Формування електромагнітних полів регулярними та біконічними диполями з постійним та змінним розподіленим поверхневим імпедансом при довільному збудженні

Михайло Васильович Нестеренко; Віктор Олександрович Катрич; Олександр Миколайович Думін; Юрій Васильович Аркуша; Сергій Олександрович Погарський

doi:10.20535/S0021347024110037

Автор(и)

Михайло Васильович Нестеренко Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна , Україна https://orcid.org/0000-0002-1297-9119
Віктор Олександрович Катрич Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна , Україна https://orcid.org/0000-0001-5429-6124
Олександр Миколайович Думін Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна , Україна https://orcid.org/0000-0001-5067-9689
Юрій Васильович Аркуша Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна , Україна https://orcid.org/0000-0002-6483-4341
Сергій Олександрович Погарський Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна , Україна https://orcid.org/0000-0003-0833-1421

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347024110037

Ключові слова:

регулярний диполь, біконічний диполь, змінний розподілений поверхневий імпеданс, довільне збудження, розподіл струму, вхідні характеристики, поля випромінювання

Анотація

В наближенні тонкого дроту отримано чисельно-аналітичний розв’язок задачі про струморозподілення в регулярних та біконічних диполях з постійним та змінним розподіленим поверхневим імпедансом та довільним збудженням, розташованих у вільному просторі. Досліджено вхідні характеристики та поля випромінювання таких антенних структур. Достовірність розв’язку підтверджена задовільним узгодженням експериментальних і чисельних результатів із відомих літературних джерел, а також порівнянням з розрахунковими даними, отриманими з використанням пакетів комерційних програм. Представлені чисельні результати для вхідного адміттанса, коефіцієнта відбиття в фідерній лінії живлення і електромагнітних полів, що збуджуються в навколишньому просторі диполями з симетричним і асиметричним розподіленим поверхневим імпедансом.

