radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2023-26-6-16-26radioelectronics-814Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASАнтенна Фабри–Перо на основе электрически перестраиваемой щелевой антенны и двухслойной частотно-селективной поверхностиFabry–Perot Antenna Based on an Electrically Tunable Slot Antenna and a Two-Layer Frequency-Selective SurfaceСосуновА. М.SosunovA. M.

Сосунов Алексей Михайлович – магистр по специальности "Электроника и наноэлектроника" (2020), аспирант кафедры физической электроники и технологии. Автор 10 научных работ. Сфера научных интересов – устройства СВЧ; методики измерения СВЧ-параметров.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Alexey M. Sosunov, Master in Electronics and Nanoelectronics (2020), Postgraduate Student of the Department of Physical Electronics and Technology. The author of 10 scientific publications. Area of expertise: microwave devices; methods of measuring microwave parameters.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

amsosunov@etu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5932-2504АлтынниковА. Г.AltynnikovA. G.

Алтынников Андрей Геннадиевич – кандидат технических наук (2010), доцент кафедры физической электроники и технологии. Автор 70 научных работ. Сфера научных интересов – нелинейные материалы; устройства СВЧ; антенны; тонкие пленки.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Andrey G. Altynnikov, Cand. Sci. (Eng.) (2010), Associate Professor of the Department of Physical Electronics and Technologyy. The author of 70 scientific publications. Area of expertise: nonlinear materials; microwave devices; antennas; thin films.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

agaltynnikov@etu.ruЛегковаТ. К.LegkovaT. K.

Легкова Татьяна Константиновна – магистр по специальности "Электроника и наноэлектроника" (2021), аспирантка кафедры физической электроники и технологии. Автор 5 научных работ. Сфера научных интересов – антенны; метаматериалы.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Tatiana K. Legkova, Master in Electronics and Nanoelectronics (2021), Postgraduate Student of the Department of Physical Electronics and Technology. The author of 5 scientific publications. Area of expertise: microwave devices; methods of measuring microwave parameters.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

legkova_tk@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4556-629XПлатоновР. А.PlatonovR. A.

Платонов Роман Андреевич – кандидат технических наук (2018), доцент кафедры физической электроники и технологии. Автор 48 научных работ. Сфера научных интересов – электродинамика; устройства СВЧ; антенны.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Roman A. Platonov, Cand. Sci. (Eng.) (2018), Associate Professor of the Department of Physical Electronics and Technology. The author of 48 scientific publications. Area of expertise: electrodynamics; microwave devices; antennas.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

raplatonov@etu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1017-5587КомлевА. Е.KomlevA. E.

Комлев Андрей Евгеньевич – кандидат технических наук (2011), доцент кафедры физической электроники и технологии. Автор более 60 научных работ. Сфера научных интересов – технология материалов электронной техники; плазма

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Andrey E. Komlev, Cand. Sci. (Eng.) (2011), Associate Professor of the Department of Physical Electronics and Technology. The author of more than 60 scientific publications. Area of expertise: technology of electronic equipment materials; plasma.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

aekomlev@etu.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian Federation2023261220232661626Copyright © Сосунов А.М., Алтынников А.Г., Легкова Т.К., Платонов Р.А., Комлев А.Е., 20232023Сосунов А.М., Алтынников А.Г., Легкова Т.К., Платонов Р.А., Комлев А.Е.Sosunov A.M., Altynnikov A.G., Legkova T.K., Platonov R.A., Komlev A.E.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/814Введение

Введение. Ряд работ в области конструирования антенн Фабри–Перо направлен на достижение широкой полосы рабочих частот, однако не всегда удается добиться сравнительно одинакового коэффициента усиления внутри нее. В данной статье описана конструкция антенны Фабри–Перо, в которой для расширения полосы частот использовалась перестраиваемая щелевая антенна. Одним из критериев при разработке антенного устройства являлась высокая стабильность коэффициента усиления – его изменения не должны превышать 1 дБ в заявленной полосе.

Цель работы

Цель работы. Разработка антенны Фабри–Перо для частотного диапазона 4.9…5.5 ГГц с высокой стабильностью коэффициента усиления внутри рабочей полосы частот.

Материалы и методы

Материалы и методы. В конструкции разрабатываемой антенны в качестве перестраиваемых элементов использовались тонкопленочные сегнетоэлектрические конденсаторы. Диэлектрическим материалом при разработке антенны служил металлизированный армированный фторопласт. Параметры сегнетоэлектрических элементов измерялись с использованием резонансной методики, в то время как параметры диэлектрического материала определялись с помощью метода Николсона–Росса–Вейра.

