ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 8 · РАДИОТЕХНИКА

Разработка направленной двухдиапазонной антенны для наземного терминала связи беспилотных авиационных систем

М.С. Шишкин1

1 АО «ЭЙРБУРГ», Екатеринбург, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.8.12 УДК 621.396.677.31 EDN YZLAYA

Аннотация

В статье рассмотрены методы расширения рабочей полосы частот микрополосковых антенн. На основе комбинации методов с добавлением пассивных элементов в одной плоскости с активным излучателем и над ним и их оптимального расположения относительно друг друга предложена конструкция двухдиапазонной направленной антенны. Антенна согласована в двух широких поддиапазонах по уровню коэффициента отражения от входа (модуля S 11) не выше минус 10 дБ: 866-1015 МГц или 16 % и 2050-2835 МГц или 32 % (один вход с сопротивлением 50 Ом). При этом конструкция позволяет формировать направленное излучение с коэффициентом усиления в направлении максимального излучения от 9 до 11 дБи в нижнем частотном поддиапазоне и от 11 до 14 дБи в верхнем. Поляризация антенны - линейная, с высоким уровнем кроссполяризационной развязки - не менее 40 дБ. Максимум диаграммы направленности антенны смещен в угломестной плоскости, при этом ее форма обеспечивает покрытие в верхней полусфере. Все элементы антенны изготавливаются из листового металла (нержавеющей стали) и крепятся друг другу с помощью стальных или латунных стоек, что делает конструкцию очень прочной. В статье приводится методика проектирования предложенной антенны, результаты ее моделирования и экспериментальных исследований, выполненных на изготовленном образце. Изготовленная антенна имеет компактный размер (0,8λmax×0,8λmax×0,07λmax) и небольшой вес (не более 750 г). Антенна, в первую очередь, применима в системах беспроводной связи беспилотных авиационных систем в качестве антенны наземного терминала управления беспилотным летательным аппаратом.

  • сверхширокополосная антенна
  • многодиапазонная антенна
  • стабильная форма диаграммы направленности
  • высокий коэффициент усиления
  • антенна наземного терминала связи БАС
Abstract (in English)

Design of a directional dual-band antenna for a ground control station for unmanned aerial systems

The article discusses methods for expanding the operating frequency band of microstrip antennas. The design of a dual-band antenna has been developed using a combination of methods, including the addition of passive elements above and in the same plane as the active emitter and their optimal placement relative to each other. The antenna is matched in two wide subbands in terms of reflection coefficient (module S 11) of no more than minus 10 dB: 866-1015 MHz, or 16%, and 2050-2835 MHz, or 32% (one input with a resistance of 50 Ohms). Furthermore, the design allows for the formation of directional radiation with maximum gains ranging from 9 to 11 dBi in the lower frequency subband and from 11 to 14 dBi in the upper frequency subband. Antenna polarization is linear, with a high level of cross-polar discrimination of at least 40 dB. The maximum of the radiation pattern is shifted in the elevation plane, while the shape of the pattern provides coverage in the upper hemisphere. The antenna is highly durable since all of its elements are made of sheet metal (stainless steel) and fastened to one another with steel or brass rucks. The article provides methods for designing the proposed antenna, the results of its modeling, and experimental studies performed on the manufactured prototype. The manufactured antenna weighs no more than 750 g and has a compact size of 0.8λmax×0.8λmax×0.07λmax. In unmanned aircraft systems, the antenna is predominantly used as a ground control station antenna for wireless communication systems.

Для цитирования

Шишкин М.С. Разработка направленной двухдиапазонной антенны для наземного терминала связи беспилотных авиационных систем // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.8.12

Литература

  1. Harte L.Introduction to mobile telephone systems, 1G, 2G, 2.5 G, and 3G technologies and services. - Althos, 2006.
  2. Rahnema M., Dryjanski M. From LTE to LTE-Advanced Pro and 5G. - Artech House, 2017.
  3. Agrawal D. P., Zeng Q. A., Agrawal D. P.Introduction to wireless and mobile systems. - UK: Thomson, 2006.
  4. Kanatas A. G., Nikita K. S., Mathiopoulos P. T. (ed.). New directions in wireless communications systems: from mobile to 5G. - CRC Press, 2017.
  5. Chen Z. N., Luk K. M. Antennas for base stations in wireless communications. - McGraw-Hill, 2009.
  6. Sabban A. (ed.). Wearable systems and antennas technologies for 5G, IOT and medical systems. - CRC Press, 2020.
  7. 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. - С. 311-316.
  8. Shishkin M. S. Research of a wideband dual-polarization microstrip antenna array on a suspended substrate with irregular arrangement of elements //2024 IEEE 25th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM). - IEEE, 2024. - С. 630-635.
  9. Zeng Y. et al. (ed.). UAV Communications for 5G and Beyond. - John Wiley & Sons, 2020.
  10. Saad W. et al. Wireless communications and networking for unmanned aerial vehicles. - Cambridge University Press, 2020.
  11. 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.
  12. Wi S. H., Lee Y. S., Yook J. G. Wideband microstrip patch antenna with U-shaped parasitic elements //IEEE transactions on antennas and propagation. - 2007. - Т. 55. - №. 4. - С. 1196-1199.
  13. Najeeb D. et al. Design and simulation of wideband Microstrip patch antenna for RFID applications //2016 HONET-ICT. - IEEE, 2016. - С. 84-87.
  14. Boufrioua A. (ed.). Microstrip antennas modeling for recent applications. - Nova Science Publishers, Incorporated, 2016.
  15. Chen Z. N. et al. Handbook of antenna technologies. - Springer Publishing Company, Incorporated, 2016.
  16. Kumar G., Ray K. P. Broadband microstrip antennas. - Artech house, 2002.
  17. Kim S. W., Yu H. G., Choi D. Y. Analysis of patch antenna with broadband using octagon parasitic patch //Sensors. - 2021. - Т. 21. - №. 14. - С. 4908.
  18. Cao W. Q., Hong W. Bandwidth and gain enhancement for probe-fed CP microstrip antenna by loading with parasitical patches //Progress In Electromagnetics Research Letters. - 2016. - Т. 61. - С. 47-53.
  19. Legay H., Shafai L. New stacked microstrip antenna with large bandwidth and high gain //IEE Proceedings-Microwaves, Antennas and Propagation. - 1994. - Т. 141. - №. 3. - С. 199-204.
  20. Balanis C. A. Modern antenna handbook. - John wiley & sons, 2008.
  21. Shishkin M. S. Bandwidth enhancement methods analysis for high-gain stacked microstrip antenna //Progress In Electromagnetics Research B. - 2024. - Т. 107. - С. 19-31.
  22. Shishkin M. S. Ultrawideband High-Gain Stacked Microstrip Antenna with Modified E-Shaped Active Exciter and Four Single-Sided Bowtie Passive Elements //Progress In Electromagnetics Research B. - 2024. - Т. 109. - С. 1-16.
  23. Garg R. Microstrip antenna design handbook. - Artech house, 2001.
  24. Zhang X., Zhu L. Gain-enhanced patch antennas with loading of shorting pins //IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2016. - Т. 64. - №. 8. - С. 3310-3318.
  25. Balanis C. A. Antenna theory: analysis and design. - John wiley & sons, 2015.