radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2023-26-3-58-66radioelectronics-760Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASСоздание кольцевой антенной решетки на основе излучателей Вивальди для широкополосного канала связи с ретрансляциейCreation of a Vivaldi-Based Circular Antenna Array for Broadband Relay Channelshttps://orcid.org/0000-0001-9797-2575МежевовП. А.MezhevovPavel A.

Межевов Павел Александрович – аспирант и  ассистент кафедры радиосистем и обработки  сигналов.

Автор четырех научных работ. Сфера научных  интересов – антенны; СВЧ-устройства.

пр. Большевиков, д. 22/1, Санкт-Петербург, 193232

Pavel A. Mezhevov, Postgraduate Student and Assistant  of the Department of Radio Systems and Signal  Processing.

The author of 4 scientific publications. Area of expertise:  antennas; microwave devices.

22/1, Bolshevikov Pr., St Petersburg 193232

mezhevov.pav@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7979-3725КоровинК. О.KorovinKonstantin O.

Коровин Константин Олегович – кандидат физико-математических наук (2009), доцент (2020),  заведующий кафедрой радиосистем и обработки  сигналов.

Автор более 30 научных работ. Сфера научных  интересов – антенны, антенные решетки; СВЧ- устройства.

пр. Большевиков, д. 22/1, Санкт-Петербург, 193232

Konstantin O. Korovin, Cand. Sci. (Eng.) (2009), Docent  (2020), Head of the Department of Radio Systems and Signal Processing.

The author of more than 30 scientific publications. Area  of expertise: antenna arrays; microwave devices.

22/1, Bolshevikov Pr., St Petersburg 193232

konstkor@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0009-5562-2142ЛиконцевА. Н.LikontsevAleksey N.

Ликонцев Алексей Николаевич – кандидат физико-математических наук (1990), доцент кафедры радиосистем и обработки сигналов.

Автор 60 научных работ. Сфера научных интересов –  спутниковые и радиорелейные системы; спутниковое  и кабельное телевидение.

пр. Большевиков, д. 22/1, Санкт-Петербург, 193232

Aleksey N. Likontsev, Cand. Sci. (Eng.) (1990), Associate  Professor of the Department of Radio Systems and Signal Processing.

The author of 60 scientific publications. Area of  expertise: satellite and radio relay systems; satellite and  cable television.

22/1, Bolshevikov Pr., St Petersburg 193232

likontsev-rts@mail.ruСанкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-БруевичаРоссияThe Bonch-Bruevich Saint Petersburg State University of TelecommunicationsRussian Federation2023060720232635866Copyright © Межевов П.А., Коровин К.О., Ликонцев А.Н., 20232023Межевов П.А., Коровин К.О., Ликонцев А.Н.Mezhevov P.A., Korovin K.O., Likontsev A.N.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/760

Введение. В настоящее время беспилотные летательные аппараты (БПЛА) находят все более широкое применение. Одной из задач развития БПЛА является создание активных антенных систем с возможностью установки узкого луча главного лепестка диаграммы направленности (ДН). Несмотря на то, что во многих исследованиях рассматривается создание специализированных антенных решеток с широким диапазоном углов сканирования, особенности расположения таких систем на БПЛА не изучались подробно. После разработки таких решеток для БПЛА возможно создание цепи ретрансляции с защищенным широкополосным каналом.Цель работы. Разработка широкополосной антенной системы для БПЛА с возможностью установки главного лепестка ДН в любом направлении азимутальной плоскости для использования в задачах ретрансляции.Материалы и методы. В рамках исследования разработана модель излучателя и кольцевой антенной решетки на его основе в пакете электромагнитного моделирования Ansys HFSS.Результаты. Показаны частотные зависимости коэффициента направленного действия (КНД) и коэффициента усиления (КУ) для кольцевой антенной решетки, состоящей из 8 и 16 элементов, а также частотные зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению и ДН, удовлетворяющие условиям ретрансляции в широкой полосе частот с использованием БПЛА. Представлены рекомендации по количеству активных элементов кольцевой решетки для обеспечения максимума КУ (КНД).Заключение. Предложены конструктивные решения для использования антенных систем на БПЛА. В дальнейшем система может быть улучшена за счет оптимизации элементов антенной решетки и использования цилиндрической или полусферической решетки.

