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

Исследование характеристик двухдиапазонной ненаправленной антенны с высокоимпедансной поверхностью

С.В. Дударев1

1 Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2026.7.3 УДК 621.396.674 EDN DVUUIV

Аннотация

Активное развитие малогабаритных подвижных объектов и мобильных радиотехнических систем в последнее время обозначило проблему создания компактных широкополосных и многодиапазонных ненаправленных антенн. В статье предложена новая компактная двухдиапазонная ненаправленная антенна с горизонтальной поляризацией, представляющая собой многослойную структуру из трех печатных плат. Для снижения габаритов антенны вместо сплошного экрана в ее конструкции применяется высокоимпедансная поверхность или EBG (Electomagnetic Band Gap) структура. В результате электродинамического моделирования рассчитаны основные характеристики предложенной антенны. Также в статье представлены результаты исследования влияния основных геометрических параметров высокоимпедансной поверхности на КСВН, коэффициент усиления и диаграмму направленности антенны. Установлено, что применение высокоимпедансной поверхности вместо экрана позволило уменьшить расстояние между экранирующей поверхностью и платой с излучающими элементами на 18 % без ухудшения КСВН. В результате расчетов определено, что антенна работает в двух диапазонах частот, относительная ширина которых по уровню КСВН = 2 составляет 45,4 и 17,8 %. Это позволяет использовать антенну для различных задач, например, для обеспечения беспроводной передачи данных и мобильной связи в диапазонах 2-5G.

  • ненаправленная антенна
  • многослойная антенна
  • двухдиапазонная антенна
  • горизонтальная поляризация
  • уменьшение габаритов антенны
  • высокоимпедансная поверхность
  • EBG-структура
  • грибовидный элемент
Abstract (in English)

Investigation of the characteristics of a dual-band omnidirectional antenna with a high-impedance surface

The active development of small-sized mobile objects and mobile radio engineering systems has recently highlighted the problem of creating compact broadband and multi-band omnidirectional antennas. The article proposes a new compact dual-band omnidirectional antenna with horizontal polarization, which is a multilayer structure of three printed circuit boards. To reduce the size of the antenna, a high-impedance surface or EBG (Electomagnetic Band Gap) is used instead of a solid screen in its design structure. As a result of electrodynamic modeling, the main characteristics of the proposed antenna are calculated. The article also presents the results of a study of the influence of the main geometric parameters of a high-impedance surface on the VSWR, gain, and antenna radiation pattern. It was found that the use of a high-impedance surface instead of a screen made it possible to reduce the distance between the shielding surface and the board with radiating elements by 18% without deterioration of the VSWR. As a result of calculations, it was determined that the antenna operates in two frequency ranges, the relative width of which, according to the VSWR level of 2, is 45.4 and 17.8%. This allows the antenna to be used for various tasks, for example, to provide wireless data transmission and mobile communications in the 2-5G bands.

Для цитирования

Дударев С.В. Исследование характеристик двухдиапазонной ненаправленной антенны с высокоимпедансной поверхностью // Журнал радиоэлектроники. – 2026. – № 7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.7.3