Результаты

Результаты. Рабочая полоса частот разработанной антенны составила 4.9…5.5 ГГц. Были изготовлены и экспериментально исследованы образцы сегнетоэлектрических конденсаторов и фольгированного диэлектрического материала, на основе которых был создан прототип перестраиваемой щелевой антенны. Результаты моделирования показали, что коэффициент усиления разработанной антенны Фабри–Перо составил не менее 10 дБ. Изменение коэффициента усиления внутри рабочей полосы частот не превысило 0.7 дБ.

Заключение

Заключение. Разработана Антенна Фабри–Перо на основе электрически перестраиваемой щелевой антенны и двухслойной частотно-селективной поверхности. Рабочая полоса частот разработанной антенны составила 4.9…5.5 ГГц, что соответствует полосе частот сетей Wi-Fi. Оптимизация конструктивных параметров антенны позволила добиться высокого коэффициента усиления при его малом изменении в заданном частотном диапазоне.

Introduction

Introduction. One of the directions in Fabry–Perot antenna design consists in increasing its operation frequency range. In the present work, we set out to develop a Fabry–Perot antenna with a smooth gain pattern across a wide frequency range. To that end, a tunable slot antenna based on a thin-film ferroelectric varactor was used. The major development criterion was a high uniformity of the gain pattern, not exceeding 1 dB in the given frequency band. Aim. To develop a Fabry–Perot antenna for the 4.9–5.5 GHz frequency range with a high gain uniformity within the operating frequency band.

Materials and methods

Materials and methods. The antenna under development was based on thin-film ferroelectric capacitors as tunable elements. Fluoroplastic plates metallized on both sides were used as a dielectric material for manufacturing a frequency selected surface and a slot antenna. The parameters of ferroelectric elements were measured using a resonance technique, while the parameters of the dielectric material were determined using the Nicholson–Ross–Weir method.

Results

Results. The developed antenna has an operating frequency band of 4.9–5.5 GHz. Samples of ferroelectric capacitors and foiled dielectric material were manufactured and experimentally investigated. A tunable slot antenna was fabricated, and its characteristics were measured. The simulation results show that the gain value of the developed Fabry–Perot antenna is not less than 10 dB in the operation frequency range. Variations in the gain value within the operating frequency band do not exceed 0.7 dB.

Conclusion

Conclusion. A Fabry–Perot antenna based on an electrically tunable slot antenna and a two-layer frequency-selective surface was developed. The operating frequency band of the developed device ranges within 4.9–5.5 GHz, which corresponds to the frequency band of Wi-Fi networks. Optimization of the antenna design parameters made it possible to achieve higher gain values under their minor variations in the operation frequency band.

