В.Ф. Лось1, И.О. Порохов2, С.В. Агасиева3, Г.А. Гудков4

1,4 ООО «НПИ ФИРМА «ГИПЕРИОН» (Москва, Россия)

2,3 Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы (Москва, Россия)

Постановка проблемы. Потребность в электрически малых антеннах имеет место в таких приложениях, как организация связи на большие расстояния и в средах с потерями, создание портативной аппаратуры беспроводной связи всех поколений, систем управления подвижными объектами и аппаратуры дистанционного зондирования, разработке компактных датчиков систем распознавания и передачи данных. Подтверждённые практикой фундаментальные пределы накладывают жёсткие ограничения на достижимые величины полосы рабочих частот и эффективность электрически малых антенн (ЭМА). Однако многие из предложенных решений не реализуют в полной мере налагаемые фундаментальными пределами возможности.

Цель. Провести анализ известных характеристик ЭМА, а также существующих методов и алгоритмов поиска глобальной оптимизации параметров ЭМА.

Результаты. Приведен обзор характеристик реализованных на сегодняшний день ЭМА и эволюционных алгоритмов получения оптимальных решений при более экономном, по сравнению со строгими методами, расходовании вычислительных ресурсов.

Практическая значимость. Приведенные сведения и результаты могут представлять интерес для специалистов в области беспроводной связи, медицинской диагностики и дистанционного зондирования земных и водных объектов.

Лось В.Ф., Порохов И.О., Агасиева С.В., Гудков Г.А. Перспективы миниатюризации размеров электрически малых антенн в условиях ограничений на полосы рабочих частот // Электромагнитные волны и электронные системы. 2023. Т. 28. № 4. С. 57−78. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604128-202304-06

