radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2023-26-5-31-39radioelectronics-797Research ArticleРАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ, ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВRADIO ELECTRONIC FACILITIES FOR SIGNAL TRANSMISSION, RECEPTION AND PROCESSINGГибкие аппроксимирующие функции: резонансные нагрузкиFlexible Approximation Functions: Resonant LoadsФилипповичГ. А.FilippovichG. A.

Геннадий Александрович Филиппович, кандидат технических наук (1977), доцент (1980), профессор. Автор более 100 научных работ

кафедра автоматики, радиолокации и приёмо-передающих устройств

Сфера научных интересов – радиотехника

220057

пр. Независимости, д. 220

Минск

Gennady A. Filippovich, Cand. Sci. (Eng.) (1977), Associate Professor (1980), Professor. The author of more than 100 scientific publications

Department of Automation, Radar and Transceiver Devices

Area of expertise: radio engineering

Minsk

gfilippovich@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6620-6042ЯнцевичМ. А.YantsevichM. A.

Михаил Александрович Янцевич, старший инженер. Автор 30 научных работ

кафедра автоматики, радиолокации и приёмо-передающих устройств

учебная лаборатория

Сфера научных интересов – радиотехника

220057

пр. Независимости, д. 220

Минск

Mikhail A. Yantsevich, Senior Engineer. The author of 30 scientific publications

Department of Automation, Radar and Transceiver Devices

Educational Laboratory

Area of expertise: radio engineering

220057

220, Independence Ave.

Minsk

yantsevich1052500@mail.ruВоенная академия Республики БеларусьБеларусьMilitary Academy of the Republic of BelarusBelarus2023271120232653139Copyright © Филиппович Г.А., Янцевич М.А., 20232023Филиппович Г.А., Янцевич М.А.Filippovich G.A., Yantsevich M.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/797   Введение

   Введение. Широкое распространение в беспилотных летательных аппаратах нашли патч-антенны, обладающие рядом свойств, полезных в данной сфере применения. Однако проблемным вопросом остается согласование антенны, которая по существу представляет собой резонатор. Существующие публикации носят преимущественно частный характер и отмечают типичные значения полосы согласования 5–7 %, что не всегда оказывается достаточным, когда необходимо использовать спектр сигналов до сотен мегагерц. Поэтому интерес для инженеров может представлять исследование, направленное на использование более основательных системных методов широкополосного согласования.

   Цель работы

   Цель работы. Разработка методики широкополосного согласования на основе обобщенного метода синтеза по Дарлингтону с использованием гибких аппроксимирующих функций (АФ) для моделей нагрузок с резонансными свойствами.

   Материалы и методы

   Материалы и методы. В основу статьи положен обобщенный метод синтеза по Дарлингтону. Для расширения возможностей метода используются аппроксимирующие функции с повышенными вариативными свойствами. Гибкое управление весовыми коэффициентами АФ позволяет реализовать как гладкие, так и волновыечастотные характеристики. Метод является аналитическим и не использует итеративных процедур. Математический аппарат метода основан на анализе вычетов в нулях передачи функции сопротивления нагрузки.

   Результаты

   Результаты. Гибкие аппроксимирующие функции оказались эффективным средством для синтеза согласующих цепей с резонансными свойствами. Получены решения для согласования нагрузок с кратными нулями передачи как в начале координат, так и в бесконечности. Показана возможность создания патч-антенн с полосой согласования до 40 % и более.

   Заключение

   Заключение. Полученные результаты свидетельствуют о том, что потенциальные оценки пределов согласования патч-антенны значительно превышают достигнутые и доступны только для аналитических методов.

   Introduction

   Introduction. Patch antennas have found wide application in UAVs due to their numerous useful properties. However, since such an antenna system is essentially a resonator, the problem of its matching remains unresolved. The existing publications mostly deal with specific cases and report the typical values of the matching band of 5–7 %, which cannot be considered sufficient when there is a need to use the signal spectrum of up to hundreds of MHz. Therefore, research aimed at using more efficient methods of broadband matching could be of interest for engineers.

   Aim

   Aim. To develop a broadband matching technique based on the generalized Darlington synthesis method using flexible approximating functions (AF) for load models with resonant properties.

   Materials and methods

   Materials and methods. The capabilities of the generalized Darlington synthesis method are extended AFs with increased variation properties. Flexible control of AF weight coefficients makes it possible to realize both smooth and wave frequency characteristics. The method is analytical and does not use iterative procedures. The mathematical apparatus of the method is based on an analysis of deductions in the zeros of the load resistance transfer function.

