иван Дмитриевич – магистр по направлению "Радиотехника" (2017). Инженер-конструктор 3 категории

Автор двух научных публикаций. Сфера научных интересов – электродинамика и антенно-фидерные устройства. 

Ivan D. Pavlov, Master in Radio Engineering (2017), Design Engineer 

The author of 2 scientific publications. Area expertise: electrodynamics and antenna feeder devices.

s-glok9@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6889-597XКараевЯ. В.KaraevYa. V.

Караев Ярослав Вячеславович – бакалавр по направлению "Радиотехника" (2018). Инженерконструктор

Сфера научных интересов – электродинамика и антенно-фидерные устройства. 

Yaroslav V. Karaev, Bachelor in Radio Engineering (2018). Design Engineer 

Area expertise: electrodynamics and antenna feeder devices.

yaroslav.karaev@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6918-5117КотМ. А.KotM. A.

Кот Марк Альбертович – дипломированный инженер по специальности "Системы движения поездов" (2017, Омский государственный университет путей сообщения). Аспирант Омского государственного технического университета по специальности "Радиотехника". Автор одной научной публикации. Сфера научных интересов – электродинамика и антенно-фидерные устройства.

Mark A. Kot, Certified Engineer in "Train Traffic Systems" (2017, Omsk State Transport University). Postgraduate student 

The author of 1 scientific publications. Area expertise: electrodynamics and antenna feeder devices.

kotmark93@mail.ruАО "Центральное конструкторское бюро автоматики"РоссияJSC "Central design bureau of automatics"Russian FederationОмский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian Federation2020280420202323845Copyright © Павлов И.Д., Караев Я.В., Кот М.А., 20202020Павлов И.Д., Караев Я.В., Кот М.А.Pavlov I.D., Karaev Y.V., Kot M.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/416Введение

Введение. Пространство, выделяемое для размещения антенны, в различных устройствах может характеризоваться неудобной для этого формой. В частности, на борту летательного аппарата длина и высота зоны размещения антенны соотносятся приблизительно как 5:1. Задача размещения антенны в этом пространстве предполагает разработку диэлектрической стержневой антенны со сходным соотношением габаритных размеров и возможностью удобного крепления на плоской проводящей поверхности. Широкополосность антенны характеризуется отношением верхней в fв нижней fн граничных частот рабочего диапазона. В авиационной технике целесообразно применение сверхшировополосных антенн, имеющих отношение в fв / fн = 9:1. При этом коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) не должно превышать 3, коэффициент усиления (КУ) быть не менее 1 дБи, диаграмма направленности должна быть осесимметричной с уровнем боковых лепестков, не превышающим 25 %.

Цель

Цель. Разработка и исследование характеристик сверхширокополосной диэлектрической стержневой антенны.

Материалы и методы

Материалы и методы. Конструирование и определение параметров антенн выполнены электродинамическим моделированием в среде Ansoft HFSS. Предложены два различающихся конструктивно варианта сверхширокополосной диэлектрической стержневой антенны.

Результаты

Результаты. В результате проведенного моделирования получены антенны со следующими параметрами в требуемом диапазоне частот: – для первого варианта – КСВН не превышает 3.25, КУ изменяется от 6 до 12 дБи, диаграмма направленности осесимметричная с уровнем боковых лепестков, не превышающим 30 %; – для второго варианта – КСВН не превышает 2.75, КУ изменяется от 5 до 11 дБи, диаграмма направленности осесимметричная с уровнем боковых лепестков, не превышающим 20 %; Конструктивные особенности второго варианта позволяют удобно закрепить его на плоской проводящей поверхности.

Заключение

Заключение. Сравнение полученных результатов с требованиями, предъявляемыми к рассматриваемой антенне, показывают, что второй вариант, в отличии от первого, обладает допустимым уровнем согласования (КСВН 2.75 £ ) и бокового излучения диаграммы направленности (20 %) и может быть рекомендован для предполагаемого применения.

Introduction

Introduction. Often, the space allocated for placement of an antenna has an inconvenient shape for this. The inconvenience is that its overall dimensions, namely the length and height, relate to each other approximately as 5:1. The task of placing the antenna in the space, in the absence of ready-made solutions, involves the development of an antenna with a similar ratio (5:1) of overall dimensions and with the possibility of convenient mounting on a flat conductive surface. Also, in the 9:1 frequency band, the antenna should have the following radio technical characteristics: voltage standing wave coefficient (VSWR) of not more than 3, gain of at least 1 dBi, radiation patterns should be axisymmetric with side lobe level not exceeding 25 %.

Aim

Aim. Development and study of the characteristics of an ultra-wideband dielectric rod antenna.