1. Слюсар В.И. 60 лет электрически малых антенн. Некоторые итоги // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2006. № 7(73). С. 10–19.
2. Wheeler H.A. Fundamental Limitations of Small Antennas // Proceedings of the IRE. 1947. V. 35. № 12. P. 1479–1484. DOI 10.1109/JRPROC.1947.226199.
3. Fano R.M. Theoretical Limitations of the Broadband Matching of Arbitrary Impedances // Journal of the Franklin Institute. 1950. V. 249. № 2. P. 139–154. DOI 10.1016/S0016-0032(50)91101-X.
4. Chu L.J. Physical Limitations of Omni-Directional Antennas // Journal of Applied Physics. 1948. V. 19. № 2. P. 1163–1175. DOI 10.1063/1.1715038.
5. Collin R.E., Rothschild S.L. Evaluation of Antenna Q // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1964. V. 12. № 1.
   P. 23–27. DOI 10.1109/TAP.1964.1138151.
6. McLean J.S. A re-examination of the fundamental limits on the radiation Q of electrically small antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1996. V. 44. № 5. P. 672. DOI 10.1109/8.496253.
7. Collin R.E. Minimum Q of small Antennas // Journal of Electromagnetic Waves and Applications. 1998. V. 12. № 10. P.1369-1393. DOI 10.1163/156939398X01457.
8. Pozar D.M. New results for minimum Q, maximum gain, and polarization properties of electrically small arbitrary antennas // 3rd European Conference on Antennas and Propagation. Berlin, Germany. 2009. P. 1993–1996.
9. Thal H.L. Gain and Q bounds for coupled TM-TE modes // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2009. V. 57. № 7. P. 1879–1885. DOI 10.1109/TAP.2009.2021930.
10. Hansen R.C., Collin R.E. Small antenna handbook. New Jersey: John Wiley & Sons. 2011. 360 p. ISBN 978-0-470-89083-7.
11. Grimes D.M., Grimes C.A. Bandwidth and Q of antennas radiating TE and TM modes // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 1995. V. 37. № 2. P. 217–226. DOI 10.1109/15.385886.
12. Grimes D.M., Grimes C.A. Power in modal radiation fields: Limitations of the complex poynting theorem and the potential for electrically small antennas // Journal of Electromagnetic Waves and Applications. 1997. V. 11. № 12. P. 1721–1747. DOI 10.1163/ 156939397X00486.
13. Browne J. Small Antennas Are Big On Efficiency. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.mwrf.com/technolo­gies/components/article/21843539/small-antennas-are-big-on-efficiency, дата обращения 15.06.2023.
14. Wu T.T., King R.W.P. The cylindrical antenna with nonreflecting resistive loading // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1965. V. 13. № 3. P. 369–373. DOI 10.1109/tap.1965.1138429.
15. Балзовский Е.В., Буянов Ю.И., Кошелев В.И. Сверхширокополосная дипольная антенна с резистивными плечами // Радиотехника и электроника. 2004. Т. 49. №4. С. 460–465.
16. Titov A.N. Some aspects concerning the designing of ultrawideband and pulse antennas // Radio Physics and Radio Astronomy. 2002. V. 7. № 4. P. 479–482.
17. Sievenpiper D.F., Dawson D.C., Jacob М.M., Kanar T., Kim S., Long J., Quarfoth R.G. Experimental Validation of Performance Limits and Design Guidelines for Small Antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. V. 60. № 1. P. 8–19. DOI 10.1109/TAP.2011.2167938.
18. Уваров А.В., Уваров А.В. Современные тенденции миниатюризации СШП антенн мобильных устройств // Материалы Всеросс. науч. конф. «V Всероссийские Армандовские чтения. Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике»: Муром: Полиграфический центр МИ ВлГУ. 2015. С. 220–224.
19. Hoorfar A. Evolutionary programming in electromagnetic optimization: A review // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2007. V. 55. № 3. P. 523–537. DOI 10.1109/TAP.2007.891306.
20. Гладков Л.А., Курейчик В.В., Курейчик В.М. Генетические алгоритмы: учебник. Изд.2-е. М.: ФИЗМАЛИТ. 2010. 366 с. ISBN 978-5-9221-0510-1.
21. Слюсар В.И. Синтез антенн на основе генетических алгоритмов // Первая миля. 2008. Т. 9. № 6. С. 16–23.
22. Слюсар В.И. Синтез антенн на основе генетических алгоритмов. Часть 2 // Первая миля. 2009. Т. 10. № 1. С. 22-25.
23. Perez J.R., Basterrechea J. Comparison of Different Heuristic Optimization Methods for Near-Field Antenna Measurements // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2007. V. 55. № 3. P. 549–555. DOI 10.1109/TAP.2007.891508.
24. Singh U., Rumar H., Kamal T.S. Design of Yagi-Uda Antenna Using Biogeography Based Optimization // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 201. V. 58. № 10. P. 3375–3379. DOI 10.1109/TAP.2010.2055778.
25. Hoorfar A. Evolutionary Programming in Electromagnetic Optimization: A Review // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2007. V. 55. № 3. P. 523–537. DOI 10.1109/TAP.2007.891306.