Литература

  1. Wang Z. D. et al. Design of a wideband horizontally polarized omnidirectional antenna with mutual coupling method //IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2015. - Т. 63. - №. 7. - С. 3311-3316. https://doi.org/10.1109/TAP.2015.2429733
  2. See T. S. P., Qing X., Chen Z. N. A wideband horizontally polarized omnidirectional antenna //2015 IEEE 4th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP). - IEEE, 2015. - С. 294-295. https://doi.org/10.1109/APCAP.2015.7374378
  3. Chizhik D., Ling J., Valenzuela R. A. The effect of electric field polarization on indoor propagation //ICUPC'98. IEEE 1998 International Conference on Universal Personal Communications. Conference Proceedings (Cat. No. 98TH8384). - IEEE, 1998. - Т. 1. - С. 459-462. https://doi.org/10.1109/ICUPC.1998.733020
  4. Ye L. H. et al. Broadband horizontally polarized omnidirectional antenna array for base-station applications //IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2019. - Т. 67. - №. 4. - С. 2792-2797. https://doi.org/10.1109/TAP.2019.2894030
  5. Quan X. L. et al. Development of a broadband horizontally polarized omnidirectional planar antenna and its array for base stations //Progress In Electromagnetics Research. - 2012. - Т. 128. - С. 441-456. http://dx.doi.org/10.2528/PIER12042405
  6. Cai X., Sarabandi K. A compact broadband horizontally polarized omnidirectional antenna using planar folded dipole elements //IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2015. - Т. 64. - №. 2. - С. 414-422. https://doi.org/10.1109/TAP.2015.2504457
  7. Wei K., Zhang Z., Feng Z. Design of a wideband horizontally polarized omnidirectional printed loop antenna //IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. - 2012. - Т. 11. - С. 49-52. https://doi.org/10.1109/LAWP.2012.2182670
  8. Liu T. et al. Cylindrical ring dielectric loaded horizontally polarized omnidirectional antenna for wideband radiation //AEU-International Journal of Electronics and Communications. - 2018. - Т. 90. - С. 123-129. https://doi.org/10.1016/j.aeue.2018.04.006
  9. Yu Y., Jolani F., Chen Z. A wideband omnidirectional horizontally polarized antenna for 4G LTE applications //IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. - 2013. - Т. 12. - С. 686-689. https://doi.org/10.1109/LAWP.2013.2264545
  10. Yu J. et al. A novel stacked patch antenna with dual band and diverse pattern characteristics //Microwave and Optical Technology Letters. - 2020. - Т. 62. - №. 1. - С. 453-465. https://doi.org/10.1002/mop.32036
  11. Park J. S., Choi H. K., Oh J. H. The design of a dual band omnidirectional horizontally polarized antenna with arc-shaped lines and overlapping lines //Microwave and Optical Technology Letters. - 2016. - Т. 58. - №. 5. - С. 1117-1121. https://doi.org/10.1002/mop.29745
  12. Ahn C. H., Oh S. W., Chang K. A dual-frequency omnidirectional antenna for polarization diversity of MIMO and wireless communication applications //IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. - 2009. - Т. 8. - С. 966-969. https://doi.org/10.1109/LAWP.2009.2030135
  13. Дударев С. В. и др. Двухдиапазонная всенаправленная печатная антенна с комбинированным возбуждением //Радиотехника. - 2022. - №. 3. - С. 124-133. https://doi.org/10.18127/j00338486-202203-12
  14. Дударев C. В., Клыгач Д. С. Экспериментальное и численное моделирование двухдиапазонной всенаправленной печатной антенны //Антенны. - 2023. - № 3. - С. 26-36. https://doi.org/10.18127/j03209601-202303-03
  15. Дударев C.В. и др. Многослойная печатная антенна с круговой диаграммой направленности и увеличенным коэффициентом направленного действия //Радиотехника. - 2023. - Т. 87. - № 10. - С. 177-186. https://doi.org/10.18127/j00338486-202310-18
  16. Стаценко Л. Г. и др. Применение метаматериалов в антенных устройствах цифровых систем связи //Журнал радиоэлектроники. - 2024. - №. 1. - С. 1684-1719.2024. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.1.2
  17. Мусаев М. М. О., Кисель Н. Н. Исследование характеристик антенны на основе метаматериала //Известия Южного федерального университета. Технические науки. - 2017. - №. 6 (191). - С. 249-258. https://doi.org/10.23683/2311-3103-2017-6-249-258
  18. Behera S. S., Sahu S. Frequency reconfigurable antenna inspired by metamaterial for WLAN and WiMAX application //2014 International Conference on Signal Propagation and Computer Technology (ICSPCT 2014). - IEEE, 2014. - С. 442-446. https://doi.org/10.1109/ICSPCT.2014.6884952
  19. Селезнев А. Д., Пачурин Г. В., Галка А. Г. Разработка электрически малых антенн с применением метаматериала //Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2017. - №. 9. - С. 39-44.
  20. Sydoruk O. et al. Analytical formulation for the resonant frequency of split rings //Journal of applied physics. - 2009. - Т. 105. - №. 1. https://doi.org/10.1063/1.3056052
  21. Shamonin M. et al. Properties of a metamaterial element: Analytical solutions and numerical simulations for a singly split double ring //Journal of Applied Physics. - 2004. - Т. 95. - №. 7. - С. 3778-3784. https://doi.org/10.1063/1.1652251
  22. Shamonin M. et al. Resonant frequencies of a split-ring resonator: Analytical solutions and numerical simulations //Microwave and optical technology letters. - 2005. - Т. 44. - №. 2. - С. 133-136. https://doi.org/10.1002/mop.20567
  23. Zaid J. et al. Miniaturized microstrip patch antenna using Electromagnetic Band Gap (EBG) structures for multiport passive UHF RFID-tag applications //2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting. - IEEE, 2017. - С. 2459-2460. https://doi.org/10.1109/APUSNCURSINRSM.2017.8073272
  24. Díaz A. M. S., Galaz-Larios M. C., Ramírez-García E. Analysis and design of electromagnetic band gap structures with application in planar antennas //2017 42nd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). - IEEE, 2017. - С. 1-2. https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2017.8067190
  25. MohamadIsa M. S., Langley R. J., Khamas S. Antenna pattern diversity using EBG //2010 Loughborough Antennas & Propagation Conference. - IEEE, 2010. - С. 325-328. https://doi.org/10.1109/LAPC.2010.5666028
  26. Kovacs P., Urbanec T. Electromagnetic Band Gap Structures: Practical Tips and Advice for Antenna Engineers //Radioengineering. - 2012. - Т. 21. - №. 1.
  27. Alsudani A., Marhoon H. M. Design and Enhancement of Microstrip Patch Antenna Utilizing Mushroom Like-EBG for 5G Communications //J.Commun. - 2023. - Т. 18. - №. 3. - С. 156-163. https://doi.org/10.12720/jcm.18.3.156-163
  28. Abdulhameed M. K. et al. Mushroom-like EBG to improve patch antenna performance for C-band satellite application //International Journal of Electrical and Computer Engineering. - 2018. - Т. 8. - №. 5. - С. 3875. https://doi.org/10.11591/ijece.v8i5.pp3875-3881
  29. Sievenpiper D. F. High-impedance electromagnetic surfaces. - University of California, Los Angeles, 1999.
  30. Yang F., Rahmat-Samii Y. Microstrip antennas integrated with electromagnetic band-gap (EBG) structures: A low mutual coupling design for array applications //IEEE transactions on antennas and propagation. - 2003. - Т. 51. - №. 10. - С. 2936-2946. https://doi.org/10.1109/TAP.2003.817983
  31. Yamini S., Panjavarnam B. Microstrip patch antenna integrated with EBG //2017 2nd International Conference on Computing and Communications Technologies (ICCCT). - IEEE, 2017. - С. 41-45. https://doi.org/10.1109/ICCCT2.2017.7972240
  32. Rangasai K. et al. Performance Comparison of Various EBG Structures. - 2022. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-1603319/v1
  33. Chen S. et al. Study on radiation performances of dipole antenna with diamond-structure EBG substrate fabricated by 3D printing technique //International Journal of Applied Ceramic Technology. - 2018. - Т. 15. - №. 5. - С. 1095-1099. https://doi.org/10.1111/ijac.12872