Materials and methods

Materials and methods. Two structurally different versions of an ultra-wideband dielectric rod antenna were proposed. The main radio technical characteristics of both options were obtained through electrodynamic modeling in Ansoft HFSS.

Results

Results. As a result of the simulation, the following radio characteristics were obtained: – for the first option, the VSWR does not exceed 3.25 in the required frequency range, the gain varies from 6 to 12 dBi, the axisymmetric radiation patterns with the level of the side lobes not exceeding 30 %; – for the second option, the VSWR does not exceed 2.75 in the required frequency range, the gain varies from 5 to 11 dBi, the axisymmetric radiation patterns with the level of the side lobes not exceeding 20 %; In addition, the structural differences of the second option make it convenient to fix it on a flat conductive surface.

Conclusion

Conclusion. Comparison of the obtained results with the requirements for the antenna under consideration shows that, unlike the first, the second option has an acceptable level of matching (VSWR 2.75) and of side radiation of radiation patterns (20 %). Based on this, it can be concluded that only the second option is suitable for the intended application.

широкополосная антеннадиэлектрическая стержневая антеннаширокополосное согласованиеwideband antennadielectric rod antennawideband matchingReferencesLippincott W. L. Design of a Broadband Zig-Zag Pyramidal Log-Periodic Antenna // 2009 IEEE Anten. and Prop. Society Intern. Symp. Charleston, SC, USA, 1–5 June, 2009. doi: 10.1109/APS.2009.5172290Lippincott W. L. Design of a Broadband Zig-Zag Pyramidal Log-Periodic Antenna. 2009 IEEE Anten. and Prop. Society Intern. Symp. Charleston, SC, USA, 1–5 June, 2009. doi: 10.1109/APS.2009.5172290Пат. 2427060, МПК H01Q13/02. Сверхширокополосная рупорная антенна / Г. В. Коробейников, Д. Д. Кохнюк, А. Р. Григорьев. Опубл. 20.08.2011. Бюл. № 23.Korobeinikov G. V., Kokhnyuk D. D., Grigor'ev A. R. Pat. RF 2427060. Ultra Wide Band Horn Antenna. Publ. 20.08.2011.Abumushar A. J., Sertel K. 5:1 Bandwidth Dielectric Rod Antenna using a Novel Feed Structure // IEEE Trans. on Anten. and Prop. 2017. Vol. 65, iss. 5. P. 2208–2214. doi: 10.1109/TAP.2017.2677379.Abumushar A. J., Sertel K. 5:1 Bandwidth Dielectric Rod Antenna using a Novel Feed Structure. IEEE Trans. on Anten. and Prop. 2017, vol. 65, iss. 5, pp. 2208–2214. doi: 10.1109/TAP.2017.2677379Kumar V. S., Kurup D. G. Design of Dielectric Rod Antenna for Ground Station Applications // 2017 IEEE Intern. Conf. on Antenna Innovations & Modern Technologies for Ground, Aircraft and Satellite Applications (iAIM). Bangalore, India, 24–26 Nov. 2017. doi: 10.1109/IAIM.2017.8402629.Kumar V. S., Kurup D. G. Design of Dielectric Rod Antenna for Ground Station Applications. 2017 IEEE Intern. Conf. on Antenna Innovations & Modern Technologies for Ground, Aircraft and Satellite Applications (iAIM). Bangalore, India, 24–26 Nov. 2017. doi: 10.1109/IAIM.2017.8402629Qiu Jing-hui, Wang Nan-nan. Optimized Dielectric Rod Antenna for Millimeter Wave FPA Imaging System / 2009 IEEE Intern. Workshop on Imaging Systems and Techniques. Shenzhen, China, 11–12 May 2009. doi: 10.1109/IST.2009.5071621Qiu Jing-hui, Wang Nan-nan. Optimized Dielectric Rod Antenna for Millimeter Wave FPA Imaging System. 