ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2024. №6

УДК:621.396.67

РАЗВИТИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ НОВЫХ ПОДХОДОВ
К МОДЕЛИРОВАНИЮ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ
РАЗРЕЖЕННЫХ ПРОВОДНЫХ СЕТОЧНЫХ АНТЕНН

М.Т Нгуен, А.Ф. Алхадж Хасан, Т.Р. Газизов

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

634050, г. Томск, ул. Ленина, 40.

Статья поступила в редакцию 27 июня 2023 г.

Аннотация. В настоящее время крайне важно непрерывно исследовать и совершенствовать технологии производства антенн, чтобы удовлетворить растущие потребности рынка. Используя преимущества численных методов, исследователи могут расширять границы использования антенн, создавая их новые и высокоэффективные конструкции. В данной работе выполнено предварительное исследование двух подходов к моделированию и проектированию разреженных проводных антенн. Их основная идея заключается в создании оптимальной проводной структуры, которая наилучшим образом соответствует путям тока в антенне, сохраняя ее целостность с минимальной массой. Кроме того, эта структура может использоваться в дальнейшем моделировании с меньшими ресурсами и контролируемой точностью характеристик. Для пояснения алгоритмов предложенных подходов использовались параболическая рефлекторная и коническая рупорная антенны. Для верификации использованы измеренные и рассчитанные характеристики эквивалентной проводной структуры этих антенн. Для оценки эффективности этих подходов, их результаты сравнены с результатами других подходов, предложенных в предыдущих работах. Показаны преимущества предложенных подходов по сравнению с другими. Даны рекомендации по их использованию и будущим перспективам.

Ключевые слова: метод моментов, проводная сетка, разреженные антенны, коническая рупорная антенна, зеркальная рефлекторная антенна, аппроксимация оптимальной токовой сеткой.

Финансирование: работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России по проекту FEWM-2023-0014.

Автор для переписки: Алхадж Хасан Аднан Фаезович, alkhadzh@tusur.ru

Литература

1. Kumar O.P. et al. Ultrawideband antennas: Growth and evolution // Micromachines. – 2021. – Т. 13. – №. 1. – С. 60. https://doi.org/10.3390/mi13010060

2. Jabbar A. et al. Millimeter-Wave Smart Antenna Solutions for URLLC in Industry 4.0 and Beyond // Sensors. – 2022. – Т. 22. – №. 7. – С. 2688. https://doi.org/10.3390/s22072688

3. Ali U. et al. Design, Analysis and Applications of Wearable Antennas: A Review // IEEE Access. – 2023. – Т. 11. С. 14458–14486. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3243292

4. Munina I. et al. A review of 3D printed gradient refractive index lens antennas // IEEE Access. – 2023. – Т. 11. С. 8790–8809. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3239782

5. Liang M. et al. 3-D printed microwave patch antenna via fused deposition method and ultrasonic wire mesh embedding technique // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. – 2015. – Т. 14. – С. 1346–1349. https://doi.org/10.1109/LAWP.2015.2405054

6. Харрингтон Р.Ф. Применение матричных методов к задачам теории поля // Ж. ТИЭЭР. – 1967. – №. 2. – С. 5–19.

7. Taflove A. Application of the finite-difference time-domain method to sinusoidal steady-state electromagnetic-penetration problems // IEEE Transactions on electromagnetic compatibility. – 1980. – №. 3. – С. 191–202. https://doi.org/10.1109/TEMC.1980.303879

8. Yee K. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media // IEEE Transactions on antennas and propagation. – 1966. – Т. 14. – №. 3. – С. 302–307. https://doi.org/10.1109/TAP.1966.1138693

9. Cesari C.S., Abel J.F. Introduction to the Finite Element Method: A Numerical Approach for Engineering Analysis. – 1972. – 477 c.