Introduction. Unmanned aerial vehicles (UAVs) are rapidly gaining in popularity. The UVA development requires active antenna systems capable of forming a narrow beam of the main lobe of the radiation pattern. Although numerous studies have considered specialized antenna arrays with a wide range of scanning angles, the location of such systems on UAVs remains under-investigated. The development of such arrays for UAVs will enable the creation of a secure relay broadband channel with a few repeaters.Aim. Development of a broadband antenna array for UAVs with the possibility of setting the main lobe of the radiation pattern in any direction of the azimuthal plane, for use in relay tasks.Materials and methods. An emitter model and a circular antenna array on its basis was developed in the Ansys HFSS electromagnetic modeling package.Results. The dependence of the directional coefficient and the gain for an array consisting of 8 and 16 elements was shown. Voltage standing-wave ratio dependences and directivity patterns that satisfy the conditions of retransmission in a wide-frequency band using UAVs were obtained. Recommendations on the number of active elements in a circular antenna array that ensure the maximum gain (directivity) were formulated.Conclusion. Technical solutions that can be used in the development of UAVs are proposed. The system can be further improved by optimizing the antenna array elements and using a cylindrical or hemispherical array.

БПЛАкольцевая антенная решеткаантенна Вивальдиретрансляцияширокополосный канал связиUAVcircular antenna arrayVivaldi antennarelaybroadband communication channelReferencesChannel modeling and performance analysis for UAV relay system / X. Chen, X. Hu, Q. Zhu, W. Zhong, B. Chen // China Communications. 2018. Vol. 15, № 12. P. 89–97. doi: 10.12676/j.cc.2018.12.007Chen X., Hu X., Zhu Q., Zhong W., Chen B. Channel Modeling and Performance Analysis for UAV Relay System. China Communications. 2018, vol. 15, no. 12, pp. 89–97. doi: 10.12676/j.cc.2018.12.007Development and Testing of a Two-UAV Communication Relay System / B. Li, Y. Jiang, J. Sun, L. Cai, C.-Y. Wen // Sensors. 2016. Vol. 16, iss. 10. P. 1696. doi: 10.3390/s16101696Li B., Jiang Y., Sun J., Cai L., Wen C.-Y. Development and Testing of a Two-UAV Com-munication Relay System. Sensors. 2016, vol. 16, iss. 10, p. 1696. doi: 10.3390/s16101696Outage Performance of Multi-Antenna Mobile UAV-Assisted NOMA Relay Systems Over Nakagamim Fading Channels / T. M. Hoang, B. C. Nguyen, L. T. Dung, T. Kim // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 215033–215043. doi: 10.1109/ACCESS.2020.3041311Hoang T. M., Nguyen B. C., Dung L. T., Kim T. Outage Performance of Multi-Antenna Mobile UAVAssisted NOMA Relay Systems Over Nakagamim Fading Channels. IEEE Access. 2020, vol. 8, pp. 215033–215043. doi: 10.1109/ACCESS.2020.3041311Low-Profile Conformal UWB Antenna for UAV Applications / L. I. Balderas, A. Reyna, M. A. Panduro, C. Del Rio, A. R. Gutiérrez // IEEE Access. 2019. Vol. 7. P. 127486–127494. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2939511Balderas L. I., Reyna A., Panduro M. A., Del Rio C., Gutiérrez A. R. Low-Profile Conformal UWB Antenna for UAV Applications. IEEE Access. 2019, vol. 7, pp. 127486–127494. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2939511Dudarev S. V., Voytovich N. I., Dudarev A. V. Annular antenna array with a circular radiation pattern in the plane of vector E // American Institute of Physics. Conf. Ser. 2022. Vol. 2467, № 1. doi: 10.1063/5.0092572Dudarev S. V., Voytovich, N. I., Dudarev, A. V. Annular Antenna Array with a Circular Radiation Pattern in the Plane of Vector E. American Institute of Physics. Conf. Ser. 2022, vol. 2467, no. 1. doi: 10.1063/5.0092572Использование беспилотных летательных аппаратов в сельском хозяйстве / Ю. Н. Зубарев, Д. С. Фомин, А. Н. Чащин, М. В. Заболотнова // Вестн. Пермского федерального исследовательского центра. 