radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2024-27-2-58-67radioelectronics-867Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASНизкопрофильная антенная решетка сильносвязанных диполей с дифференциальным питаниемLow-Profile Differentially-Fed Tightly-Coupled Dipole Arrayhttps://orcid.org/0000-0002-6923-7917БобковИ. Н.BobkovI. N.

Бобков Иван Николаевич – инженер по специальности "Средства радиоэлектронной борьбы" (2011, Южный федеральный университет), научный сотрудник передовой инженерной школы "Инженерия кибер-платформ"

Некрасовский пер., д. 44, Таганрог, 347900

Ivan N. Bobkov, Engineer's degree in electrical engineering (2011, Southern Federal University), researcher atAdvanced engineering school in Cyberplatform Engineering

44, Nekrasovsky Per., Taganrog 347900

antennadesign@outlook.comhttps://orcid.org/0000-0001-8448-5508ЮхановЮ. В.YukhanovYu. V.

Юханов Юрий Владимирович – доктор технических наук (1997), профессор (2000), заведующий кафедрой антенн и радиопередающих устройств Института радиотехнических систем и управления

Некрасовский пер., д. 44, Таганрог, 347900,

Yury V. Yukhanov, Dr Sci. (Eng.) (1997), Professor (2000), Head of the Antenna and Radio Transmitter Department at Institute of Radioengineering Systems and Control

44, Nekrasovsky Per., Taganrog 347900

yu_yukhanov@mail.ruЮжный федеральный университетРоссияSouthern Federal UniversityRussian Federation2024250420242725867Copyright © Бобков И.Н., Юханов Ю.В., 20242024Бобков И.Н., Юханов Ю.В.Bobkov I.N., Yukhanov Y.V.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/867Введение

Введение. Антенные решетки сильносвязанных диполей в настоящее время относятся к одному из наиболее востребованных типов систем излучателей. Их основные достоинства – электрически малая высота профиля, возможность сканирования луча в широком секторе углов без появления эффекта ослепления, низкий уровень кроссполяризации. Количество публикаций по теме антенных решеток этого типа за последние годы значительно выросло. Большое внимание авторы уделяли симметрирующим устройствам в составе излучателей. Однако малоизученной остается возможность реализации простого дифференциального питания плеч диполей в антенных решетках такого типа, что делает исследование этого вопроса особенно актуальным при разработке радиотехнических устройств, где такая схема питания является предпочтительной.

Цель работы

Цель работы. Разработать конструкцию элемента антенной решетки сильносвязанных дипольных излучателей с дифференциальным питанием и исследовать ее характеристики.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для изготовления макета применялись следующие материалы: лист медный, диэлектрик RO3003, ситалловая подложка СТ-50-1. Численное исследование характеристик выполнялось в программе ANSYS HFSS, экспериментальное исследование макета – в безэховой камере с применением автоматизированного измерительного комплекса и векторного анализатора цепей.

Результаты

Результаты. Представлены результаты проектирования плоской антенной решетки сильносвязанных диполей X-диапазона. В антенной решетке питание каждого из плеч диполей осуществляется при помощи отдельного коаксиального кабеля, при этом 2 плеча одного диполя запитываются в противофазе. Приведены результаты численного исследования характеристик антенной решетки 8 × 8 из разработанных элементов. В диапазоне от 6.5 до 12.25 ГГц средний активный коэффициент стоячей волны по напряжению не превышает 3, при этом коэффициент усиления варьируется от 21.5 до 25.7 дБи. Показана возможность сканирования луча в секторе углов до ±45°. Приведены результаты экспериментального исследования характеристик излучения и согласования макета одного элемента.

Заключение

Заключение. Показана важность проведения расчетов с учетом эффектов, возникающих на краях антенных решеток конечных размеров. Экспериментально подтверждена целесообразность изготовления и измерений макетов антенных решеток с большим количеством элементов. Предложенная конструкция элемента показала возможность реализации дифференциального питания в антенных решетках сильносвязанных дипольных излучателей.

Introduction

Introduction. Tightly coupled dipoles currently belong to one of the most popular types of antenna arrays. Their main advantages include an electrically low-profile height, the ability to scan the beam across a wide sector of angles without the onset of scan blindness, and a low level of cross-polarization. In recent years, the number of publications on the topic of antenna arrays of this type has increased significantly. The authors have paid sufficient attention to baluns included in the antenna array elements. However, the possibility of implementing a differentially-fed scheme in antenna arrays of this type remains poorly studied. This makes the study of this subject especially relevant in the development of radio devices where such feed technique is preferable.

Aim

Aim. Differentially-fed tightly-coupled dipole array design and study.

Materials and methods

Materials and methods. The following materials were used to create the prototype: copper sheet, ceramic glass substrate ST-50-1, dielectric RO3003. A numerical study of the characteristics was carried out in the ANSYS HFSS environment; an experimental study of the prototype was carried out in an anechoic chamber using an automated measuring complex and a vector network analyzer.