10. Jin J.M. The finite element method in electromagnetics. – John Wiley & Sons, 2015. – 876 с.

11. Rao S. A simple and efficient method of moments solution procedure for solving time-domain integral equation – Application to wire-grid model of perfect conducting objects // IEEE Journal on Multiscale and Multiphysics Computational Techniques. – 2019. – Т. 4. – С. 57–63. https://doi.org/10.1109/JMMCT.2019.2900702

12. Makarov S.N. Antenna and EM Modeling with MATLAB. – USA, 2002.

13. Zhu X. et al. Analysis of radiation field of a new wire-grid TEM horn // 2019 Photonics & Electromagnetics Research Symposium-Fall (PIERS-Fall). – IEEE, 2019. – С. 3188–3191. https://doi.org/10.1109/PIERS-Fall48861.2019.9021734

14. Kubwimana J.L., Kirsch N. The Impedance of Optically Transparent Thin Mesh Wire RF Devices // 2021 Photonics & Electromagnetics Research Symposium (PIERS). – IEEE, 2021. – С. 85–91. https://doi.org/10.1109/PIERS53385.2021.9694773

15. Silverstein D., Leviatan Y. Design of Irregular Embedded Antenna Arrays for Shaped-Beam Radiation Using Reciprocity and Sparse Optimization // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. – 2023. – Т. 71. – №. 4. – С. 3273–3281. https://doi.org/10.1109/TAP.2023.3240597

16. Shebert S.R. et al. Multi-Signal Classification Using Deep Learning and Sparse Arrays // MILCOM 2022-2022 IEEE Military Communications Conference (MILCOM). – IEEE, 2022. – С. 1–6. https://doi.org/10.1109/MILCOM55135.2022.10017861

17. Liu Q. et al. Sparse Array Radar Staring Imaging Based on Matrix Completion // 2022 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT). – IEEE, 2022. – С. 1–3. https://doi.org/10.1109/ICMMT55580.2022.10022731

18. Головин В.В., Тыщук Ю.Н. Исследование характеристик развертываемой космической зеркальной антенны с разряженной отражающей поверхностью // Журнал Радиоэлектроники [электронный журнал]. – 2023. – №. 1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.1.10

19. Карасев А.С., Степанов М.А. Синтез разреженной линейной антенной решетки с сохранением ширины главного лепестка и минимальным пиковым уровнем боковых лепестков при помощи генетического алгоритма // Журнал Радиоэлектроники [электронный журнал]. – 2022. – №. 5. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.5.5

20. Потапов А.А. Фрактальная электродинамика. Численное моделирование малых фрактальных антенных устройств и фрактальных 3D микрополосковых резонаторов для современных сверхширокополосных или многодиапазонных радиотехнических систем // Радиотехника и электроника. – 2019. – Т. 64. – №. 7. – С. 629–665. https://doi.org/10.1134/S0033849419060068

21. Yatsenko V.V. et al. Higher order impedance boundary conditions for sparse wire grids // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. – 2000. – Т. 48. – №. 5. – С. 720–727. https://doi.org/10.1109/8.855490

22. Alhaj Hasan A. et al. On Wire-Grid Representation for Modeling Symmetrical Antenna Elements // Symmetry. – 2022. – Т. 14. – №. 7. – С. 1354. https://doi.org/10.3390/sym14071354

23. Nguyen M.T. et al. Equivalent 3D printed perforated Х-band horn antenna sparsed wire-grid structures using OCGA // 2023 Antennas Design and Measurement International Conference (ADMInC). – IEEE, 2023. – C. 31–36. https://doi.org/10.1109/ADMInC59462.2023.10335371

24. Nguyen M.T. et al. Comparative analysis of C/OCGA sparse horn antenna structures at different frequencies // 2023 IEEE XVI International Scientific and Technical Conference Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE), – IEEE, 2023. – C. 530–536. https://doi.org/10.1109/APEIE59731.2023.10347852

25. Alhaj Hasan A. et al. Wire-grid and sparse MoM antennas: Past evolution, present implementation, and future possibilities // Symmetry. – 2023. – Т. 15. – №. 2. – С. 378. https://doi.org/10.3390/sym15020378