антенна Фабри–Перощелевая антеннасегнетоэлектрический конденсаторфольгированный ламинатполитетрафторэтилентонкая пленкаFabry–Perot antennaslot antennaferroelectric capacitorfoiled laminatepolytetrafluoroethylenethin filmИсследование выполнено в рамках Государственного задания № 075-01438-22-07 от 28.10.2022 г. (FSEE-2022-0019).The study was carried out within the framework of the state assignment No. 075-01438-22-07 of 28.10.2022 (FSEE-2022-0019).ReferencesWideband high gain fractal antenna for wireless applications / A. Desai, T. Upadhyaya, R. Petel, S. Bhatt, P. Mankodi // Progress in Electromagnetics Research Let. 2018. Vol. 74. P. 125–130. doi: 10.2528/PIERL18011504Desai A., Upadhyaya T., Petel R., Bhatt S., Mankodi P. Wideband High Gain Fractal Antenna for Wireless Applications. Progress in Electromagnetics Research Let. 2018, vol. 74, pp. 125–130. doi: 10.2528/PIERL18011504Elsheakh D. M., Nermeen A. E., Esmat A. A. Ultra wide bandwidth high gain Vivaldi antenna for wireless communications // Progress in Electromagnetics Research Let. 2017. Vol. 69. P. 105–111. doi: 10.2528/PIERL17060507Elsheakh D. M., Nermeen A. E., Esmat A. A. Ultra Wide Bandwidth High Gain Vivaldi Antenna for Wireless Communications. Progress in Electromagnetics Research Let. 2017, vol. 69, pp. 105–111. doi: 10.2528/PIERL17060507Marno V. R., Odendaal J. W., Joubert J. J. High-gain directional antenna for WLAN and WiMAX applications // IEEE Antennas and Wireless Propagation Let. 2016. Vol. 16. P. 286–289. doi: 10.1109/LAWP.2016.2573594Marno V. R., Odendaal J. W., Joubert J. J. High-Gain Directional Antenna for WLAN and WiMAX Applications. IEEE Antennas and Wireless Propagation Let. 2016, vol. 16, pp. 286–289. doi: 10.1109/LAWP.2016.2573594Marno V. R., Odendaal J. W., Joubert J. J. Compact low-cross-polarization horn antennas with serpentine-shaped taper // IEEE Trans. Antennas Propag. 2004. Vol. 52, no. 10. P. 2510–2516. doi: 10.1109/TAP.2004.834423Marno V. R., Odendaal J. W., Joubert J. J. Compact Low-Cross-Polarization Horn Antennas with Serpentine-Shaped Taper. IEEE Trans. Antennas Propag. 2004, vol. 52, no. 10, pp. 2510–2516. doi: 10.1109/TAP.2004.834423Mohammad N., Faisal M. A. Design, simulation and analysis of a high gain small size array antenna for 5G wireless communication // Wireless Personal Communications. 2021. Vol. 116. P. 2761–2776. doi: 10.1007/s11277-020-07819-9Mohammad N., Faisal M. A. Design, Simulation and Analysis of a High Gain Small Size Array Antenna for 5G Wireless Communication. Wireless Personal Communications. 2021, vol. 116, pp. 2761–2776. doi: 10.1007/s11277-020-07819-9Platonov R. A., Altynnikov A. A., Kozyrev A. B. A Tunable Beamforming Ferroelectric Lens for Millimeter Wavelength Ranges // Coatings. 2020. Vol. 10, no. 2. P. 180. doi: 10.3390/coatings10020180Platonov R. A., Altynnikov A. A., Kozyrev A. B. A Tunable Beamforming Ferroelectric Lens for Millimeter Wavelength Ranges. Coatings. 2020. Vol. 10, no. 2, pp. 180. doi: 10.3390/coatings10020180Wideband High-Gain Double-Sided Dielectric Lens Integrated with a Dual-Bowtie Antenna / G. H. Lee, S. Kumar, H. C. Choi, K. W. Kim // IEEE Antennas Wireless Propag. Let. 2021. Vol. 20. P. 293–297. doi: 10.1109/LAWP.2020.3048165Lee G. H., Kumar S., Choi H. C., Kim K. W. Wideband High-Gain Double-Sided Dielectric Lens Integrated with a Dual-Bowtie Antenna. IEEE Antennas Wireless Propag. Let. 2021, vol. 20, pp. 293–297. doi: 10.1109/LAWP.2020.3048165Konstantinidis K., Feresidis A., Hall P. Dual‐slot feeding technique for broadband Fabry–Perot cavity antennas // IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2015. Vol. 9, iss. 9. P. 861–866. doi: 10.1049/ietmap.2014.0530Konstantinidis K., Feresidis A., Hall P. Dual‐Slot Feeding Technique for Broadband Fabry–Perot Cavity Antennas. IET Microwaves, Antennas & Propagation. 2015, vol. 9, iss. 9, pp. 861–866. doi: 10.1049/ietmap.2014.0530Ultra-Wideband and High Gain Fabry-Perot Cavity Antenna Using Frequency Selective Surface and Parasitic Patch / Z. Li, J. Ma, B. Shi, L. Peng // 12th Intern. Symp. on Antennas Propagation and EM Theory (ISAPE). Hangzhou, China, 3 Dec. 2018. Hangzhou Dianzi University, 2018. P. 1–3. doi: 10.1109/ISAPE.2018.8634123Li Z., Ma J., Shi B., Peng L. Ultra-Wideband and High Gain Fabry-Perot Cavity Antenna Using Frequency Selective Surface and Parasitic Patch. 