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
2024, № 6 · RADIO ENGINEERING

The evolution and application of new approaches for modeling and developing of sparse wire grid antennas

M.T. Nguyen1, K.A. Alhaj1, T.R. Gazizov1

1 Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, Tomsk, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2024.6.6 UDC 621.396.67 EDN RRVMLQ

Abstract

Today, it is critical to continually research and improve antenna manufacturing techniques to meet the growing needs of the market. Using the advantages of numerical methods, researchers can extend the boundaries of antenna engineering by creating new and highly efficient antenna structures. In this paper, a preliminary study of two approaches for efficiently modeling and design sparse wire-grid antennas is carried out. The main idea is to create an optimal wire-grid structure that best follows the current paths in the antenna while maintaining its consistency with minimal mass. In addition, this structure can be used in further simulations with less resources and controlled performance accuracy. A parabolic reflector antenna and a conical horn antenna were used to explain the algorithms of the proposed approaches. The measured and calculated results for the equivalent wire-grid structure of these antennas were used for verification. To evaluate the effectiveness of these approaches, their results were compared with the results of other approaches proposed in previous works. The proposed approaches have shown advantages over others, and the optimal approach has been determined. Recommendations for use and future perspectives are given.

  • method of moments
  • wire-grid
  • sparse antennas
  • conical horn antenna
  • reflector antenna
  • optimal current grid approximation
Аннотация (на русском)

Развитие и применение новых подходов к моделированию и проектированию разреженных проводных сеточных антенн

В настоящее время крайне важно непрерывно исследовать и совершенствовать технологии производства антенн, чтобы удовлетворить растущие потребности рынка. Используя преимущества численных методов, исследователи могут расширять границы использования антенн, создавая их новые и высокоэффективные конструкции. В данной работе выполнено предварительное исследование двух подходов к моделированию и проектированию разреженных проводных антенн. Их основная идея заключается в создании оптимальной проводной структуры, которая наилучшим образом соответствует путям тока в антенне, сохраняя ее целостность с минимальной массой. Кроме того, эта структура может использоваться в дальнейшем моделировании с меньшими ресурсами и контролируемой точностью характеристик. Для пояснения алгоритмов предложенных подходов использовались параболическая рефлекторная и коническая рупорная антенны. Для верификации использованы измеренные и рассчитанные характеристики эквивалентной проводной структуры этих антенн. Для оценки эффективности этих подходов, их результаты сравнены с результатами других подходов, предложенных в предыдущих работах. Показаны преимущества предложенных подходов по сравнению с другими. Даны рекомендации по их использованию и будущим перспективам.

For citation

Nguyen M.T., Alhaj K.A., Gazizov T.R. The evolution and application of new approaches for modeling and developing of sparse wire grid antennas // Journal of Radio Electronics. – 2024. – No. 6. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.6.6

