Антенна Фабри–Перо на основе электрически перестраиваемой щелевой антенны и двухслойной частотно-селективной поверхности

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

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. 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. 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.

1. Wideband 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/PIERL18011504

2. Elsheakh 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/PIERL17060507

3. Marno 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.2016.2573594

4. Marno 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.2004.834423

5. Mohammad 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/s11277-020-07819-9

6. Platonov 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/coatings10020180

7. Wideband 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.2020.3048165

8. Konstantinidis 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.2014.0530

9. Ultra-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.2018.8634123

10. A 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.2018.2872571

11. A 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/IEEECONF35879.2020.9330231

12. High 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/ICCE55644.2022.9852085

13. Characterization 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/S1063785019060026

14. Исследование 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: 10.32603/1993-8985-2023-26-2-16-24

15. 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.2005.863373

16. Latif 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.2004.842674