ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2024, № 12 · РАДИОТЕХНИКА

Разработка компактной широкополосной антенны со стабильной формой диаграммы направленности для применения в составе малоразмерных БпЛА

М.С. Шишкин1

1 АО «ЭЙРБУРГ», Екатеринбург, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2024.12.10 УДК 621.396.673 EDN QXKXBK

Аннотация

В статье приведен метод получения диаграммы направленности стабильной формы в виде тороида в широком диапазоне частот для малогабаритной антенны на основе несимметричного печатного вибратора. Метод заключается в применении широкополосного прямоугольного излучателя и согласования его с входным 50-Омным разъемом посредством четвертьволнового трансформатора на основе микрополоской линий передачи и специальной формы противовеса. На основании предложенного метода разработана конструкция печатной антенны, которая имеет две широких полосы согласования по уровню коэффициента отражения (модуля S 11) не более минус 10 дБ: 1677-2786 МГц (50%) и 3230-3801 МГц (16,2%); формирует поле в виде тороида в диапазоне частот 1500-4000 МГц с коэффициентом усиления не менее 2 дБи в направлении максимального излучения. Форма диаграммы направленности достаточно стабильна во всем частотном диапазоне, максимумы ориентированы в перпендикулярном направлении оси антенны. Разработанная конструкция была изготовлена и измерены ее характеристики. Антенна, в первую очередь, применима в системах беспроводной связи беспилотных авиационных систем и предназначена для установки на беспилотный летательный аппарат, где может обеспечить радиопокрытие по всем азимутальным направлениям. Изготовленная антенна имеет компактный размер (размер печатной платы антенны без разъема составляет 63×22,5×1 мм3 или 0,35λmax×0,125λmax×0,006λmax) и небольшой вес (не более 10 г с учетом разъема), а уникальная форма позволяет использовать ее без обтекателя без снижения аэродинамических свойств носителя.

  • широкополосная антенна
  • многодиапазонная антенна
  • стабильная форма диаграммы направленности
  • антенна летательного аппарата
Abstract (in English)

Design of a compact wideband antenna with a stable radiation pattern for application in small-sized UAVs

This paper presents a method to obtain a stable toroidal radiation pattern in a wide frequency range for a small-sized antenna based on a printed asymmetrical dipole. The method lies in the application of a broadband rectangular exciter (first arm) and matching it with a 50-Ohm input connector using a quarter-wave transformer based on microstrip transmission lines and a special form of a second arm. According to the proposed method, a printed antenna has been designed with two wide matching bands with reflection coefficient levels (module S 11) of no more than minus 10 dB: 1677-2786 MHz (50%) and 3230-3801 MHz (16.2%). It forms a toroidal field in the frequency range of 1500-4000 MHz with a gain of at least 2 dBi in the direction of maximum radiation. The shape of the radiation pattern is quite stable over the entire frequency range; the maxima are polarized perpendicular to the antenna axis. The designed antenna was manufactured, and its characteristics were measured. This antenna is primarily applied to wireless communication systems for unmanned aerial systems and is intended to be installed on unmanned aerial vehicles to provide radio coverage in all azimuth directions. The manufactured antenna is compact (the antenna printed circuit board, without connector, is 63×22.5×1 mm3 or 0.35λmax×0.125λmax×0.006λmax); it is light (no more than 10 g including the connector), and its unique shape allows the antenna to be used without a dome, not reducing the aerodynamic properties of the vehicle.

Для цитирования

Шишкин М.С. Разработка компактной широкополосной антенны со стабильной формой диаграммы направленности для применения в составе малоразмерных БпЛА // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – № 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.12.10

Литература

  1. Sabban A. (ed.). Wearable systems and antennas technologies for 5G, IOT and medical systems. - CRC Press, 2020.
  2. Chen Z.N., Luk K.M. Antennas for base stations in wireless communications. - McGraw-Hill, 2009.
  3. Shishkin M.S. Wideband High-Gain Dual-Polarized Antenna for 5G Communications // 2021 XV International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE). - IEEE, 2021. - P. 311-316.
  4. Shishkin M.S., Shabunin S.N. Analysis of Various Designs of Wideband Patch Antennas // 2022 IEEE International Multi-Conference on Engineering, Computer and Information Sciences (SIBIRCON). - IEEE, 2022. - P. 1190-1193.
  5. Zeng Y. et al. (ed.). UAV Communications for 5G and Beyond. - John Wiley & Sons, 2020.
  6. Saad W. et al. Wireless communications and networking for unmanned aerial vehicles. - Cambridge University Press, 2020.
  7. Amphenol Procom: [сайт] - URL: https://amphenolprocom.com/products (дата обращения: 15.05.2024). - Текст. Изображение: электронные.
  8. Смородинов А.А. Адаптивная антенна на беспилотном летательном аппарате или как одновременно увеличить дальность связи и подавлять помехи / А. А. Смородинов. - Текст. Изображение: электронные // Habr: [сайт]. - 2023. - 16 янв. - URL: https://habr.com/ru/articles/710834 (дата обращения 15.05.2024).
  9. Taoglas: [сайт] - URL: https://www.taoglas.com/product (дата обращения 15.05.2024). - Текст. Изображение: электронные.
  10. TELEOFIS: [сайт] - URL: https://teleofis.ru/production (дата обращения 15.05.2024). - Текст. Изображение: электронные.
  11. 42unita: [сайт] - URL: https://www.42unita.ru/catalog (дата обращения 15.05.2024). - Текст. Изображение: электронные.
  12. AliExpress: [сайт] - URL: https://aliexpress.ru (дата обращения 15.05.2024). - Текст. Изображение: электронные.
  13. XLTE.RU: [сайт] - URL: https://xlte.ru/antenny_vse (дата обращения 15.05.2024). - Текст. Изображение: электронные.
  14. Fraz Q., Ahmad J., Jafar H.M. Design and development of broadside Omni antennas for UAVs //2017 14th International Bhurban Conference on Applied Sciences and Technology (IBCAST). - IEEE, 2017. - P. 690-692.
  15. Yan Y.D., Jiao Y.C. Omnidirection vertically polarized antenna on unmanned aerial vehicle //2018 12th International Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory (ISAPE). - IEEE, 2018. - P. 1-3.
  16. Kang D.G., Choi J.Compact segmented loop antenna for UAV applications // 2017 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP). - IEEE, 2017. - P. 1-2.
  17. Cui Y. et al. A compact tri-band horizontally polarized omnidirectional antenna for UAV applications // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. - 2019. - Т. 18. - №. 4. - P. 601-605.
  18. Sumi M., Suzuki Y. A Wideband Single-Sided Folded-Off-Center-Fed Dipole Antenna for 4G/5G/Wi-Fi M2M/IoT Applications and UAVs // 2021 IEEE Conference on Antenna Measurements & Applications (CAMA). - IEEE, 2021. - P. 3-4.
  19. Беньковский З., Липинский Э. Любительские антенны коротких и ультракоротких волн: Теория и практика: Пер. с поль. - Радио и связь, 1983.
  20. Войтович Н.И., Ершов А.В., Соколов А.Н. УКВ вибраторные антенны // Челябинск: Издательство ЮУрГУ. - 2002.
  21. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - 1988.
  22. Бахарев С.И. и др. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. - 1982.
  23. Fusco V.F. Microwave circuits: analysis and computer-aided design. - 1987.