Посилання

Z. Zhang, Antenna Design for Mobile Devices. Wiley-IEEE Press, 2017.
G. Zhou, B. Yildirim, “A multi-band fixed cellular phone antenna,” in IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. 1999 Digest. Held in conjunction with: USNC/URSI National Radio Science Meeting (Cat. No.99CH37010), 1999, vol. 1, pp. 112–115, doi: https://doi.org/10.1109/APS.1999.789095.
N. Odachi, S. Sekine, H. Shoki, Y. Suzuki, “A rod antenna with a meander element for hand-held phone,” in IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. Transmitting Waves of Progress to the Next Millennium. 2000 Digest. Held in conjunction with: USNC/URSI National Radio Science Meeting (Cat. No.00CH37118), 2000, vol. 3, pp. 1682–1685, doi: https://doi.org/10.1109/APS.2000.874565.
H.-C. Tung, C.-Y. Fang, K.-L. Wong, “Dual-band inverted-L monopole antenna for GSM/DCS mobile phone,” in IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (IEEE Cat. No.02CH37313), 2002, vol. 3, p. 30, doi: https://doi.org/10.1109/APS.2002.1018149.
C. Song et al., “Matching network elimination in broadband rectennas for high-efficiency wireless power transfer and energy harvesting,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 64, no. 5, pp. 3950–3961, 2017, doi: https://doi.org/10.1109/TIE.2016.2645505.
K. Paramayudha, S. J. Chen, T. Kaufmann, W. Withayachumnankul, C. Fumeaux, “Triple-band reconfigurable low-profile monopolar antenna with independent tunability,” IEEE Open J. Antennas Propag., vol. 1, pp. 47–56, 2020, doi: https://doi.org/10.1109/OJAP.2020.2977662.
Н. П. Єлісєєва, С. Л. Бердник, М. М. Горобець, “Електродинамічні характеристики полів двох ортогональних пар синфазно збуджених імпедансних диполів, розташованих паралельно до квадратного екрана,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 66, no. 10, pp. 580–595, 2023, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347023080034.
Н. П. Єлісєєва, М. М. Горобець, О. М. Горобець, “Спрямовані та діапазонні властивості дипольних антен з екранами квадратної форми,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 67, no. 1, pp. 27–39, 2024, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347023120026.
W. Hu et al., “Wideband circularly polarized antenna using single-arm coupled asymmetric dipoles,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 68, no. 7, pp. 5104–5113, 2020, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2020.2975275.
Y. Luo, Y. Liu, S. Gong, “Nona-band antenna with small nonground portion for full-view display mobile phones,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 68, no. 11, pp. 7624–7629, 2020, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2020.2989874.
S. Wang, Z. Du, “A dual-antenna system for LTE/WWAN/WLAN/WiMAX smartphone applications,” IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 14, pp. 1443–1446, 2015, doi: https://doi.org/10.1109/LAWP.2015.2411253.
R. Tang, Z. Du, “Wideband monopole without lumped elements for octa-band narrow-frame LTE smartphone,” IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 16, pp. 720–723, 2017, doi: https://doi.org/10.1109/LAWP.2016.2600761.
Y. Yang, Z. Zhao, W. Yang, Z. Nie, Q.-H. Liu, “Compact multimode monopole antenna for metal-rimmed mobile phones,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 65, no. 5, pp. 2297–2304, 2017, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2017.2679059.
Y. Liu, P. Liu, Z. Meng, L. Wang, Y. Li, “A planar printed nona-band loop-monopole reconfigurable antenna for mobile handsets,” IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 17, no. 8, pp. 1575–1579, 2018, doi: https://doi.org/10.1109/LAWP.2018.2856459.
D. Huang, Z. Du, Y. Wang, “A quad-antenna system for 4G/5G/GPS metal frame mobile phones,” IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 18, no. 8, pp. 1586–1590, 2019, doi: https://doi.org/10.1109/LAWP.2019.2924322.
Q. Tan, F.-C. Chen, “Triband circularly polarized antenna using a single patch,” IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 19, no. 12, pp. 2013–2017, 2020, doi: https://doi.org/10.1109/LAWP.2020.3014961.
R. Montoya Moreno et al., “Dual-polarized mm-wave endfire chain-slot antenna for mobile devices,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 69, no. 1, pp. 25–34, 2021, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2020.3001434.
L. Chang, G. Zhang, H. Wang, “Triple-band microstrip patch antenna and its four-antenna module based on half-mode patch for 5G 4 × 4 MIMO operation,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 70, no. 1, pp. 67–74, 2022, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2021.3090572.
C. Sahana, M. Nirmala Devi, M. Jayakumar, “Dual-band circularly polarized annular ring patch antenna for GPS-aided GEO-augmented navigation receivers,” IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 21, no. 9, pp. 1737–1741, 2022, doi: https://doi.org/10.1109/LAWP.2022.3178980.
R. Lakshmanan, S. Mridula, A. Pradeep, K. Neema, “Ultra compact flexible monopole antennas for tri-band applications,” Prog. Electromagn. Res. C, vol. 130, pp. 43–55, 2023, doi: https://doi.org/10.2528/PIERC22110906.
A. Khade, M. A. Trimukhe, S. Verulkar, R. K. Gupta, “Miniaturization of printed rectangular monopole antenna by using slots for triple band applications,” Prog. Electromagn. Res. C, vol. 130, pp. 155–167, 2023, doi: https://doi.org/10.2528/PIERC22122401.
R. King, T. Wu, “The cylindrical antenna with arbitrary driving point,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 13, no. 5, pp. 710–718, 1965, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.1965.1138531.
B. Popovic, “On polynomial approximation of current along thin asymmetrical cylindrical dipoles,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 19, no. 1, pp. 117–120, 1971, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.1971.1139879.
