Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2022, № 8 · ELECTRODYNAMICS

Modeling of a resonant spiral electrically small antenna

A.V. Kolesnikov1, D.V. Fedosov1, A.V. Nikolaev2,3

1 HF-COMMUNICATIONS, Omsk, Russia
2 Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia
3 Fedorov Institute of Applied Geophysics, Moscow, Russia
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2022.8.13 UDC 621.396.67 EDN PDRRKV

Abstract

Currently, the development of methods and means of data transmission through absorbing media and shielding obstacles for organizing wireless communication and remote control of technological equipment and industrial robots, including those in the mining industry, is an urgent area of research. As experimental studies in mine workings have shown, radio systems with high-quality tuned resonant antennas from hundreds of kHz to several of MHz with a narrow operating frequency band suitable for transmitting low-speed signals turned out to be promising. In this article, a model of a resonant helical electrically small antenna (ESA) with an electrical size of 0.025 is considered. An equivalent circuit of this antenna is presented using an analytical description of its components. The results of a full-wave finite element analysis of a helical ESA using finite conductivity boundary are presented. Graphs are constructed that explain the resonant increase in the efficiency of the antenna. The obtained values of the efficiency of the spiral ESA are sufficient to create means of data transmission through absorbing media and imperfectly shielding obstacles.

  • electrically small antennas
  • spiral antennas
  • efficiency
  • underground communication
  • danger zone
  • shielding obstacles
Аннотация (на русском)

Моделирование резонансной спиральной электрически малой антенны

В настоящее время актуальным направлением исследований является разработка методов и средств передачи данных сквозь поглощающие среды и экранирующие препятствия для организации беспроводной связи и дистанционного управления технологическим оборудованием и промышленными роботами, в том числе в горнодобывающей отрасли. Как показали экспериментальные исследования в горных выработках перспективными оказались радиосистемы с качественно настроенными резонансными антеннами от сотен кГц до единиц МГц с узкой рабочей полосой частот, подходящей для передачи низкоскоростных сигналов. В настоящей статье рассмотрена модель резонансной спиральной электрически малой антенны (ЭМА) с электрическим размером 0,025. Представлена эквивалентная схема данной антенны с использованием аналитического описания ее составляющих. Приведены результаты полноволнового конечноэлементного анализа спиральной ЭМА с использованием граничных условий конечной проводимости. Построены графики, поясняющие резонансный рост КПД антенны. Полученные значения КПД спиральной ЭМА являются достаточными для создания средств передачи данных сквозь поглощающие среды и неидеально экранирующие препятствия.

For citation

Kolesnikov A.V., Fedosov D.V., Nikolaev A.V. Modeling of a resonant spiral electrically small antenna // Journal of Radio Electronics. – 2022. – No. 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.8.13