26. Parabolic antenna JRC-24DD MIMO [сайт]. Jirous antennas direction for your waves. Дата обращения: 15.05.2023. URL: https://en.jirous.com/antenna-5ghz-parabolic/jrc-24DD_MIMO

27. Shamshad F., Amin M. Simulation Comparison between HFSS and CST for Design of Conical Horn Antenna // Journal of Expert Systems (JES). – 2012. – Т. 1. №. 4. – С. 84–90. https://www.researchgate.net/publication/277875165

28. Алхадж Хасан А., Квасников А.А., Куксенко C.П. Газизов Т.Р. Верификация моделирования проводных антенн методом моментов // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. – 2021. –№. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.11.1

29. Алхадж Хасан А.Ф., Нгуен М.Т., Газизов Т.Р. Моделирование антенн методом моментов: аппроксимация поверхности проводами // Доклады ТУСУР. – 2023. – Т. 26. – №. 2. – С. 51–71. https://doi.org/10.21293/1818-0442-2023-26-2-51-71

30. Нгуен М.Т., Алхадж-Хасан А.Ф. Верификация результатов применения аппроксимации оптимальной токовой сеткой в разных САПР // XXII Международной конференции имени А.Ф. Терпугова «Информационные технологии и математическое моделирование» (ИТММ – 2023). – Томский государственный университет, 2023.

31. Huang G.L. et al. Lightweight perforated waveguide structure realized by 3-D printing for RF applications // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. – 2017. – T. 65. – №. 8. – C. 3897–3904. https://doi.org/10.1109/TAP.2017.2715360

32. Haumant J. et al. Ultralight wide-band double ridged horn antenna using additive technologies // ESA-ESTEC MTT. – 2019. https://www.elliptika.com/en/ultralight-wide-band-double-ridged-horn-antenna-using-additive-technologies/

33. Ahn S., Choo H. A systematic design method of on-glass antennas using mesh-grid structures // IEEE Transactions on Vehicular Technology. – 2010. – T. 59. – №. 7. – C. 3286–3293. https://doi.org/10.1109/TVT.2010.2053227

34. Sayapin S.N. Analysis of current state and prospects for development of methods for monitoring tension of radio-reflecting mesh on deployable frame of large mirror antenna // BMSTU Journal of Mechanical Engineering. – 2021. – Т. 2. – №. 731. – C. 41–55. http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2021-2-41-55

35. Yu Z. et al. Design of window grille shape-based multiband antenna for mobile terminals // International Journal of Antennas and Propagation. – 2021. – T. 2021. – C. 14. https://doi.org/10.1155/2021/6684959

36. Yasin T. et al. Analysis and design of highly transparent meshed patch antenna backed by a solid ground plane // Progress in Electromagnetics Research M. – 2017. – T. 56. – C. 133–144. http://dx.doi.org/10.2528/PIERM16092708

37. Sharifi H. et al. Semi-transparent and conformal antenna technology for millimeter-wave intelligent sensing // IEEE MTT-S International Conference on Microwaves for Intelligent Mobility (ICMIM). – 2018. – C. 1–4. https://doi.org/10.1109/ICMIM.2018.8443523

38. Hautcoeur J. et al. 60 GHz optically transparent microstrip antenna made of meshed AuGL material // IET Microwaves Antennas & Propagation. – 2014. – Т. 8. – №. 13. – C. 1091–1096. https://doi.org/10.1049/iet-map.2013.0564

39. Liang M. et al. 3-D printed microwave patch antenna via fused deposition method and ultrasonic wire mesh embedding technique // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. – 2015. – T. 14. – C. 1346–1349. https://doi.org/10.1109/LAWP.2015.2405054

40. Gazizov T.R. et al. A simple modeling methodology for creating hidden antennas // 2023 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). – IEEE, 2023. – C. 1080–1084, https://doi.org/10.1109/ICIEAM57311.2023.10139026

Для цитирования:

Нгуен М.Т., Алхадж Хасан А.Ф., Газизов Т.Р. Развитие и применение новых подходов к моделированию и проектированию разреженных проводных сеточных антенн. // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – № 6. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.6.6