References

  1. Kumar O.P. et al. Ultrawideband antennas: Growth and evolution // Micromachines. - 2021. - Т. 13. - №. 1. - С. 60. https://doi.org/10.3390/mi13010060
  2. Jabbar A. et al. Millimeter-Wave Smart Antenna Solutions for URLLC in Industry 4.0 and Beyond // Sensors. - 2022. - Т. 22. - №. 7. - С. 2688. https://doi.org/10.3390/s22072688
  3. Ali U. et al. Design, Analysis and Applications of Wearable Antennas: A Review // IEEE Access. - 2023. - Т. 11. С. 14458-14486. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3243292
  4. Munina I. et al. A review of 3D printed gradient refractive index lens antennas // IEEE Access. - 2023. - Т. 11. С. 8790-8809. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3239782
  5. Liang M. et al. 3-D printed microwave patch antenna via fused deposition method and ultrasonic wire mesh embedding technique // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. - 2015. - Т. 14. - С. 1346-1349. https://doi.org/10.1109/LAWP.2015.2405054
  6. Харрингтон Р.Ф. Применение матричных методов к задачам теории поля // Ж. ТИЭЭР. - 1967. - №. 2. - С. 5-19.
  7. Taflove A. Application of the finite-difference time-domain method to sinusoidal steady-state electromagnetic-penetration problems // IEEE Transactions on electromagnetic compatibility. - 1980. - №. 3. - С. 191-202. https://doi.org/10.1109/TEMC.1980.303879
  8. Yee K. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media // IEEE Transactions on antennas and propagation. - 1966. - Т. 14. - №. 3. - С. 302-307. https://doi.org/10.1109/TAP.1966.1138693
  9. Cesari C.S., Abel J.F.Introduction to the Finite Element Method: A Numerical Approach for Engineering Analysis. - 1972. - 477 c.
  10. Jin J.M. The finite element method in electromagnetics. - John Wiley & Sons, 2015. - 876 с.
  11. Rao S. A simple and efficient method of moments solution procedure for solving time-domain integral equation - Application to wire-grid model of perfect conducting objects // IEEE Journal on Multiscale and Multiphysics Computational Techniques. - 2019. - Т. 4. - С. 57-63. https://doi.org/10.1109/JMMCT.2019.2900702
  12. Makarov S.N. Antenna and EM Modeling with MATLAB. - USA, 2002.
  13. Zhu X. et al. Analysis of radiation field of a new wire-grid TEM horn // 2019 Photonics & Electromagnetics Research Symposium-Fall (PIERS-Fall). - IEEE, 2019. - С. 3188-3191. https://doi.org/10.1109/PIERS-Fall48861.2019.9021734
  14. Kubwimana J.L., Kirsch N. The Impedance of Optically Transparent Thin Mesh Wire RF Devices // 2021 Photonics & Electromagnetics Research Symposium (PIERS). - IEEE, 2021. - С. 85-91. https://doi.org/10.1109/PIERS53385.2021.9694773
  15. Silverstein D., Leviatan Y. Design of Irregular Embedded Antenna Arrays for Shaped-Beam Radiation Using Reciprocity and Sparse Optimization // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2023. - Т. 71. - №. 4. - С. 3273-3281. https://doi.org/10.1109/TAP.2023.3240597
  16. Shebert S.R. et al. Multi-Signal Classification Using Deep Learning and Sparse Arrays // MILCOM 2022-2022 IEEE Military Communications Conference (MILCOM). - IEEE, 2022. - С. 1-6. https://doi.org/10.1109/MILCOM55135.2022.10017861
  17. Liu Q. et al. Sparse Array Radar Staring Imaging Based on Matrix Completion // 2022 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT). - IEEE, 2022. - С. 1-3. https://doi.org/10.1109/ICMMT55580.2022.10022731
  18. Головин В.В., Тыщук Ю.Н. Исследование характеристик развертываемой космической зеркальной антенны с разряженной отражающей поверхностью // Журнал Радиоэлектроники [электронный журнал]. - 2023. - №. 1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.1.10
  19. Карасев А.С., Степанов М.А. Синтез разреженной линейной антенной решетки с сохранением ширины главного лепестка и минимальным пиковым уровнем боковых лепестков при помощи генетического алгоритма // Журнал Радиоэлектроники [электронный журнал]. - 2022. - №. 5. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.5.5
  20. Потапов А.А. Фрактальная электродинамика. Численное моделирование малых фрактальных антенных устройств и фрактальных 3D микрополосковых резонаторов для современных сверхширокополосных или многодиапазонных радиотехнических систем // Радиотехника и электроника. - 2019. - Т. 64. - №. 7. - С. 629-665. https://doi.org/10.1134/S0033849419060068
  21. Yatsenko V.V. et al. Higher order impedance boundary conditions for sparse wire grids // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2000. - Т. 48. - №. 5. - С. 720-727. https://doi.org/10.1109/8.855490
