radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2021-24-1-6-14radioelectronics-486Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASИсследование диаграммы обратного излучения квадрупольной антенны с высокоимпедансным экраном больших электрических размеровStudy of the Backscatter Radiation Pattern of a Quadrupole Antenna with a High-Impedance Ground Plane of Large Electrical Sizeshttps://orcid.org/0000-0002-7810-7196ГафаровЕ. Р.GafarovE. R.

Гафаров Евгений Раисович – магистр по направлению "Радиотехника" (2009), аспирант, старший преподаватель кафедры радиотехники

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041

Evgeniy R. Gafarov, Master’s degree in Radio Engineering (2009), postgraduate, senior lecturer of Radio Engineering Department

79 Svobodny Ave., Krasnoyarsk 660041

egafarov@sfu-kras.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4309-226XСаломатовЮ. П.SalomatovYu. P.

Саломатов Юрий Петрович – кандидат технических наук (1982), профессор (2013) кафедры радиотехники

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041

Yury P. Salomatov, Cand. Sci. (Eng.) (1982), Professor (2013) of Department of Radio Engineering

79 Svobodny Ave., Krasnoyarsk 660041

ysalomatov@sfu-kras.ruСибирский федеральный университетРоссияSiberian Federal UniversityRussian Federation202126022021241614Copyright © Гафаров Е.Р., Саломатов Ю.П., 20212021Гафаров Е.Р., Саломатов Ю.П.Gafarov E.R., Salomatov Y.P.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/486Введение

Введение. Устойчивость антенн глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) к многолучевой интерференции во многом определяется крутизной амплитудной диаграммы направленности (ДН) в области скользящих углов (углов, близких к горизонту). Крутизна ДН антенны определяется размером ее экрана. В статье представлено исследование зависимости крутизны амплитудной ДН от диаметра экрана квадрупольной антенны R.

Цель исследования

Цель исследования. Анализ влияния диаметра обычного и высокоимпедансного экранов на ДН и диаграмму обратного излучения (ДОИ) квадрупольной антенны, в том числе в области скользящих углов.

Материалы и методы

Материалы и методы. Численные исследования проведены в САПР СВЧ (CST Studio Suite) методом конечных элементов (finite element method – FEM) и методом конечных разностей во временной области (FDTD), а также методами постобработки результатов.

Результаты

Результаты. Проведено моделирование квадрупольной антенны с емкостным высокоимпедансным и плоским проводящим экранами. Установлено наличие зависимости средней крутизны ДН на скользящих углах от диаметра экрана на нижней fн и верхней fв частотах ГНСС. В ходе исследования выполнен анализ ДН, отношения назад/вперед (down/up или DU), коэффициента усиления в направлении на горизонт (горизонтальное усиление – ГУ) и коэффициента многолучевости (MR) для диаметров R= 1…20 длин волн высокоимпедансного и проводящего экранов. Выявлено, что с целью получения высокой крутизны ДН на скользящих углах возможно применение различных типов экранов, но низкий уровень ДОИ достижим только с применением высокоимпедансной структуры. Показано, что одну и ту же крутизну амплитудной ДН (около 1 дБ/°) для нижних частот (НЧ) ГНСС возможно получить при разных диаметрах экрана R= 12λ0  и, предположительно, 20λ0 .

Заключение

Заключение. Высокоимпедансный экран решетки вертикальных стержней диаметром R = 12λ0 является предпочтительным для квадрупольной антенны на НЧ ГНСС. Да льнейшее увеличение экрана может лишь незначительно улучшать его характеристики.

Introduction

Introduction. The multipath resistance of GNSS antennas is largely determined by the gain slope of the amplitude radiation pattern at sliding angles (angles close to the horizon). The gain slope of the antenna radiation pattern is determined by the size of its ground plane. This article investigates the dependence between the gain slope and ground plane diameter R of a quadrupole antenna.

Aim

Aim. To analyse the impact of the diameter of conventional and high-impedance ground planes on the backscatter radiation pattern of a quadrupole antenna at sliding angles.

Materials and methods

Materials and methods. Computer simulations were carried out in CAD CST Studio Suite using the methods of finite element analysis (FEM), finite difference time domain (FDTD) and template based post-processing.

Results

Results. Quadrupole antennas with a capacitive high-impedance ground plane and a conventional flat ground plane were simulated. The dependence of the average gain slope at sliding angles on the diameter of the ground plane was determined at low fн and upper fв GNSS frequencies. The analysis of the down/up ratio, the rolloff gain and the multipath ratio for R= 1…20 of the wavelength of capacitive high-impedance and ground planes conventional flat was performed. It was established that higher gain slopes can be obtained using different types of ground planes; however, lower backscatter radiation values are achievable only using high-impedance structures. It was observed that the same slope of the radiation pattern (about 1 dB/°) for GNSS lower frequencies can be obtained at different R=12λ0, and, presumably, at 20λ0.