26. Datta T., Misram I.S. A Comparative Study of Optimization Techniques in Adaptive Antenna Array Processing: The Bacteria-Foraging Algorithm and Particle-Swarm Optimization // IEEE Antennas and Propagation Magazine. V. 51. № 6. P. 69–81. DOI 10.1109/MAP.2009.5433098.
27. Козлов К.В., Лось В.Ф. Эффективный алгоритм оптимизации многопараметрических задач – метод роя пчёл // Антенны. 2005. № 4(95). С. 18–21.
28. Weng W.-C., Yang F., Elsherbeni A.Z. Linear Antenna Array Synthesis Using Taguchi's Method: A Novel Optimization Technique in Electromagnetics // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2007. V. 55. № 3. P. 723–730. DOI 10.1109/TAP.2007. 891548.
29. Лось В.Ф., Порохов И.О. Оптимизация геометрических параметров антенн с использованием модифицированного метода Тэгучи // Антенны. 2010. № 1(152). С. 38–44.
30. Delgado H.J., Thursby M.H. A novel neural network combined with FDTD for the synthesis of a printed dipole antenna // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2005. V. 53. № 7. P. 2231–2236. DOI 10.1109/TAP.2005.850706.
31. Галушкин А.И., Казанцев П.А., Козлов К.В., Лодягин А.М., Лось В.Ф., Стрижков В.А. Нейросетевой синтез микрополосковой антенны, возбуждаемой коаксиальным зондом // Антенны. 2007. № 9(124). С. 35–40.
32. Huang T., Mohan A.S. A Microparticle Swarm Optimizer for the Reconstruction of Microwave Images // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2007. V. 55. № 3. P. 568–576. DOI 10.1109/TAP.2007.891545.
33. Панченко Т.В. Генетические алгоритмы: учебно-методическое пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Математические методы в экономике» и другим математическим специальностям / Под ред. Ю.Ю. Тарасевича. Астрахань: Астраханский ун-т. 2007. 88 с. ISBN 5-88200-913-8.
34. Kramer B.A., Chen C.C., Volakis J.L. Size Reduction of a Low-Profile Spiral Antenna Using Inductive and Dielectric Loading // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2008. V. 7. P. 22–25. DOI 10.1109/LAWP.2007.914116.
35. Слюсар В.И. Наноантенны: подходы и перспективы // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2009. № 2(92). С. 58–65.
36. Burke P.J. An RF circuit model for carbon nanotubes // IEEE Transactions on Nanotechnology. 2003. V. 2. № 1. P. 55–58. DOI 10.1109/TNANO.2003.808503.
37. Hanson G.W. Fundamental transmitting properties of carbon nanotube antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2005. V. 53. № 11. P. 3426–3435. DOI 10.1109/TAP.2005.858865.
38. Huang K.-C., Edwards D.J. Millimetre wave antennas for gigabit wireless communication. UK: John Wiley & Sons. 2008. 275 p. ISBN 978-0-470-51598-3.
39. Быстров Р.П., Гуляев Ю.В., Никитов С.А. Микро- и наноэлектроника применительно к системам радиолокации и радиосвязи // Успехи современной радиоэлектроники. 2010. № 9. С. 11–50.
40. Бахрах Л.Д., Зайцев Д.Ф., Сигов А.С. Новые аспекты применения нанотехнологии в аппаратуре АФАР: нанофотоника и опто-MEMS // Антенны. 2009. № 6(145). С. 84–95.
41. Черпак Н.Т., Величко А.В. Высокотемпературные сверхпроводники в микроволновой технике // Успехи современной радиоэлектроники. 2000. № 4. C. 3–47.
42. Лось В.Ф. Микрополосковые и диэлектрические резонаторные антенны. САПР-модели: методы математического регулирования: учеб. пособие / Под ред. Л.Д. Бахраха. М.: Радиотехника. 2002. 96 с.
43. Chaloupka H., Klein N., Peiniger M., Piel H., Pischke A., Splitt G. Miniaturized high-temperature superconductor microstrip patch antenna // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1991. V. 39. № 9. P. 1513–1521. DOI 10.1109/22.83826.
44. Vendik O.G., Vendik I.B., Kholodniak D.V. Applications of High-Temperature Superconductors in Microwave Integrated Circuits // Materials Physics and Mechanics. 2000. V. 2. № 1. P. 15–24.
45. Kolotinskiy N.V., Bazulin D.E., Kornev V.K. Control line design issues of Active Superconducting Electrically Small Antennas // IEEE 14th Workshop on Low Temperature Electronics. Matera, Italy. 2021. P. 1–3. DOI 10.1109/WOLTE49037.2021.9555443.
46. Гуляев Ю.В., Лагарьков А.Н., Никитин С.А. Метаматериалы: фундаментальные исследования и перспективы применения // Вестник Российской академии наук. 2008. Т. 78. № 5. С. 438–449.
47. Братчиков А.Н. СВЧ-устройства, излучатели и ФАР на основе новых метаматериалов и структур // Антенны. 2009. № 1(140). С. 3–72.
48. Панченко Б.А. Метаматериалы и сверхнаправленность антенн // Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54. № 3. С. 302–307.
49. Слюсар В.И. Метаматериалы в антенной технике: история и основные принципы // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2009. № 7(97). С. 70–79.
50. Millas C., Andersen R.B., Lazaridis P.I., Zaharis Z.D., Muhammad B., Kristensen J.T.B., Mihovska A., Hermansen D.D.S. Metamaterial-Inspired Antennas: A Review of the State of the Art and Future Design Challenges // IEEE Access. 2021. V. 9. P. 89846–89865. DOI 10.1109/ACCESS.2021.3091479.