  22. Alhaj Hasan A. et al. On Wire-Grid Representation for Modeling Symmetrical Antenna Elements // Symmetry. - 2022. - Т. 14. - №. 7. - С. 1354. https://doi.org/10.3390/sym14071354
  23. Nguyen M.T. et al. Equivalent 3D printed perforated Х-band horn antenna sparsed wire-grid structures using OCGA // 2023 Antennas Design and Measurement International Conference (ADMInC). - IEEE, 2023. - C. 31-36. https://doi.org/10.1109/ADMInC59462.2023.10335371
  24. Nguyen M.T. et al.Comparative analysis of C/OCGA sparse horn antenna structures at different frequencies // 2023 IEEE XVI International Scientific and Technical Conference Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE), - IEEE, 2023. - C. 530-536. https://doi.org/10.1109/APEIE59731.2023.10347852
  25. Alhaj Hasan A. et al. Wire-grid and sparse MoM antennas: Past evolution, present implementation, and future possibilities // Symmetry. - 2023. - Т. 15. - №. 2. - С. 378. https://doi.org/10.3390/sym15020378
  26. Parabolic antenna JRC-24DD MIMO [сайт]. Jirous antennas direction for your waves. Дата обращения: 15.05.2023. URL: https://en.jirous.com/antenna-5ghz-parabolic/jrc-24DD_MIMO
  27. Shamshad F., Amin M. Simulation Comparison between HFSS and CST for Design of Conical Horn Antenna // Journal of Expert Systems (JES). - 2012. - Т. 1. №. 4. - С. 84-90. https://www.researchgate.net/publication/277875165
  28. Алхадж Хасан А., Квасников А.А., Куксенко C.П. Газизов Т.Р. Верификация моделирования проводных антенн методом моментов // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. - 2021. -№. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.11.1
  29. Алхадж Хасан А.Ф., Нгуен М.Т., Газизов Т.Р. Моделирование антенн методом моментов: аппроксимация поверхности проводами // Доклады ТУСУР. - 2023. - Т. 26. - №. 2. - С. 51-71. https://doi.org/10.21293/1818-0442-2023-26-2-51-71
  30. Нгуен М.Т., Алхадж-Хасан А.Ф. Верификация результатов применения аппроксимации оптимальной токовой сеткой в разных САПР // XXII Международной конференции имени А.Ф. Терпугова "Информационные технологии и математическое моделирование" (ИТММ - 2023). - Томский государственный университет, 2023.
  31. Huang G.L. et al. Lightweight perforated waveguide structure realized by 3-D printing for RF applications // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2017. - T. 65. - №. 8. - C. 3897-3904. https://doi.org/10.1109/TAP.2017.2715360
  32. Haumant J. et al. Ultralight wide-band double ridged horn antenna using additive technologies // ESA-ESTEC MTT. - 2019. https://www.elliptika.com/en/ultralight-wide-band-double-ridged-horn-antenna-using-additive-technologies
  33. Ahn S., Choo H. A systematic design method of on-glass antennas using mesh-grid structures // IEEE Transactions on Vehicular Technology. - 2010. - T. 59. - №. 7. - C. 3286-3293. https://doi.org/10.1109/TVT.2010.2053227
  34. Sayapin S.N. Analysis of current state and prospects for development of methods for monitoring tension of radio-reflecting mesh on deployable frame of large mirror antenna // BMSTU Journal of Mechanical Engineering. - 2021. - Т. 2. - №. 731. - C. 41-55. http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2021-2-41-55
  35. Yu Z. et al. Design of window grille shape-based multiband antenna for mobile terminals // International Journal of Antennas and Propagation. - 2021. - T. 2021. - C. 14. https://doi.org/10.1155/2021/6684959
  36. Yasin T. et al. Analysis and design of highly transparent meshed patch antenna backed by a solid ground plane // Progress in Electromagnetics Research M. - 2017. - T. 56. - C. 133-144. http://dx.doi.org/10.2528/PIERM16092708
  37. Sharifi H. et al. Semi-transparent and conformal antenna technology for millimeter-wave intelligent sensing // IEEE MTT-S International Conference on Microwaves for Intelligent Mobility (ICMIM). - 2018. - C. 1-4. https://doi.org/10.1109/ICMIM.2018.8443523
  38. Hautcoeur J. et al. 60 GHz optically transparent microstrip antenna made of meshed AuGL material // IET Microwaves Antennas & Propagation. - 2014. - Т. 8. - №. 13. - C. 1091-1096. https://doi.org/10.1049/iet-map.2013.0564
  39. Liang M. et al. 3-D printed microwave patch antenna via fused deposition method and ultrasonic wire mesh embedding technique // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. - 2015. - T. 14. - C. 1346-1349. https://doi.org/10.1109/LAWP.2015.2405054
  40. Gazizov T.R. et al. A simple modeling methodology for creating hidden antennas // 2023 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). - IEEE, 2023. - C. 1080-1084, https://doi.org/10.1109/ICIEAM57311.2023.10139026