2019. № 2. С. 47–51. doi: 10.7242/2658-705X/2019.2.5Zubarev Yu. N., Fomin D. S., Chashchin A. N., Zabolotnova M. V. Use of Uncleaned Aircraft in Agriculture. Perm Federal Research Center J. 2019, no. 2, pp. 47–51. doi: 10.7242/2658-705X/2019.2.5 (In Russ.)Nex F., Remondino F. UAV for 3D mapping applications: a review // Applied Geomatics. 2014. № 6. P. 1–15. doi: 10.1007/s12518-013-0120-xNex F., Remondino F. UAV for 3D Mapping Applications: A Review. Applied Geomatics. 2014, no. 6, pp. 1–15. doi: 10.1007/s12518-013-0120-xНечаев Ю. Б., Зотов С. А., Макаров Е. С. Сверхразрешающие алгоритмы в задаче азимутальной радиопеленгации с использованием кольцевых антенных решеток // Антенны. 2007. № 7. С. 29–34.Nechaev Yu. B., Zotov S. A., Makarov E. S. Super-Resolution Algorithms in the Problem of Azimutal Radio Bearing with Using Ring Antenna Arrays. Antenny [Antennas]. 2007, no. 7, pp. 29–34. (In Russ.)Коровин К. О., Кузьмин С. В. Реализация канала связи с БПЛА с использованием широкополосных малоэлементных антенных решеток в качестве бортовых антенных систем // Тр. учебных заведений связи. 2020. Т. 6, № 2. С. 39–44. doi: 10.31854/1813-324X-2020-6-2-39-44Korovin K. O., Kuzmin S. V. Implementation of UAV Communication Channel Using Airborne WideBand Low-Element Antenna Arrays. Proc. of Telecommunication Universities. 2020, vol. 6, no. 2, pp. 39–44. doi: 10.31854/1813-324X-2020-6-2-39-44 (In Russ.)Uniform circular arrays for phased array antenna / N. H. Noordin, V. Zuniga, A. O. El-Rayis, N. Haridas, A. T. Erdogan, T. Arslan // Loughborough Antennas & Propagation Conf. Loughborough, UK, 14–15 Nov. 2011. Piscataway: IEEE, 2011. P. 1–4. doi: 10.1109/LAPC.2011.6114031Noordin N. H., Zuniga V., El-Rayis A. O., Haridas N., Erdogan A. T., Arslan T. Uniform Circular Arrays for Phased Array Antenna. Loughborough Antennas & Propagation Conf. Loughborough, UK, 14–15 Nov. 2011. Piscataway, IEEE, 2011, pp. 1–4. doi: 10.1109/LAPC.2011.6114031Низкопрофильная антенна для БПЛА / А. С. Антонов, Ю. Г. Антонов, С. В. Балландович, М. И. Сугак // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2013. № 6. С. 3–7.Antonov A. S., Antonov Yu. G., Ballandovich S. V., Sugak M. I. Low-Profile Antenna Intended for the Installation on UAV. Proc. of Saint Petersburg Electrotechnical University. 2013, no. 6, pp. 3–7. (In Russ.)Борзов А. Б., Лихоеденко К. П., Серегин Г. М. Принципы построения сверхширокополосной антенны Вивальди для импульсных приемопередающих модулей систем ближней радиолокации и радиосвязи // Спецтехника и связь. 2013. № 6. С. 54–57.Borzov A. B., Lihoedenko K. P., Seregin G. M. Principles of Construction of Ultra-Wideband Vivaldi Antenna for Pulsed Transmitter and Transmitter Modules of Near Radar and Radio Communication Systems. Spectehnika i svjaz'. 2013, no. 6, pp. 54–57. (In Russ.)Compact UWB Vivaldi Tapered Slot Antenna / S. Saleh, W. Ismail, I. S. Z. Abidin, M. H. Jamaluddin, M. H. Bataineh, A. S. Alzoubi // Alexandria Engineering J. 2022. Vol. 61, № 6. P. 4977–4994. doi: 10.1016/j.aej.2021.09.055Saleh S., Ismail W., Abidin I. S. Z., Jamaluddin M. H., Bataineh M. H., Alzoubi A. S. Compact UWB Vivaldi Tapered Slot Antenna. Alexandria Engineering J. 2022, vol. 61, no. 6, pp. 4977–4994. doi: 10.1016/j.aej.2021.09.055Демшевский В. В., Цитович А. А., Папёнышев М. В. Антенна Вивальди на основе интегрированного в подложку волновода для сверхширокополосных автомобильных локаторов К-диапазона частот // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2019. Т. 1, № 1. С. 151–155.Demshevskii V. V., Tsitovich A. A., Papjonyshev M. V. Vivaldi Antenna Based on a Waveguide Integrated into the Substrate for Ultra-Wideband Automotive K-band Locators. Electronics and Microelectronics Microwave. 2019, vol. 1, no. 1, pp. 151–155. (In Russ.)The microwave and RF characteristics of FR4 substrates / J. R. Aguilar, M. Beadle, P. T. Thompson, M. W. Shelley // IEE Colloquium on Low Cost Antenna Technology. London, UK: IEEE, 1998. P. 2/1–2/6. doi: 10.1049/ic:19980078Aguilar J. R., Beadle M., Thompson P. T., Shelley M. W. The Microwave and RF Characteristics of FR4 Substrates. IEE Colloquium on Low Cost Antenna Technology. London, UK, IEEE, 1998, pp. 2/1–2/6. doi: 10.1049/ic:19980078

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