References

  1. Слюсар В. 60 лет теории электрически малых антенн. Некоторые итоги. Электроника: НТБ. 2006. №7. С.10-19.
  2. Volakis J., Chen Chi-Ch, Fujimoto K. Small Antennas: Miniaturization Techniques & Applications. McGraw-Hill. 2010. 428 p.
  3. Hansen R.C. Electrically Small, Superdirective, and Superconducting Antennas. Wiley-Interscience. 2006. 168 p.
  4. Климов К.Н., Годин А.С., Гежа Д.С. Электрически малые антенны. Часть 1. Успехи современной радиоэлектроники. 2016. №6. С.47-62.
  5. Климов К.Н., Годин А.С., Гежа Д.С. Электрически малые антенны. Часть 2. Успехи современной радиоэлектроники. 2016. №7. С.17-34.
  6. Schab K., Jelinek L., Capek M., Ehrenborg C., et al. Energy stored by radiating systems. IEEE Access. 2018. V.6. P.10553-10568. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2807922
  7. Бузов А.Л., Букашкин С.А. Специальная радиосвязь. Развитие и модернизация оборудования и объектов. Москва, Радиотехника. 2017. 448 с.
  8. Бузов А.Л. Антенно-фидерные устройства специальной радиосвязи ВЧ, ОВЧ и УВЧ диапазонов: проблемы и тенденции. Электросвязь. 2013. №12. С.20-26.
  9. Корчагин Ю.А., Саломатов В.П., Чернов А.А. Радиосвязь в проводящих средах. Новосибирск, Наука. Сиб. отд-ние. 1990. 148 с.
  10. Федосов Д.В., Николаев А.В., Колесников А.В., Лапин С.Э., Бабенко А.Г. Обзор способов организации подземной связи и перспективы использования диапазона средних волн в шахтах. Труды НИИР. 2022. №1. C.19-36. https://doi.org/10.34832/NIIR.2022.8.1.003
  11. Федосов Д.В., Колесников А.В., Николаев А.В. Существующие и перспективные антенные решения для связи в подземных горных выработках. Электронные средства и системы управления. Материалы докладов Международной научно-практической конференции. 2020. №1-1. С.121-124.
  12. Патент РФ №2680674. Федосов Д.В., Колесников А.В., Николаев А.В. Резонансная спиральная антенна. Дата заявки: 14.03.2018. Дата публикации: 25.02.2019. URL: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet
  13. Казанский Л.С. Теория моделирования антенно-фидерных устройств LC-цепями с потерями, их проектирование и техническая реализация в ВЧ-диапазоне. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Самарский отраслевой НИИР, Самара. 1998. 378 с.
  14. Tang T.G., Tieng Q.M., Gunn M.W. Equivalent Circuit of a Dipole Antenna Using Frequency-Independent Lumped Elements. IEEE Transactions on antennas and propagation. 1993. V.41. №1. P.100-103. https://doi.org/10.1109/8.210122
  15. Hamid M., Hamid R. Equivalent circuit of dipole antenna of arbitrary length. IEEE Transactions on antennas and propagation. 1997. V.45. №11. P.1695-1696. https://doi.org/10.1109/8.650083
  16. Oh J., Choi J., Dagefu F.T., Sarabandi K. Extremely Small Two-Element Monopole Antenna for HF Band Applications. IEEE Transactions on antennas and propagation. 2013. V.61. №6. P.2991-2999. https://doi.org/10.1109/TAP.2013.2249034
  17. Archimedes' Spiral [web]. Wolfram MathWorld. Дата обращения: 22.05.2022. URL: https://mathworld.wolfram.com/ArchimedesSpiral.html
  18. Немцов М.В. Справочник по расчету параметров катушек индуктивности. Москва, Энергоатомиздат. 1989. 92 с.
  19. Гликман И.Я., Русин Ю.С. Расчет характеристик элементов цепей радиоэлектронной аппаратуры. Москва, Советское радио. 1976. 160 с.
  20. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная книга. Ленинград, Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние. 1986. 488 с.
  21. Иоссель Ю.Я., Качанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости. Ленинград, Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние. 1981. 288 с.
  22. Муравьев Ю.К. Справочник по расчету проволочных антенн. Ленинград, ВАС. 1978. 392 с.
  23. Balanis C.A. Antenna theory. Analysis and Design. John Wiley & Sons, Inc. 2016. 1095 p.
  24. Smith G.S. Radiation efficiency of electrically small multiturn loop antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1972. V.AP-20. №5. P.656-657. https://doi.org/10.1109/TAP.1972.1140293
  25. Bartoli M., Noferi N., Reatti A., Kazimierczuk M.K. Modeling litz-wire winding losses in high-frequency power inductors. PESC Record. 27th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference. 1996. P.1690-1696. https://doi.org/10.1109/PESC.1996.548808
  26. Wojda R.P., Kazimierczuk M.K. Winding resistance of litz-wire and multi-strand inductors. IET Power electronics. 2012. V.5. №2. P.257-268. https://doi.org/10.1049/iet-pel.2010.0359
  27. Robkopf A., Bar E., Joffe Ch., Bonse C. Calculation of power losses in litz wire systems by coupling FEM and PEEC method. IEEE Transactions on power electronics. 2016. V.31. №9. P.6442-6449. https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2499793
  28. Чебышев В. В. Основы проектирования антенных систем. Москва, Горячая линия-Телеком. 2018. 150 с.
  29. Колесников А.В. Эксплуатационные особенности малогабаритных антенных устройств СВ диапазона в рудниках и шахтах. Труды НИИР. 2021. №4. С.49-60. https://doi.org/10.34832/NIIR.2021.7.4.006
  30. Патент РФ №2758986. Федосов Д.В., Колесников А.В., Шевелев О.В., Дмитриев П.В. Способ изготовления катушки индуктивности. Дата заявки: 26.10.2020. Дата публикации: 08.11.2021. URL: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet
  31. Николаев А.В., Федосов Д.В., Шевелев О.В., Колесников А.В., Дмитриев П.В. Аддитивная технология изготовления катушек индуктивности для антенн перспективных радиосистем. Проблемы машиностроения и автоматизация. 2022. №1. С.85-90. https://doi.org/10.52261/02346206_2022_1_85