Results

Results. The results of designing a planar antenna array of tightly-coupled dipoles for the X-band are presented. In the antenna array, each of the dipole arms is fed using a separate coaxial cable, while the two arms of one dipole are fed out-of-phase. The results of a numerical study of the characteristics of an 8 × 8 antenna array made from the developed elements are presented. Across the range from 6.5 to 12.25 GHz, the average active VSWR does not exceed 3, while the gain varies from 21.5 to 25.7 dBi. The possibility of beam scanning in a sector of angles up to ±45° is shown. The results of an experimental study of the radiation characteristics and matching of the prototype of a single element are presented.

Conclusion

Conclusion. The importance of taking into account the effects that arise at the edges of finite antenna arrays during simulations is shown. The feasibility of manufacturing and measuring antenna array prototypes with a large number of elements is experimentally confirmed. The proposed element design demonstrates the possibility of implementing the differentially-fed scheme in tightly coupled antenna arrays.

антенные решеткивзаимная связьдипольные антенныдифференциальное питаниеССДИantenna arraysmutual couplingdipole antennasdifferential feedTCDAReferencesOpportunities and advances in ultra-wideband electronically scanned arrays / J. T. Logan, R. W. Kindt, M. Y. Lee, M. N. Vouvakis // Intern. Symp. on Antennas and Propagation (APSURSI), Fajardo, USA, 26 June–01 July 2016. IEEE, 2016. P. 431–432. doi: 10.1109/APS.2016.7695924Logan J. T., Kindt R. W., Lee M. Y., Vouvakis M. N. Opportunities and Advances in Ultra-Wideband Electronically Scanned Arrays. Intern. Symp. on Antennas and Propagation (APSURSI), Fajardo, USA, 26 June–01 July 2016. IEEE, 2016, pp. 431–432. doi: 10.1109/APS.2016.7695924Elsallal M. W., Mather J. C. An ultra-thin, decade (10∶1) Bandwidth, modular "BAVA" array with low cross-polarization // Intern. Symp. on Antennas and Propagation (APSURSI), Spokane, USA, 03–08 July 2011. IEEE, 2011. P. 1980–1983. doi: 10.1109/APS.2011.5996893Elsallal M. W., Mather J. C. An Ultra-Thin, Decade (10∶1) Bandwidth, Modular "BAVA" Array with Low Cross-Polarization. Intern. Symp. on Antennas and Propagation (APSURSI), Spokane, USA, 03–08 July 2011. IEEE, 2011, pp. 1980–1983. doi: 10.1109/APS.2011.5996893Holland S. S., Vouvakis M. N. The Banyan Tree Antenna Array // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2011. Vol. 59, № 11. P. 4060–4070. doi: 10.1109/TAP.2011.2164177Holland S. S., Vouvakis M. N. The Banyan Tree Antenna Array. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2011, vol. 59, no. 11, pp. 4060–4070. doi: 10.1109/TAP.2011.2164177Livingston S., Lee J. J. A wide band low profile dual-pol "Thumbtack" array // Intern. Symp. on Phased Array Systems and Technology, Waltham, USA, 12–15 Oct. 2010. IEEE, 2010. P. 477–483. doi: 10.1109/ARRAY.2010.5613323Livingston S., Lee J. J. A Wide Band Low Profile Dual-Pol "Thumbtack" Array. Intern. Symp. on Phased Array Systems and Technology, Waltham, USA, 12–15 Oct. 2010. IEEE, 2010, pp. 477–483. doi: 10.1109/ARRAY.2010.5613323Compact light weight UHF arrays using long slot apertures / J. J. Lee, S. Livingston, R. Koenig, D. Nagata, L. L. Lai // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2006. Vol. 54, № 7. P. 2009–2015. doi: 10.1109/TAP.2006.877169Lee J. J., Livingston S., Koenig R., Nagata D., Lai L. L. Compact Light Weight UHF Arrays Using Long Slot Apertures. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2006, vol. 54, no. 7, pp. 2009–2015. doi: 10.1109/TAP.2006.877169Lee J. J., Livingston S., Nagata D. A low profile 10:1 (200–2000 MHz) wide band long slot array // Antennas and Propagation Society Intern. Symp., San Diego, USA, 05–11 July 2008. IEEE, 2008. P. 1–4. doi: 10.1109/APS.2008.4619302Lee J. J., Livingston S., Nagata D. A Low Profile 10:1 (200–2000 MHz) Wide Band Long Slot Array. Antennas and Propagation Society Intern. Symp., San Diego, USA, 05–11 July 2008. IEEE, 2008, pp. 1–4. doi: 10.1109/APS.2008.4619302Long slot arrays part 2: ultra wideband test results / J. J. Lee, S. Livingston, R. Koenig, D. Nagata, L. Lai // Antennas and Propagation Society Intern. Symp., Washington, USA, 03–08 July 2005. IEEE, 2005. Vol. 1A. P. 586–589. doi: 10.1109/APS. 2005.1551387Lee J. J., Livingston S., Koenig R., Nagata D., Lai L. Long Slot Arrays part 2: Ultra Wideband Test Results. Antennas and Propagation Society Intern. Symp., Washington, USA, 03–08 July 2005. IEEE, 2005, vol. 1A, pp. 586–589. doi: 10.1109/APS.2005.1551387A low-profile broadband phased array antenna / B. Munk, R. Taylor, T. Durharn, W. Croswell, B. Pigon, R. Boozer, S. Brown, M. Jones, J. Pryor, S. Ortiz, J. Rawnick, K. Krebs, M. Vanstrum, G. Gothard, D. Wiebelt // Antennas and Propagation Society Intern. Symp., Columbus, USA, 22–27 Jun. 2003. IEEE, 2003. Vol. 2. P. 448–451. doi: 10.1109/APS.2003.1219272Munk B., Taylor R., Durharn T., Croswell W., Pigon B., Boozer R., Brown S., Jones M., Pryor J., Ortiz S., Rawnick J., Krebs K., Vanstrum M., Gothard G., Wiebelt D. A Low-Profile Broadband Phased Array Antenna. Antennas and Propagation Society Intern. Symp., Columbus, USA, 22–27 Jun. 2003. IEEE, 2003, vol. 2, pp. 448–451. doi: 10.1109/APS.2003.1219272Gevorkyan A. V., Privalova T. Y., Yukhanov Y. V. Radiation Characteristics of the Low Profile Dipole Antenna // Progress in Electromagnetics Research Symp. (PIERS-Toyama), Toyama, Japan, 01–04 Aug. 2018. IEEE, 2019. P. 1621–1625. doi: 10.23919/PIERS.2018.8597967Gevorkyan A. V., Privalova T. Y., Yukhanov Y. V. Radiation Characteristics of the Low Profile Dipole Antenna. Progress in Electromagnetics Research Symp. (PIERS-Toyama), Toyama, Japan, 01–04 Aug. 2018. IEEE, 2019, pp. 1621–1625. doi: 10.23919/PIERS.2018.8597967Novak M. H., Volakis J. L. Ultrawideband Antennas for Multiband Satellite Communications at UHF–Ku Frequencies // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2015. Vol. 63, № 4. P. 1334–1341. doi: 10.1109/TAP.2015.2390616Novak M. H., Volakis J. L. Ultrawideband Antennas for Multiband Satellite Communications at UHF–Ku Frequencies. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2015, vol. 63, no. 4, pp. 1334–1341. doi: 10.1109/TAP.2015.2390616Holland S. S., Vouvakis M. N. The Planar Ultrawideband Modular Antenna (PUMA) Array // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. Vol. 60, № 1. P. 130–140. doi: 10.1109/TAP.2011.2167916Holland S. S., Vouvakis M. N. The Planar Ultrawideband Modular Antenna (PUMA) Array. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012, vol. 60, no. 1, pp. 130–140. doi: 10.1109/TAP.2011.2167916Au V. B., Bobkov I. N., Yukhanov Y. V. Low-Profile Circularly Polarized Tightly Coupled Dipole Array // IEEE 8th All-Russ. Microwave Conf. (RMC), Moscow, Russia, 23–25 Nov. 2022. IEEE, 2022. P. 207–210. doi: 10.1109/RMC55984.2022.10079477Au V. B., Bobkov I. N., Yukhanov Y. V. LowProfile Circularly Polarized Tightly Coupled Dipole Array. IEEE 8th All-Russ. Microwave Conf. (RMC), Moscow, Russia, 23–25 Nov. 2022. IEEE, 2022, pp. 207–210. doi: 10.1109/RMC55984.2022.10079477A New Class of Planar Ultrawideband Modular Antenna Arrays with Improved Bandwidth / J. T. Logan, R. W. Kindt, M. Y. Lee, M. N. Vouvakis // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2018. Vol. 66, iss. 2. P. 692–701. doi: 10.1109/TAP.2017.2780878Logan J. T., Kindt R. W., Lee M. Y., Vouvakis M. N. A New Class of Planar Ultrawideband Modular Antenna Arrays with Improved Bandwidth. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2018, vol. 66, iss. 2, pp. 692–701. doi: 10.1109/TAP.2017.2780878Lee M. Y., Kindt R. W., Vouvakis M. N. Polarization properties of finite ultra-wideband arrays // 31st Intern. Review of Progress in Applied Computational Electromagnetics (ACES), Williamsburg, USA, 22–26 March 2015. IEEE, 2015. P. 1–2.Lee M. Y., Kindt R. W., Vouvakis M. N. Polarization Properties of Finite Ultra-Wideband Arrays. 