APPLICATION OF VOLUMETRIC REFLECTING STRUCTURES TO IMPROVE THE RADIATION CHARACTERISTICS OF WIDEBAND AND ULTRAWIDEBAND MICROSTRIP ANTENNAS
APPLICATION OF VOLUMETRIC REFLECTING STRUCTURES TO IMPROVE THE RADIATION CHARACTERISTICS OF WIDEBAND AND ULTRAWIDEBAND MICROSTRIP ANTENNAS
Abstract
Unique methods are studied in the designing of wideband (with a matching bandwidth of about 40%) and ultrawideband (with a matching bandwidth of about 100%) antennas with high gain (at least 10 dBi in the operating frequency band). This article implies a method for significantly increasing (up to 3–4 dB in the entire operating frequency range) the directivity (gain) of the analyzed stacked microstrip antennas with modified active and passive exciters based on previously published studies regarding their designs. The essence of the proposed method is the use of volumetric reflectors (cavities) in the shape of an inverted pyramid, instead of flat screens. The article presents the results of three-dimensional simulation of structures, confirming the applicability of the methods under study.
1. Введение
Направленные антенны, то есть антенны с высоким коэффициентом направленного действия (КНД), или с высоким коэффициентом усиления (КУ) широко используются в области современных радиотехнических систем (РТС), таких как системы беспроводной связи (беспроводной передачи данных) прямой видимости или спутниковой связи, системах радиомониторинга, измерительных лабораториях, при организации связи в робототехнических системах и комплексах (в беспилотных системах), в наземных или бортовых радиолокационных станциях и т. д. , , .
Практически во всех современных РТС требуется работа как минимум в широкой полосе частот, а часто и в сверхширокой, в том числе работа в нескольких полосах частот, часто широких. Тема разработки компактных сверхширокополосных (СШП) антенн с высоким КНД, кроме прочего, актуальна ввиду распространенности систем радиомониторинга, где требуется обнаружение источников радиоизлучения на достаточном удалении с возможностью оперативно анализировать достаточно большие участки спектра, а габариты антенн и их количество имеют значение.
Во многих работах, например , , , , описаны методы повышения КУ антенны. Они часто связаны с расширением поверхности излучения антенны: рупорные антенны, параболические зеркальные антенны и их различные модификации. Кроме того, используются конструкции, называемые антенными решетками, состоящие из множества отдельных излучателей, соединенных особым образом в единую излучающую систему, в том числе широкополосные и сверхширокополосные , , . В , приводится некоторый анализ широкополосных (ШП) антенн, с описанием недостатков той или иной конструкции, а также приводятся уникальные решения, позволяющие добиться работы антенн в широком и сверхшироком диапазонах частот с формированием направленной диаграммы с КУ не менее 10 дБи в рабочей полосе частот.
Отметим, что микрополосковые антенны имеют ряд существенных преимуществ, по сравнению с другими типами. Микрополосковые антенны чаще всего просты в изготовлении, при этом изготовление возможно с достаточно высокой точностью при небольших финансовых затратах, в сравнении, например, с рупорными или зеркальными антенными. То есть рассчитанную (смоделированную) топологию легко воспроизвести с высокой точностью соответствия. Известны работы, например, , , , , где за счет формы рефлектора (резонатора) авторам удалось существенно улучшить коэффициент усиления микрополосковой антенны. Такой подход позволяет, во-первых, улучшить характеристики излучения антенны, во-вторых, сохранить прочие полезные свойства микрополосковой антенны, например полосу согласования при заданном уровне.
В данной статье на примере широкополосной и сверхширокополосной составных микрополосковых антенн рассмотрены возможности увеличения коэффициента усиления за счет специальной конструкции отражателя — в виде перевернутой пирамиды. Предлагаемый метод позволил увеличить КУ антенн на 3–4 дБ в рабочих диапазонах частот, при этом полоса согласования антенн не ухудшилась. После добавления объемного рефлектора в конструкции антенн коэффициент усиления поднялся примерно до 15–17 дБи, что ставит такие антенны в один ряд с известными измерительными рупорными антенными с аналогичными характеристиками, однако с более высокими требованиями к точности изготовления.