   Results

   Results. Flexible approximating functions were established to be effective for synthesis of matching circuits with resonant properties. Solutions for matching the loads with multiple transfer zeros both at the origin and in infinity were obtained. The opportunity of creating patch antennas with a matching layer up to 40 % and more was demonstrated.

   Conclusion

   Conclusion. The results obtained for the SWR of patch antennas show that the potential estimates of matching limits are available only for analytical methods.

широкополосное согласованиеметодика синтезааппроксимирующая функциянагрузкаограниченияbroadband matchingsynthesis techniqueapproximating functionloadlimitationsReferencesЯнцевич М. А., Филиппович Г. А. Методика синтеза широкополосных согласующих устройств с использованием ограниченно-плоских аппроксимирующих функций // Изв. Гомельского гос. ун-та им. Ф. Скорины. 2021. № 6 (129). С. 154–158.Yantsevich M. A., Filippovich G. A. Technique for the Synthesis of Broadband Matching Devices Using Bounded-Flat Approximating Functions. Proc. of Francisk Scorina Gomel State University. 2021, vol. 6 (129), pp. 154–158. (In Russ.)Филиппович Г. А., Янцевич М. А. Гибкие аппроксимирующие функции для широкополосного согласования // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2022. Т. 25, № 2. С. 6–15. doi: 10.32603/1993-8985-2022-25-2-6-15Filippovich G. A., Yantsevich M. A. Flexible Approximation Functions for Broadband Matching. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2022, vol. 25, no. 2, pp. 6–15. doi: 10.32603/1993-8985-2022-25-2-6-15 (In Russ.)An Approach for Calculating the Limiting Bandwidth–Reflection Coefficient Product for Microstrip Patch Antennas / A. Ghorbani, R. Abd-Alhameed, N. J. McEwan, D. Zhou // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2006. Vol. 54, № 4. Р. 1328–1331. doi: 10.1109/TAP.2006.872641An Approach for Calculating the Limiting Bandwidth–Reflection Coefficient Product for Microstrip Patch Antennas / A. Ghorbani, R. Abd-Alhameed, N. J. McEwan, D. Zhou // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2006. Vol. 54, № 4. Р. 1328–1331. doi: 10.1109/TAP.2006.872641Compact and wideband transmit opto-antenna for radio frequency over fiber / O. Caytan, L. Bogaert, H. Li, J. V. Kerrebrouck // Optics Express. 2019. Vol. 27, № 6. P. 8395–8413. doi: 10.1364/OE.27.008395Compact and wideband transmit opto-antenna for radio frequency over fiber / O. Caytan, L. Bogaert, H. Li, J. V. Kerrebrouck // Optics Express. 2019. Vol. 27, № 6. P. 8395–8413. doi: 10.1364/OE.27.008395Sharma S., Tripathi C. C., Rishi R. Impedance matching techniques for microstrip patch antenna // Ind. J. of Science and Technology. 2017. Vol. 10, № 28. Р. 1–16. doi: 10.17485/ijst/2017/v10i28/97642Sharma S., Tripathi C. C., Rishi R. Impedance matching techniques for microstrip patch antenna // Ind. J. of Science and Technology. 2017. Vol. 10, № 28. Р. 1–16. doi: 10.17485/ijst/2017/v10i28/97642Гайнутдинов Т. А., Гаранкина Н. И., Кочержевский В. Г. Добротность простых вибраторных антенн // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Т. 11, № 8. С. 18–26.Gainutdinov T. A., Garankina N. I., Kocherzhevskii V. G. The Radiation Quality Factor of Simple Vibrator Antennas. T-Comm. 2017, vol. 11, no. 8, pр. 18–26. (In Russ.)Guan C. E., Fujimoto T. Design of a wideband l-shape fed microstrip patch antenna backed by conductor plane for medical body area network // Electronics. 2020. Vol. 9, iss. 1. P. 1–15. doi: 10.3390/electronics9010021Guan C. E., Fujimoto T. Design of a wideband l-shape fed microstrip patch antenna backed by conductor plane for medical body area network // Electronics. 