Conclusion

Conclusion. A high-impedance ground plane with a diameter of R=12λ0  is preferable for a quadrupole antenna at low GNSS frequencies. A further increase in the ground plane size will insignificantly improve its characteristics.

антенна ГНССвысокоимпедансный экранпроводящий экрандиаграмма обратного излученияGNSS antennahigh impedance ground screenconventional ground screenbackward radiation patternReferencesТатарников Д. В. Экраны антенн высокоточной геодезии по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем. Ч. 1: Идеально проводящие и импедансные экраны // Антенны. 2008. № 4 (131). С. 6–19.Tatarnikov D. V. Antenna ground planes for highprecision positioning with the global navigation satellites signals. P. 1. Ideal conducting and impedance ground planes. Antennas. 2008, no. 4 (131), pp. 6–19. (In Russ.)Mitigation of Multipath through the Use of an Artificial Magnetic Conductor for Precision GPS Surveying Antennas / W. E. McKinzie, R. B. Hurtado, B. K. Klimczak, J. D. Dutton // IEEE Ant. and Prop. Intern. Symp. San Antonio, USA, 16–21 June 2002. Proc. Vol. 4. Piscataway: IEEE, 2002. P. 640–643. doi: 10.1109/APS.2002.1017065McKinzie W. E., Hurtado R. B., Klimczak B. K., Dutton J. D. Mitigation of Multipath through the Use of an Artificial Magnetic Conductor for Precision GPS Surveying Antennas. IEEE Ant. and Prop. Intern. Symp. 16–21 June 2002, San Antonio, USA. Proc. Vol. 4. Piscataway: IEEE, 2002. P. 640–643. doi: 10.1109/APS.2002.1017065Multiband Three Layer GNSS Microstrip Antenna / E. R. Gafarov, A. A. Erokhin, A. V. Stankovsky, Y. P. Salomatov // Intern. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON). Tomsk, Russia, 18–20 Apr. 2019. Piscataway: IEEE, 2019. Ac. № 18756269. 4 p. doi: 10.1109/SIBCON.2019.8729623Gafarov E. R., Erokhin A. A., Stankovsky A. V., Salomatov Y. P. Multiband Three Layer GNSS Microstrip Antenna. Intern. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON). 18–20 April 2019, Tomsk, Russia. Piscataway: IEEE, 2019, Ac. no. 18756269, 4 p. doi: 10.1109/SIBCON.2019.8729623Multipath Mitigation by Conventional Antennas with Ground Planes and Passive Vertical Structures / D. V. Tatarnikov, V. Fillipov, I. Soutiaguine, A. Astakhov, A. Stepanenko, P. Shamatulsky // GPS Solutions. 2005. Vol. 9, iss. 3. P. 194–201.Tatarnikov D. V., Fillipov V., Soutiaguine I., Astakhov A., Stepanenko A., Shamatulsky P. Multipath Mitigation by Conventional Antennas with Ground Planes and Passive Vertical Structures. GPS Solutions. 2005, vol. 9, iss. 3, pp. 194–201.Springer Handbook of Global Navigation Satellite Systems / ed. by P. J. G. Teunissen, O. Montenbruck. Berlin: Springer, 2016. 1206 p. doi: 10.1007/978-3-319-42928-1_4.Springer Handbook of Global Navigation Satellite Systems. Ed. by P. J. G. Teunissen, O. Montenbruck. Berlin, Springer, 2016, 1206 p. doi: 10.1007/978-3-319-42928-1_4.Leick A., Rapoport L., Tatarnikov D. GPS Satellite Surveying. 4th ed. New York: Wiley, 2015. 836 p.Leick A., Rapoport L., Tatarnikov D. GPS Satellite Surveying. 4th ed. New York, Wiley, 2015, 836 p.Tatarnikov D. V, Astakhov A. V. Large Impedance Ground Plane Antennas for mm-accuracy of GNSS Positioning in Real Time // Progress in Electromagnetics Research Symp. Stockholm, Sweden, Aug. 12–15, 2013. Proc. P. 1825–1829.Tatarnikov D. V, Astakhov A. V. Large Impedance Ground Plane Antennas for mm-accuracy of GNSS Positioning in Real Time. Progress in Electromagnetics Research Symp. Aug. 12–15, 2013, Stockholm, Sweden. Proc., pp. 1825–1829.Sievenpiper D. F. High Impedance Electromagnetic Surfaces: Ph. D. dissertation / University of California. Los Angeles, 1999. 150 p.Sievenpiper D. F. High Impedance Electromagnetic Surfaces. Ph. D. dissertation, University of California. Los Angeles, 1999, 150 p.Modifications to GPS Reference Station Antennas to Reduce Multipath / A. Kerkhoff, R. B. Harris, C. P. Petersen, A. Pickard // Proc. of the 23d Intern. Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation. Sept. Portland, USA, 21–24, 2010. P. 866–878.Kerkhoff A., Harris R. B., Petersen C. P., Pickard A. Modifications to GPS Reference Station Antennas to Reduce Multipath. Proc. of the 23d Intern. Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation. September 21–24, 2010. Portland, USA, pp. 866–878.Tatarnikov D. V. Topcon Full Wave GNSS Reference Station Antenna with Convex Impedance Ground Plane. URL: https://insidegnss.com/wp-content/up-loads/2011/10/Topcon_PN-A5_antenna_white_paper.pdf (дата обращения 14.10.2020)Tatarnikov D. V. Topcon Full Wave GNSS Reference Station Antenna with Convex Impedance Ground Plane. Available at: https://insidegnss.com/wp-content/up-loads/2011/10/Topcon_PN-A5_antenna_white_paper.pdf (accessed 14.10.2020)Periodic Structures, High Impedance and Semitransparent Surfaces in Antennas for Centimeter and Millimeter Precision of Positioning with the Global Navigation Satellite Systems / D. V. Tatarnikov, A. V. Astakhov, A. P. Stepanenko, A. A. Generalov // J. of Physics: Conf. Series. 2018. Vol. 1092. Ac. № 012150. 4 p. doi: 10.1088/1742-6596/1092/1/012150.Tatarnikov D. V., Astakhov A. V., Stepanenko A. P., Generalov A. A. Periodic Structures, High Impedance and Semitransparent Surfaces in Antennas for Centimeter and Millimeter Precision of Positioning with the Global Navigation Satellite Systems. J. of Physics: Conf. Series. 2018, vol. 1092, ac. no. 012150, 4 p. doi: 10.1088/1742-6596/1092/1/012150CST STUDIO SUITE 2020 – моделирование трехмерных электромагнитных структур / ООО "Евроинтех". Люберцы, Моск. обл. URL: http://www.eu-rointech.ru/eda/microwave_design/cst/CST-STUDIO-SUITE.phtml (дата обращения 09.02.2021)CST MICROWAVE STUDIO 2016. Work flow & Solver Overview. CST MICROWAVE STUDIO, 2016, 124 p. Available at: https://manualzz.com/doc/28231181/cst-microwave-studio (accessed 2021/09/02)Gafarov E. R., Erokhin A. A., Salomatov Y. P. Broad-band Four-Fed Circularly Polarized Quadrupole Antenna // Intern. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON). Astana, Kazakhstan, June 29–30, 2017. Piscataway: IEEE, 2017. Ac. № 17082594. doi: 10.1109/SIBCON.2017.7998468Gafarov E. R., Erokhin A. A., Salomatov Y. P. Broad-band Four-Fed Circularly Polarized Quadrupole Antenna. Intern. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON). June 29–30, 2017, Astana, Kazakhstan. Piscataway, IEEE, 2017, ac. no. 17082594. doi: 10.1109/SIBCON.2017.7998468On Site Validation in GNSS Stations for Multipath and Interference Mitigation Structure / A. Dessantis, L. Dicecca, L. D'Agristina, V. Crino, P. Gabellini, P. Russo, F. A. Fernandez, A. Castro, A. Quiles, R. Weiler // 7th ESA Workshop on Satellite Navigation Technologies and European Workshop on GNSS Signals and Signal Processing., Noordwijk, Netherlands, 3–5 Dec. 2014. Piscataway: IEEE, 2014. Ac. № 14947811 doi: 10.1109/NAVITEC.2014.7045137Dessantis A., Dicecca L., D'Agristina L., Crino V., Gabellini P., Russo P., Fernandez F. A., Castro A., Quiles A., Weiler R. On Site Validation in GNSS Stations for Multipath and Interference Mitigation Structure. 7th ESA Workshop on Satellite Navigation Technologies and European Workshop on GNSS Signals and Signal Processing. 3–5 Dec. 2014, Noordwijk, Netherlands. Piscataway, IEEE, 2014, ac. no. 14947811. doi: 10.1109/NAVITEC.2014.7045137Broadband Capacitively Coupled Stacked Patch Antenna for GNSS Applications / D. Li, P. Guo, Q. Dai, Y. Fu / IEEE Antennas and Wireless Propagation Lett. 2012. Vol. 11. P. 701–704. doi: 10.1109/LAWP.2012.2205129Li D., Guo P., Dai Q., Fu Y. Broadband Capacitively Coupled Stacked Patch Antenna for GNSS Applications. IEEE Antennas and Wireless Propagation Lett. 2012, vol. 11, pp. 701–704. doi: 10.1109/LAWP.2012.2205129Tatarnikov D. V. Semi-Transparent Ground Planes excited by Magnetic Line Current // IEEE Anten. and Propag. 2012. Vol. 60, iss. 6. P. 2843–2852. doi: 10.1109/TAP.2012.2194636Tatarnikov D. V. Semi-Transparent Ground Planes excited by Magnetic Line Current. IEEE Anten. and Propag. 2012, vol. 60, iss. 6, pp. 2843–2852. doi: 10.1109/TAP.2012.2194636

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