2. Краткое описание исследуемых широкополосных антенн
В качестве первого примера рассмотрим ШП антенну из , где за счет использования Е-образного активного элемента в конструкции составной микрополосковой антенны удалось получить высокий коэффициент усиления (от 10 до 13 дБи) с полосой согласования около 33% при |S11| ≤ 10 дБ и около 26% при |S11| ≤ 15 дБ. Внешний вид антенны показан на рисунке 1. В данной антенне активный излучатель крепится к плоскому экрану на расстоянии 3 мм с помощью диэлектрической (нейлоновой) монтажной стойки, пассивные излучатели крепятся к плоскому экрану на высоте 6 и 7 мм с помощью металлических монтажных стоек.
![Исследуемая широкополосная направленная антенна из [11]](/media/images/2025-09-18/b90fa732-64a4-4770-800e-225423a5043d.png)
Рисунок 1 - Исследуемая широкополосная направленная антенна из [11]
![Исследуемая конструкция сверхширокополосной направленной антенны из [12]](/media/images/2025-09-18/036a0ec8-3577-4d4a-99c2-a860b4f7aa6d.png)
Рисунок 2 - Исследуемая конструкция сверхширокополосной направленной антенны из [12]
3. Методика увеличения направленности антенны
В представлены исследования, показывающие влияние формы и размера объемного рефлектора (резонатора) на исследуемые антенны из , . Суть применения резонатора состоит в том, что он позволяет улучшить распределение поля на излучающих частях антенны, тем самым улучшить ее характеристики излучения. Классическая упрощенная эквивалентная схема любой резонаторной антенны показана на рисунке 3. В схеме параллельно включенный колебательный контур резонатора указывает на улучшение работы излучающей системы в целом, без изменения (смещения, сужения или расширения) ее частотных характеристик.
Рисунок 3 - Упрощенная эквивалентная схема резонаторной антенны
Рисунок 4 - Эквивалентная схема многорезонансной антенны с объемным рефлектором
Для улучшения характеристик излучения рассматриваемых антенн , предлагается конструкция резонатора в виде перевернутой пирамиды, как показано на рисунках 5 и 6. Высота стенок рефлектора составляет 20 мм и выбрана из соображений наиболее оптимального значения эффективности излучения антенны (отношения коэффициента усиления к площади). В качестве материала стенок выбирается любой проводник (металл), в данном случае заданы параметры, соответствующие алюминию. Выполненные расчеты на основе трехмерного моделирования, в том числе, представленные в , показывают, что наибольшее увеличение КНД антенны достигается при углах наклона стенок резонатора около 45° в E-плоскости (влияние стенок в H-плоскости на КНД сказывается слабее, однако при близком расположении стенок к излучателям происходит ухудшение согласования антенны в целом). При оптимальной форме отражателя практически не происходит влияния на согласование антенны.
Рисунок 5 - Исследуемая конструкция широкополосной направленной антенны с широкополосным резонатором
Рисунок 6 - Исследуемая конструкция сверхширокополосной направленной антенны с широкополосным резонатором
Работу антенн с добавлением перевернуто-пирамидального резонатора можно увидеть на рисунках 7–9. На рисунке 7 показано распределение поверхностных токов на элементах конструкции на разных частотах, рассчитанное на примере трехмерной модели сверхширокополосной антенны в программном модуле ANSYS EM Suite HFSS Design. Видно, что у антенны с плоским рефлектором токи концентрируются вокруг излучающих элементов, когда у резонатора поверхностные токи текут и по его стенкам на всех частотах исследуемого диапазона частот, вызывая вторичное излучение электромагнитного поля. Результат такого распределения мы видим на рисунках 8 и 9, откуда видно, что в сравнении с использованием обычного плоского экрана при добавлении резонатора на краях пассивных элементов ШП и СШП конструкций возрастает концентрация электрического поля, что и приводит к улучшению характеристики излучения антенны (или направленных свойств антенны).
Рисунок 7 - Сравнение распределения поверхностных токов по поверхностям элементов сверхширокополосной направленной антенны с плоским рефлектором и пирамидальным, рассчитанное на частотах 4–9 ГГц
Рисунок 8 - Сравнение распределения электрического поля по поверхностям элементов сверхширокополосной антенны с плоским рефлектором и пирамидальным, рассчитанное на частотах 4–9 ГГц
Рисунок 9 - Сравнение распределения электрического поля по поверхностям элементов широкополосной антенны с плоским рефлектором и пирамидальным, рассчитанное на частотах 5–6 ГГц
4. Результаты моделирования антенн с резонирующими отражателями
На основе предложенных трехмерных моделей антенн с добавлением резонаторов в виде перевернутой пирамиды (рисунки 5 и 6) выполнены расчеты основных характеристик антенн. Так, на рисунках 10–12 показаны характеристики широкополосной антенны, а на рисунках 13–15 показаны рассчитанные характеристики сверхширокополосной антенны.
