ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2026, № 7 · РАДИОТЕХНИКА

Модификация комбинированной СШП антенны на основе анализа ее характеристических мод

Ю.А. Андреев1, В.П. Беличенко1, В.В. Плиско1

1 Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2026.7.1 УДК 621.373 EDN BDBQZW

Аннотация

Представлен процесс модификации трехмерной СШП комбинированной антенны на основе анализа ее характеристических мод. Он начинается с исследования свойств характеристических мод основных компонентов комбинированной антенны, а затем свойств характеристических мод антенны в целом, с целью выработки концепции эффективного расширения ее рабочей полосы частот. Для этого в частотной области анализируются основные атрибуты теории характеристических мод - частотные зависимости характеристических углов и модальных значимостей отдельных характеристических мод, а также осуществляется визуализация распределений характеристических токов этих мод. Это позволило получить ценную информацию о вкладе мощностей наиболее значимых характеристических мод в излучаемую антенной мощность и, основываясь на тщательном анализе распределений токов мод в окрестности узла питания антенны, предложить продуктивный принцип расширения ее рабочей полосы частот. Этот принцип был воплощен в конструкции экспериментальной модели модифицированной комбинированной СШП антенны. Результаты полноволнового моделирования антенны и измерений ее параметров и характеристик хорошо согласуются. Диапазон рабочих частот антенны по уровню КСВН < 2 составляет 0.5 - 2.75 ГГц. Модифицированная антенна имеет более высокий коэффициент усиления, чем исходная антенна, практически во всей рабочей полосе частот. Наибольшее его увеличение наблюдается в диапазоне от 1.9 до 2.8 ГГц. Эффективный потенциал излучения rE p модифицированной антенны на 9 % (в эксперименте) и 11 % (при полноволновом моделировании) выше соответствующего значения для исходной комбинированной антенны.

  • характеристическая мода
  • комбинированная антенна
  • сверхширокополосная антенна
  • ТЕМ рупор
  • анализ в частотной и временной областях
  • рабочая полоса частот антенны
Abstract (in English)

Modification of a combined UWB antenna based on an analysis of its characteristic modes

A process for modifying a 3D UWB combined antenna based on an analysis of its characteristic modes is presented. This begins with an investigation of the characteristic modes properties of the combined antenna's main components, followed by the characteristic modes properties of the antenna as a whole, with the goal of developing a concept for effectively widening its operating bandwidth. To do this, the key attributes of characteristic mode theory are analyzed in the frequency domain-the frequency dependences of characteristic angles and modal significances and the distributions of characteristic currents for these modes are visualized. This allowed us to obtain valuable information on the contribution of the most significant characteristic modes to the antenna's radiated power and, based on a thorough analysis of the mode current distributions in the vicinity of the antenna's feed input, propose a productive principle for widening its operating frequency band. This principle was embodied in the design of an experimental model of a modified combined UWB antenna. The results of full-wave modeling of the antenna model and measurements of its parameters and characteristics are in good agreement. The antenna operating frequency range at VSWR < 2 is 0.5 - 2.75 GHz. The modified antenna has a higher gain than the original antenna across virtually the entire operating frequency band. Its greatest increase is observed in the range from 1.9 to 2.8 GHz. The effective radiation potential rE p of the modified antenna is 9 % (in the experiment) and 11 % (in full-wave modeling) higher than the corresponding value for the original combined antenna.

Для цитирования

Андреев Ю.А., Беличенко В.П., Плиско В.В. Модификация комбинированной СШП антенны на основе анализа ее характеристических мод // Журнал радиоэлектроники. – 2026. – № 7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.7.1