2020. Vol. 9, iss. 1. P. 1–15. doi: 10.3390/electronics9010021Comparison of different feeding techniques for a patch antenna at an X frequency band to evaluate its quantitative impact on the antenna parameters / R. Shafique, K. Kanwar, F. Hussain, R. Morales-Menendez, M. K. Siddiqui // J. of Applied Research and Technology. 2020. Vol. 18. P. 341–361. doi: 10.13140/RG.2.2.28089.80489Comparison of different feeding techniques for a patch antenna at an X frequency band to evaluate its quantitative impact on the antenna parameters / R. Shafique, K. Kanwar, F. Hussain, R. Morales-Menendez, M. K. Siddiqui // J. of Applied Research and Technology. 2020. Vol. 18. P. 341–361. doi: 10.13140/RG.2.2.28089.80489Демшевский В. В., Богачёв И. А. Влияние способа возбуждения на характеристики микрополосковой патч-антенны Х-диапазона // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2019. Т. 1. С. 146–150.Demshevskii V. V., Bogachev I. A. The Effect of the Excitation Method on the Characteristics of the X-Band Microstrip Patch Antenna. Microwave Electronics and Microelectronics. 2019, vol. 1, pp. 146–150. (In Russ.)Балакирев И. Согласование чип-антенн на печатной плате // Беспроводные технологии. 2020. Вып. 11. С. 21–22.Balakirev I. Matching Chip Antennas on a Printed Circuit Board. Wireless Technologies. 2020, vol. 11, pp. 21–22. (In Russ.)A capacitive fed microstrip patch antenna with air gap for wideband applications / M. M. Fakharian, P. Rezaei, A. Azadi, M. Dadras // Intern. J. of Engineering. 2014. Vol. 27, № 5. P. 715–722. URL: https://www.semanticscholar.org/paper/A-Capacitive-Fed-Microstrip-Patch-Antenna-with-Air-Fakharian-Rezaei/9a61ca8c4d2b68f6d743b02f3689572509f40b6aA capacitive fed microstrip patch antenna with air gap for wideband applications / M. M. Fakharian, P. Rezaei, A. Azadi, M. Dadras // Intern. J. of Engineering. 2014. Vol. 27, № 5. P. 715–722. URL: https://www.semanticscholar.org/paper/A-Capacitive-Fed-Microstrip-Patch-Antenna-with-Air-Fakharian-Rezaei/9a61ca8c4d2b68f6d743b02f3689572509f40b6aWang Z., Fang S., Fu S. Wideband dual-layer patch antenna fed by a modified l-strip // J. of Microwaves, Optoelectronics a. Electromagnetic Applications. 2010. Vol. 9, № 2. P. 89–99. doi: 10.1590/S2179-10742010000200003Wang Z., Fang S., Fu S. Wideband dual-layer patch antenna fed by a modified l-strip // J. of Microwaves, Optoelectronics a. Electromagnetic Applications. 2010. Vol. 9, № 2. P. 89–99. doi: 10.1590/S2179-10742010000200003Nacsimento D. C., da S. Lacava J. C. Probe-fed linearly-polarized electrically equivalent microstrip antennas on FR4 substrates // J. of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications. 2014. Vol. 13, № 1. P. 55–66. doi: 10.1590/S2179-10742014000100005Nacsimento D. C., da S. Lacava J. C. Probe-fed linearly-polarized electrically equivalent microstrip antennas on FR4 substrates // J. of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications. 2014. Vol. 13, № 1. P. 55–66. doi: 10.1590/S2179-10742014000100005Bashri M. S. R., Ibrahimy M., Motakabber S. A planar wideband inductively coupled feed patch antenna for UHF RFID tag // IEEE intern. conf. on FRID-technologies and applications. 2013. Johor Bahru, Malaysia, 04–05 Sept. 2013. IEEE, 2013. doi: 10.1109/RFID-TA.2013.6694504Bashri M. S. R., Ibrahimy M., Motakabber S. A planar wideband inductively coupled feed patch antenna for UHF RFID tag // IEEE intern. conf. on FRID-technologies and applications. 2013. Johor Bahru, Malaysia, 04–05 Sept. 2013. IEEE, 2013. doi: 10.1109/RFID-TA.2013.6694504Филиппович Г. А. Широкополосное согласование сопротивлений. Минск: Военная академия РБ, 2004. 176 с.Filippovich G. A. Shirokopolosnoe soglasovanie soprotivlenii [Broadband Impedance Matching]. Minsk, Voennaya akademiya RB, 2004, 176 p. (In Russ.)

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