Рисунок 10 иллюстрирует зависимость коэффициента усиления ШП антенны от частоты, откуда видно, что коэффициент усиления во всем рабочем диапазоне частот существенно увеличился — от 2 до 4 дБ в нижней и верхней частях исследуемого диапазона соответственно, при этом уровень кроссполяризационной составляющей также поднялся, однако коэффициент кроссполяризационной развязки остался не хуже 45 дБ — аналогично исходной конструкции с плоским рефлектором. На рисунке 11 показана частотная зависимость коэффициента отражения на входе ШП антенны. Видно, что добавление резонатора практически не сказывается на согласовании антенны, формы кривых очень схожи у исходной конструкции с плоским рефлектором и антенны с добавлением резонатора, ухудшение последней незначительное — около 45 МГц по уровню минус 10 дБ, что соответствует сужению рабочего диапазона примерно на 1%; при этом, при расчете полосы согласования по уровню |S11| ≤ –15 дБ сокращение рабочего диапазона составляет всего около 0,5%.
Рисунок 10 - Зависимости коэффициентов усиления широкополосной антенны:
красный – с плоским рефлектором; зеленый – с объемным резонатором
Рисунок 11 - Зависимости модулей коэффициентов отражения на входе широкополосной антенны:
красный – с плоским рефлектором; зеленый – с объемным резонатором
Рисунок 12 - Диаграммы усиления широкополосной антенны:
красный – с плоским рефлектором; зеленый – с объемным резонатором
Рисунок 13 - Зависимости коэффициентов усиления СШП антенны:
красный – с плоским рефлектором; зеленый – с объемным резонатором
Рисунок 14 - Зависимости модулей коэффициентов отражения на входе сверхширокополосной антенны:
красный – с плоским рефлектором; зеленый – с объемным резонатором
На рисунке 15 показаны диаграммы усиления СШП антенны, построенные в главных плоскостях.
Рисунок 15 - Диаграммы усиления СШП антенны:
красный – с плоским рефлектором; зеленый – с объемным резонатором
Из кривых на рисунке 14 видно, что добавление резонатора слабо сказывается на согласовании антенны, аналогично ШП антенне происходит небольшое сужение рабочего диапазона (не более 1%), вид кривых с плоским и объемным рефлекторами схож. В нижней части частотного диапазона (на участке примерно 4200–6000 МГц) наблюдается небольшое возвышение значений коэффициента отражения и превышение требуемого значения — минус 10 дБ. Это сказывается на значении результирующего коэффициента усиления (что видно из рисунка 13), однако при проектировании антенны возможно выполнить ее согласование небольшой подстройкой размеров активного излучателя.
5. Заключение
В статье рассмотрены методы улучшения характеристик излучения ранее исследованных составных микрополосковых антенн. Рассмотрено влияние резонатора на распределение электрического поля по элементам антенны. На основе трехмерного моделирования антенн в программном пакете ANSYS EM Suite получено, что применение объемного резонатора в виде перевернутой пирамиды с оптимальными размерами стенок существенно улучшает направленность антенны, точнее ее коэффициент усиления — на 2–4 дБ в рабочих широком и сверхшироком диапазонах частот в сравнении с плоским рефлектором. Также показано, что замена плоского рефлектора на объемный резонатор с наклонными стенками слабо влияет на согласование антенны, в отличие от классического прямоугольного резонатора.
Основная особенность применения рефлектора (резонатора) в виде перевернутой пирамиды заключается в его изменяющейся ширине, что позволяет улучшить распределение поля по элементам составной антенны даже в сверхшироком диапазоне частот, в отличие от распространенной практики применения резонаторов прямоугольной формы.
Рассмотренные уникальные широкополосные и сверхширокополосные конструкции антенн за счет своих характеристик могут использоваться в таких РТС, как системы беспроводной связи или передачи данных, обеспечивая радиосвязь на больших дистанциях за счет высокого КУ, в системах ретрансляции, в качестве антенн наземных терминалов связи в беспилотных авиационных системах, в качестве измерительных антенн в лабораториях либо антенн систем радиомониторинга.
Предлагаемый метод может быть исследован применительно к другим микрополосковым направленным антеннам. Кроме того, предполагается провести экспериментальные исследования с целью подтверждения всех завяленных в статье улучшений характеристик антенн.