Y. Wang, S. Xu, F. Yang, D. H. Werner, “1 bit dual-linear polarized reconfigurable transmitarray antenna using asymmetric dipole elements with parasitic bypass dipoles,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 69, no. 2, pp. 1188–1192, 2021, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2020.3005713.
M. V. Nesterenko, V. A. Katrich, Y. M. Penkin, V. M. Dakhov, S. L. Berdnik, Thin Impedance Vibrators, vol. 95. New York, NY: Springer New York, 2011, doi: https://doi.org/10.1007/978-1-4419-7850-9.
M. V. Nesterenko, V. A. Katrich, S. L. Berdnik, O. M. Dumin, Y. O. Antonenko, “Asymmetric impedance vibrator for multi-band communication systems,” Prog. Electromagn. Res. M, vol. 102, pp. 81–89, 2021, doi: https://doi.org/10.2528/PIERM21031207.
R. Xu, Z. Shen, “Dual-band circularly polarized RFID reader antenna with combined dipole and monopoles,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 71, no. 12, pp. 9593–9600, 2023, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2023.3326945.
X. Liu, K. Ning, S. Xue, L. Ge, K. W. Leung, J.-F. Mao, “Printed filtering dipole antenna with compact size and high selectivity,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 72, no. 3, pp. 2355–2367, 2024, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2024.3356176.
S. A. Schelkunoff, “Theory of antennas of arbitrary size and shape,” Proc. IRE, vol. 29, no. 9, pp. 493–521, 1941, doi: https://doi.org/10.1109/JRPROC.1941.231669.
C. T. Tai, “On the theory of biconical antennas,” J. Appl. Phys., vol. 19, no. 12, pp. 1155–1160, 1948, doi: https://doi.org/10.1063/1.1715036.
S. A. Schelkunoff, H. T. Friis, Antennas: Theory and Practice. Wiley, 1952.
T. Wu, R. King, “The tapered antenna and its application to the junction problem for thin wires,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 24, no. 1, pp. 42–45, 1976, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.1976.1141274.
S. A. Saoudy, M. Hamid, “Input admittance of a biconical antenna with wide feed gap,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 38, no. 11, pp. 1784–1790, 1990, doi: https://doi.org/10.1109/8.102740.
S. S. Sandler, R. W. P. King, “Compact conical antennas for wide-band coverage,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 42, no. 3, pp. 436–439, 1994, doi: https://doi.org/10.1109/8.280735.
K.-L. Wong, S.-L. Chien, “Wide-band cylindrical monopole antenna for mobile phone,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 53, no. 8, pp. 2756–2758, 2005, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2005.851784.
O. Dumin, P. Fomin, V. Plakhtii, N. Mikhail, “Ultrawideband combined monopole-slot radiator of Clavin type,” in 2020 IEEE XXVth International Seminar/Workshop Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory (DIPED), 2020, pp. 32–36, doi: https://doi.org/10.1109/DIPED49797.2020.9273399.
P. Fomin, O. Dumin, V. Plakhtii, N. Mikhail, “UWB antenna arrays with the monopole-slot radiator of Clavin type,” in 2021 IEEE 3rd Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON), 2021, pp. 258–261, doi: https://doi.org/10.1109/UKRCON53503.2021.9575282.
M. V. Nesterenko, A. V. Gomozov, V. A. Katrich, S. L. Berdnik, V. I. Kijko, “Scattering of electromagnetic waves by impedance biconical vibrators in а free space and in a rectangular waveguide,” Prog. Electromagn. Res. C, vol. 119, pp. 275–285, 2022, doi: https://doi.org/10.2528/PIERC22020304.
M. S. Fouad, A. E. Farahat, K. F. A. Hussein, A. H. A. M. Shaalan, M. F. Ahmed, “Super-wideband fractal antenna for future generations of wireless communication,” Prog. Electromagn. Res. C, vol. 136, pp. 137–149, 2023, doi: https://doi.org/10.2528/PIERC23042507.
F. F. Dubrovka, S. Piltyay, M. Movchan, I. Zakharchuk, “Ultrawideband compact lightweight biconical antenna with capability of various polarizations reception for modern UAV applications,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 71, no. 4, pp. 2922–2929, 2023, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2023.3247145.
J. M. Platt, L. B. Boskovic, D. S. Filipovic, “Wideband biconical antenna with embedded band-notch resonator,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 72, no. 3, pp. 2921–2925, 2024, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2024.3349785.
I. Dal Chiele, M. Donelli, J. Iannacci, K. Guha, “On chip modulated scattering tag operating at millimetric frequency band,” Prog. Electromagn. Res. M, vol. 124, pp. 71–77, 2024, doi: https://doi.org/10.2528/PIERM23102707.
M. V. Nesterenko, V. A. Katrich, S. V. Pshenichnaya, “Multiband asymmetric biconical dipole antenna with distributed surface impedance and arbitrary excitation,” East Eur. J. Phys., no. 2, pp. 450–455, 2024, doi: https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-2-59.
R. W. P. King, G. S. Smith, Antennas in Matter: Fundamentals, Theory, and Applications. MIT Press, 1981, uri: https://www.amazon.com/Antennas-Matter-Fundamentals-Theory-Applications/dp/0262110741.
R. King, L. Scott, “The cylindrical antenna as a probe for studying the electrical properties of media,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 19, no. 3, pp. 406–416, 1971, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.1971.1139930.
D. Lamensdorf, “An experimental investigation of dielectric-coated antennas,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 15, no. 6, pp. 767–771, 1967, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.1967.1139049.
И. К. Кикоин, Таблицы Физических Величин. Москва: Атомиздат, 1976.
K. Yoshitomi, “Radiation from a slot in an impedance surface,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 49, no. 10, pp. 1370–1376, 2001, doi: https://doi.org/10.1109/8.954925.