31st Intern. Review of Progress in Applied Computational Electromagnetics (ACES), Williamsburg, USA, 22– 26 March 2015. IEEE, 2015, pp. 1–2.Merola C. S., Vouvakis M. N. UHF planar ultra-wideband modular antenna (PUMA) arrays // Intern. Symp. on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, San Diego, USA, 09–14 July 2017. IEEE, 2017. P. 1803–1804. doi: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2017.8072944Merola C. S., Vouvakis M. N. UHF Planar Ultra-Wideband Modular Antenna (PUMA) Arrays. Intern. Symp. on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, San Diego, USA, 09–14 July 2017. IEEE, 2017, pp. 1803–1804. doi: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2017.8072944Logan J. T., Vouvakis M. N. Planar Ultrawideband Modular Antenna (PUMA) arrays scalable to mmwaves // Antennas and Propagation Society Intern. Symp. (APSURSI), Orlando, FL, USA, 07–13 July 2013. IEEE, 2014. P. 624–625. doi: 10.1109/APS.2013.6710972Logan J. T., Vouvakis M. N. Planar Ultrawideband Modular Antenna (PUMA) arrays scalable to mmwaves. Antennas and Propagation Society Intern. Symp. (APSURSI), Orlando, FL, USA, 07–13 July 2013. IEEE, 2014, pp. 624–625. doi: 10.1109/APS.2013.6710972A 6:1 bandwidth PUMA array at 7mm scale / R. Kindt, R. Mital, J. Logan, M. Lee, M. Vouvakis // Intern. Symp. on Phased Array Systems and Technology (PAST), Waltham, USA, 18–21 Oct. 2016. IEEE, 2017. P. 1–4. doi: 10.1109/ARRAY.2016.7832626Kindt R., Mital R., Logan J., Lee M., Vouvakis M. A 6:1 Bandwidth PUMA Array at 7mm Scale. Intern. Symp. on Phased Array Systems and Technology (PAST), Waltham, USA, 18–21 Oct. 2016. IEEE, 2017, pp. 1–4. doi: 10.1109/ARRAY.2016.7832626Lee M. Y., Kindt R. W., Vouvakis M. N. Planar ultrawideband modular antenna (PUMA) wavelengthscaled array // Intern. Symp. on Antennas and Propagation (APSURSI), Fajardo, USA, 26 June–01 July 2016. IEEE, 2016. P. 435–436. doi: 10.1109/APS.2016.7695926Lee M. Y., Kindt R. W., Vouvakis M. N. Planar Ultrawideband Modular Antenna (PUMA) WavelengthScaled Array. Intern. Symp. on Antennas and Propagation (APSURSI), Fajardo, USA, 26 June–01 July 2016. IEEE, 2016, pp. 435–436. doi: 10.1109/APS.2016.7695926Simplified design of 6∶1 PUMA arrays / M. Y. Lee, J. T. Logan, R. W. Kindt, M. N. Vouvakis // Intern. Symp. on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, Vancouver, Canada, 19–24 July 2015. IEEE, 2015. P. 2515–2516. doi: 10.1109/APS.2015.7305646Lee M. Y., Logan J. T., Kindt R. W., Vouvakis M. N. Simplified Design of 6∶1 PUMA Arrays. Intern. Symp. on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, Vancouver, Canada, 19–24 July 2015. IEEE, 2015, pp. 2515–2516. doi: 10.1109/APS.2015.7305646Tightly Coupled Array Antennas for Ultra-Wideband Wireless Systems / Y. Zhou, F. Zhu, S. Gao, Q. Luo, L.-H. Wen, Q. Wang, X. X. Yang, Y. L. Geng, Z. Q. Cheng // IEEE Access. 2018. Vol. 6. P. 61851–61866. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2873741Zhou Y., Zhu F., Gao S., Luo Q., Wen L.-H., Wang Q., Yang X. X., Geng Y. L., Cheng Z. Q. Tightly Coupled Array Antennas for Ultra-Wideband Wireless Systems. IEEE Access. 2018, vol. 6, pp. 61851–61866. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2873741Holzman E. On the use of dummy elements to match edge elements in transmit arrays // Intern. Symp. on Phased Array Systems and Technology, Waltham, USA, 15–18 Oct. 2013. IEEE, 2014. P. 549–552. doi: 10.1109/ARRAY.2013.6731887Holzman E. On the Use of Dummy Elements to Match Edge Elements in Transmit Arrays. Intern. Symp. on Phased Array Systems and Technology, Waltham, USA, 15–18 Oct. 2013. IEEE, 2014, pp. 549– 552. doi: 10.1109/ARRAY.2013.6731887

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