Исследование диаграммы обратного излучения квадрупольной антенны с высокоимпедансным экраном больших электрических размеров

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. 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. 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. 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 f_н и верхней f_в 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. 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.

1. Татарников 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.

2. 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.2002.1017065

3. Multiband 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.2019.8729623

4. Multipath 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.

5. 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.

6. Leick A., Rapoport L., Tatarnikov D. GPS Satellite Surveying. 4th ed. New York: Wiley, 2015. 836 p.

7. 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.

8. Sievenpiper D. F. High Impedance Electromagnetic Surfaces: Ph. D. dissertation / University of California. Los Angeles, 1999. 150 p.

9. 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.

10. 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)

11. 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.

12. CST 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)

13. 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.2017.7998468

14. On 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.2014.7045137

15. Broadband 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.2012.2205129

16. Tatarnikov 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.2012.2194636