2009 IEEE Intern. Workshop on Imaging Systems and Techniques. Shenzhen, China, 11–12 May 2009. doi: 10.1109/IST.2009.5071621The Dielectric Wedge Antenna / A. G. Yarovoy, A. D. Schukin, I. V. Kaploun, L. P. Ligthart // IEEE Trans. on Anten. and Prop. 2002. Vol. 50, iss. 10. P. 1460–1472. doi: 10.1109/TAP.2002.803968Yarovoy A. G., Schukin A. D., Kaploun I. V., Ligthart L. P. The Dielectric Wedge Antenna. IEEE Trans. on Anten. and Prop. 2002, vol. 50, iss. 10, pp. 1460–1472. doi: 10.1109/TAP.2002.803968Chung J. Y. Ultra wideband dielectric loaded horn antenna with dual linear polarization capability. Progress In Electromagnetics Research. 2010. Vol. 102. P. 397– 411. doi: 10.2528/PIER10022703Chung J. Y. Ultra Wideband Dielectric Loaded Horn Antenna with Dual Linear Polarization Capability. Progress In Electromagnetics Research. 2010, vol. 102, pp. 397–411. doi: 10.2528/PIER10022703Wittemen N. R. Ultra Wideband Dielectric Rod Antenna Advancements through Additive Manufacturing // 2018 IEEE Intern. Symp. on Anten. and Prop. & USNC/URSI National Radio Science Meeting. Boston, Massachusetts. 8–13 July, 2018. doi: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2018.8608445Wittemen N. R. Ultra Wideband Dielectric Rod Antenna Advancements through Additive Manufacturing. 2018 IEEE Intern. Symp. on Anten. and Prop. & USNC/URSI National Radio Science Meeting. Boston, Massachusetts. 8–13 July, 2018. doi: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2018.8608445Lee K.-H., Chen C.-C., Lee R. UWB Dual-Linear Polarization Dielectric Horn Antennas as Reflector Feeds // IEEE Trans. on Anten. and Prop. 2007. Vol. 55, iss. 3. P. 798–804. doi: 10.1109/TAP.2007.891804Lee K.-H., Chen C.-C., Lee R. UWB Dual-Linear Polarization Dielectric Horn Antennas as Reflector Feeds. IEEE Trans. on Anten. and Prop. 2007, vol. 55, iss. 3, pp. 798–804. doi: 10.1109/TAP.2007.891804Duncan J. W., Minerva V. P. 100:1 Bandwidth Balun transformer // Proc. of the IRE. 1960. Vol. 48, iss. 2. P. 156–164. doi: 10.1109/JRPROC.1960.287459Duncan J. W., Minerva V. P. 100:1 Bandwidth Balun transformer. Proc. of the IRE. 1960, vol. 48, iss. 2, pp. 156–164. doi: 10.1109/JRPROC.1960.287459Numerical Modeling of Ultra Wideband Dielectric Horn Antennas Using FDTD / N. V. Venkatarayalu, C.-C. Chen, F. L. Teixeira, R. Lee // IEEE Trans. on Anten. and Prop. 2004. Vol. 52, iss. 5. P. 1318–1323. doi: 10.1109/TAP.2004.827510Venkatarayalu N. V., Chen C.-C., Teixeira F. L., Lee R. Numerical Modeling of Ultra Wideband Dielectric Horn Antennas Using FDTD. IEEE Trans. on Anten. and Prop. 2004, vol. 52, iss. 5, pp. 1318–1323. doi: 10.1109/TAP.2004.827510.Lai A. K. Y., Sinopoli A. L., Burnside W. D. A Novel Antenna for Ultra Wideband Applications // IEEE Trans. on Anten. and Prop. 1992. Vol. 40, iss. 7. P. 755–760. doi: 10.1109/8.155739Lai A. K. Y., Sinopoli A. L., Burnside W. D. A Novel Antenna for Ultra Wideband Applications. IEEE Trans. on Anten. and Prop. 1992, vol. 40, iss. 7, pp. 755–760. doi: 10.1109/8.155739.Turk A. S., Keskin A. K., Senturk M. D. Dielectric Loaded TEM Horn-Fed Ridged Horn Antenna Design for Ultra Wideband Ground-Penetrating Impulse Radar // Turkish J. of Electrical Engineering & Computer Sciences. 2015.Vol. 23.P.1479–1488. doi: 10.3906/elk-1303-48Turk A. S., Keskin A. K., Senturk M. D. Dielectric Loaded TEM Horn-Fed Ridged Horn Antenna Design for Ultra Wideband Ground-Penetrating Impulse Radar. Turkish J. of Electrical Engineering & Computer Sciences. 2015, vol. 23,pp. 1479–1488. doi: 10.3906/elk-1303-48Chung K., Pyun S., Choi J. Design of an Ultra wideband TEM Horn Antenna With a Microstrip-Type Balun // IEEE Trans. on Anten. and Prop. 2005. Vol. 53, iss. 10. P. 3410–3413. doi: 10.1109/TAP.2005.856396Chung K., Pyun S., Choi J. Design of an Ultra wideband TEM Horn Antenna With a Microstrip-Type Balun. IEEE Trans. on Anten. and Prop. 2005, vol. 53, iss. 10, pp. 3410–3413. doi: 10.1109/TAP.2005.856396

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