Литература

  1. Koshelev V.I. et al. Ultrawideband radiators of high-power pulses // PPPS-2001 Pulsed Power Plasma Science 2001. 28th IEEE International Conference on Plasma Science and 13th IEEE International Pulsed Power Conference. Digest of Papers (Cat. No. 01CH37251). - IEEE, 2001. - Т. 2. - С. 1661-1664.
  2. Андреев Ю.А., Буянов Ю.И., Кошелев В.И. Комбинированная антенна с расширенной полосой пропускания // Радиотехника и электроника. - 2005. - Т. 50. - №. 5. - С. 585-594.
  3. Andreev Y.A., Kornienko V.N., Liu S. Method for radiation center position measurements of a combined antenna in the pulsed mode // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2018. - Т. 66. - №. 8. - С. 4269-4276.
  4. Andreev Y.A. et al. High-power ultrawideband radiation source // Laser and Particle Beams. - 2003. - Т. 21. - №. 2. - С. 211-217.
  5. Efremov A.M. et al. Generation and radiation of ultra-wideband electromagnetic pulses with high stability and effective potential // Laser and Particle Beams. - 2014. - Т. 32. - №. 3. - С. 413-418.
  6. Koshelev V.I., Plisko V.V. Structure of arrays of ultrawideband combined antennas // Journal of Communications Technology and Electronics. - 2017. - Т. 62. - №. 6. - С. 565-568.
  7. Qiu Y. et al. A modularized high-power ultra-wideband radiation system based on the space-synthesis method // Review of Scientific Instruments. - 2022. - Т. 93. - №. 4.
  8. Koshelev V.I., Belichenko V.P., Buyanov Y.I. Ultrawideband short-pulse radio systems. - Artech House, 2017.
  9. Andreev Y.A. et al. Generation and emission of high-power ultrabroadband picosecond pulses // Journal of communications technology and electronics. - 2011. - Т. 56. - №. 12. - С. 1429-1439.
  10. Mehrdadian A., Forooraghi K. Design and fabrication of a novel ultrawideband combined antenna // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. - 2014. - Т. 13. - С. 95-98.
  11. Kim J.S. et al. A directive subminiature antenna for high-power ultrawideband pulse radiation // IEEE Antennas and wireless propagation letters. - 2014. - Т. 13. - С. 1565-1568.
  12. Hyvernaud J. et al. Optoelectronic generation of transient waveforms for UWB radars with rejected frequencies // International Journal of Microwave and Wireless Technologies. - 2020. - Т. 12. - №. 7. - С. 543-550.
  13. Wang S., Xie Y. Design and optimization of high-power UWB combined antenna based on Klopfenstein impedance taper // IEEE transactions on antennas and propagation. - 2017. - Т. 65. - №. 12. - С. 6960-6967.
  14. Wang S., Xie Y., Qiu Y. A compact narrow-width combined antenna for the radiation of the UWB electromagnetic pulses // Review of Scientific Instruments. - 2021. - Т. 92. - №. 7.
  15. Park H.S. et al. Modified low-frequency compensated TEM (LFCTEM) horn antenna to improve the radiation performance // 2013 Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings (APMC). - IEEE, 2013. - С. 1163-1165.
  16. Andreev Y.A., Kornienko V.N., Liu S. Optimization of a combined high-power ultrawideband antenna // Journal of communications technology and electronics. - 2017. - Т. 62. - №. 9. - С. 976-983.
  17. Elmansouri M., Filipovic D.S. Design of combined-antennas using spherical modes // Proc. Antenna Appl. Symp. - 2014. - С. 167-187.
  18. Elmansouri M.A., Filipovic D.S. Miniaturization of TEM horn using spherical modes engineering // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2016. - Т. 64. - №. 12. - С. 5064-5073.
  19. Mohamed Ali. Elmansouri, Dejan S. Filipovic. "Combined TEM-horn antenna" Application US 2020/0028268 A1, H01Q 13/02 (2006.01), H01Q 13/08 (2006.01). Published 23.01.2020.
  20. Marengo E.A., Ziolkowski R.W. Nonradiating and minimum energy sources and their fields: Generalized source inversion theory and applications // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2002. - Т. 48. - №. 10. - С. 1553-1562.
  21. Marengo E.A., Devaney A.J., Gruber F.K. Inverse source problem with reactive power constraint // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2004. - Т. 52. - №. 6. - С. 1586-1595.
  22. Chen Y., Wang C.F. Characteristic modes: Theory and applications in antenna engineering. - John Wiley & Sons, 2015.
  23. Cabedo-Fabres M. et al. The theory of characteristic modes revisited: A contribution to the design of antennas for modern applications // IEEE Antennas and Propagation Magazine. - 2007. - Т. 49. - №. 5. - С. 52-68.
  24. Vogel M. et al. Characteristic mode analysis: Putting physics back into simulation // IEEE Antennas and Propagation Magazine. - 2015. - Т. 57. - №. 2. - С. 307-317.
  25. Hansen J.E. (ed.). Spherical near-field antenna measurements. - Iet, 1988. - Т. 26.
  26. Kollipara V., Peddakrishna S. Circularly Polarized Antennas Using Characteristic Mode Analysis: A Review // Advances in Technology Innovation. - 2022. - Т. 7. - № 4. - С. 242-257.
  27. Elias B.B.Q. et al. A Review of Antenna Analysis Using Characteristic Modes // IEEE Access. - 2021. - Т. 9. - С. 98833 - 98862.
  28. Gustafsson M. et al. Unified Theory of Characteristic Modes: Part I - Fundamentals // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2022. - Т. 70. - № 12. - С. 11801-11813.
  29. Gustafsson M. et al. Unified theory of characteristic modes - Part I: Fundamentals // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2022. - Т. 70. - №. 12. - С. 11801-11813.
  30. Кудин В.П., Фаняев И.А. Метод характеристических мод // Антенны. - 2024. - № 3. - С. 7-20.
  31. Garbacz R.J. Modal expansions for resonance scattering phenomena // Proceedings of the IEEE. - 1965. - Т. 53. - №. 8. - С. 856-864.
  32. Garbacz R., Newman E. Characteristic modes of a symmetric wire cross // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 1980. - Т. 28. - №. 5. - С. 712-715.
  33. Harrington R., Mautz J. Theory of characteristic modes for conducting bodies // IEEE transactions on antennas and propagation. - 1971. - Т. 19. - №. 5. - С. 622-628.
  34. Harrington R., Mautz J.Computation of characteristic modes for conducting bodies // IEEE Transactions on antennas and propagation. - 1971. - Т. 19. - №. 5. - С. 629-639.
  35. Rao S., Wilton D., Glisson A. Electromagnetic scattering by surfaces of arbitrary shape // IEEE Transactions on antennas and propagation. - 1982. - Т. 30. - №. 3. - С. 409-418.