12th Intern. Symp. on Antennas Propagation and EM Theory (ISAPE), Hangzhou, China, 3 Dec. 2018. Hangzhou Dianzi University, 2018, pp. 1–3. doi: 10.1109/ISAPE.2018.8634123A compact wideband circular polarized Fabry-Perot antenna using resonance structure of thin dielectric slabs / Nguyen-Trong Nghia, Huy Hung Tran, Truong Khang Nguyen, Amin M. Abbosh // IEEE Access. 2018. Vol. 6. P. 56333–56339. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2872571Nguyen-Trong Nghia, Huy Hung Tran, Truong Khang Nguyen, Amin M. Abbosh. A Compact Wide-band Circular Polarized Fabry-Perot Antenna Using Resonance Structure of Thin Dielectric Slabs. IEEE Access. 2018, vol. 6, pp. 56333–56339. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2872571A Frequency Reconfigurable Fabry-Perot Cavity Antenna / L. Ji, Z. Pei, L. Zhang, J. Li // IEEE Intern. Symp. on Antennas and Propagation and North American Radio Science Meeting, Montreal, Canada, 5 July 2020. IEEE, 2020. P. 337–338. doi: 10.1109/IEEECONF35879.2020.9330231Ji L., Pei Z., Zhang L., Li J. A Frequency Reconfigurable Fabry-Perot Cavity Antenna. IEEE Intern. Symp. on Antennas and Propagation and North American Radio Science Meeting, Montreal, Canada, 5 July 2020. IEEE, 2020, pp. 337–338. doi: 10.1109/IEEECONF35879.2020.9330231High Gain and Wide Bandwidth Fabry-Perot Frequency-Reconfigurable Antenna for Multiple LTE Radio Wireless Communication / T. K. Nguyen, M. T. Phan, R. Borowiec, A. Narbudowicz // IEEE Ninth Intern. Conf. on Communications and Electronics (ICCE), Phu Quoc Island, Vietnam, 13 Jan. 2021. IEEE, 2020. P. 260–264. doi: 10.1109/ICCE55644.2022.9852085Nguyen T. K., Phan M. T., Borowiec R., Narbudowicz A. High Gain and Wide Bandwidth Fabry-Perot Frequency-Reconfigurable Antenna for Multiple LTE Radio Wireless Communication. IEEE Ninth Intern. Conf. on Communications and Electronics (ICCE). Phu Quoc Island, Vietnam, 13 Jan. 2021. IEEE, 2020, pp. 260–264. doi: 10.1109/ICCE55644.2022.9852085Characterization of the properties of barium–strontium titanate films and controlled elements based on them in the frequency range of 1–60 GHz / A. G. Altynnikov, A. G. Gagarin, A. V. Tumarkin, I. V. Kotel’nikov // Technical Physics Let. 2019. Vol. 45. P. 540–543. doi: 10.1134/S1063785019060026Altynnikov A. G., Gagarin A. G., Tumarkin A. V., Kotel’nikov I. V. Characterization of the Properties of Barium–Strontium Titanate Films and Controlled Elements Based on Them in the Frequency Range of 1–60 GHz. Technical Physics Let. 2019, vol. 45, pp. 540– 543. doi: 10.1134/S1063785019060026Исследование свойств композитного материала для СВЧ-применений на основе PTFE с различной концентрацией и размером частиц керамического наполнителя / А. Б. Козырев, А. Е. Комлев, А. М. Сосунов, А. Г. Алтынников, Р. А. Платонов // J. of the Russian Universities. Radioelectronics. 2023. Т. 26, № 2. С. 16–24. doi: 10.32603/1993-8985-2023-26-2-16-24Kozyrev A. B., Komlev A. E., Sosunov A. M., Altynnikov A. G., Platonov R. A. Research into the Properties of a Composite Material for Microwave Applications Based on PTFE with Different Concentrations and Particle Sizes of Ceramic Filler. J. of the Russian Universities. Radioelectronics. 2023, vol. 26, no. 2, pp. 16–24. doi: 10.32603/1993-8985-2023-26-2-16-24 (In Russ.)Nader B., Sarabandi K. A varactor-tuned dual-band slot antenna // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2006. Vol. 54, no. 2. P. 401–408. doi: 10.1109/TAP.2005.863373Nader B., Sarabandi K. A Varactor-Tuned Dual-Band Slot Antenna. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2006, vol. 54, no. 2, pp. 401–408. doi: 10.1109/TAP.2005.863373Latif S. I., Shafai L., Sharma S. K. Bandwidth enhancement and size reduction of microstrip slot antennas // IEEE Trans. Antennas Propag. 2005. Vol. 53. P. 994–1003. doi: 10.1109/TAP.2004.842674Latif S. I., Shafai L., Sharma S. K. Bandwidth Enhancement and Size Reduction of Microstrip Slot Antennas. IEEE Trans. Antennas Propag. 2005, vol. 53, pp. 994–1003. doi: 10.1109/TAP.2004.842674

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