51. Zhang J., Yan S., Vandenbosch G.A.E. Composite Right/Left-Handed Transmission Line Metamaterial-Inspired Small Antenna Design: Topologies, reconfigurability, and applications // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2023. V. 65. № 1. P. 71–78. DOI 10.1109/MAP.2022.3201194.
52. Ma X., Zheng H. A VLF Resonant Antenna Based on Piezoelectric Ceramics // IEEE 4th International Conference on Electronic Information and Communication Technology. Xi'an, China. 2021. P. 338–341. DOI 10.1109/ICEICT53123.2021.9531312.
53. Choi J., Dagefu F.T., Sadler B.M. Sarabandi K. A Miniature Actively Matched Antenna for Power-Efficient and Bandwidth-Enhanced Operation at Low VHF // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2021. V. 69. № 1. P. 556–561. DOI 10.1109/ TAP.2020.3004990.
54. Dagefu F.T., Choi J., Sadler B.M., Sarabandi K. A Survey of Small, Low-Frequency Antennas: Recent designs, practical challenges, and research directions // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2023. V. 65. № 1. P. 14–26. DOI 10.1109/MAP.2021. 3127559.
55. Bickford J.A., Duwel A.E., Weinberg M.S., McNabb R.S., Freeman D.K., Ward P.A. Performance of Electrically Small Conventional and Mechanical Antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2019. V. 67. № 4. P. 2209–2223. DOI 10.1109/TAP.2019.2893329.
56. Dytioco Santos J.P., Fereidoony F., Hedayati M., Wang Y.E. High Efficiency Bandwidth VHF Electrically Small Antennas Through Direct Antenna Modulation // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2020. V. 68. № 12. P. 5029–5041. DOI 10.1109/TMTT.2020.3016381.
57. СВЧ-радиометрия земной и водной поверхностей: от теории к практике / Науч. ред. В.С. Верба, Ю.В. Гуляев, А.М. Шутко, В.Ф. Крапивин. София: Академическое издательство имени проф. Марины Дриновой. 2014. 296 с. ISBN 978-954-322-708-2.
58. Hossain A., Wagner S., Pancrazio S., Pham A -V. An Electrically Smaller Ultra-Wideband Monopole Antenna for Ground Penetrating Radar Application // 2021 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting (APS/URSI). Singapore, Singapore. 2021. P. 485–486. DOI 10.1109/APS/URSI47566.2021.9704634.
59. Thankachan S., Paul B., Pradeep A. Design and Analysis of Metamaterial Inspired Electrically Small Circularly Polarised Rectangular Patch Antenna // IEEE 19th India Council International Conference (INDICON). Kochi, India. 2022. P. 1–5. DOI 10.1109/ INDICON56171.2022.10039965.
60. Yu Y.-H., Zong Z.-Y., Wu W., Fang D.-G. Dielectric Slab Superstrate Electrically Small Antennas With High Gain and Wide Band // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2020. V. 19. № 9. P. 1476–1480. DOI 10.1109/LAWP.2020.3005721.
61. Machado-Lopez J.J., Christodoulou C. Electrically Small Antennas with Minimal Broadband Radio Frequency Threat Coupling // IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting. Denver, USA. 2022.
    P. 1424–1425. DOI 10.1109/AP-S/USNC-URSI47032.2022.9887345.
62. Milias C., Andersen R.B., Lazaridis P.I., Zaharis Z.D., Muhammad B., Kristensen J.T.B., Mihvoska A., Hermansen D.D.S. Electrically Small, Metamaterial-inspired Monopole Antennas for WLAN Applications // 25th International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC). Herning, Denmark. 2022. P. 29–32. DOI 10.1109/WPMC55625.2022.10014930.
63. Stepanyan A., Haroyan H., Hakhoumian A. Electrically small patch antenna based on magnetodielectric resonator // International Conference on Microwave & THz Technologies, Wireless Communications and OptoElectronics (IRPhE 2022). Yerevan, Armenia. 2022. P. 11–14.
64. Padhi J., Kumar A., Reddy G.S. Gain Enhancement of Electrically Small Indoor Base Station LTE Antenna with Unidirectional Radiation Characteristics // Asia-Pacific Microwave Conference (APMC). Yokohama, Japan. 2022. P. 872–874. DOI 10.23919/APMC55665.2022.10000058.
65. Duan Y., Tang M.-C., Wu Z., Zhang Z., Yi D., Li M. Omnidirectional-Radiating, Vertically Polarized, Wideband, Electrically Small Filtenna // IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs. 2023. V. 70. № 4. P. 1380–1384. DOI 10.1109/TCSII. 2022.3224195.
66. Barman B., Chatterjee D., Caruso A.N. Performance Optimization of Electrically Small Microstrip Patch Antennas on Finite Ground Planes // IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and North American Radio Science Meeting. Montreal, Canada. 2020. P. 1–2. DOI 10.1109/IEEECONF35879.2020.9329509.
67. Padhi J., Kumar A., Reddy G.S. Top Loaded Wideband Electrically Small Antenna and Its Quality Factor Analysis // IEEE Microwaves, Antennas, and Propagation Conference (MAPCON). Bangalore, India. 2022. P. 1769–1773. DOI 10.1109/MAPCON56011. 2022.10047706.
68. Moore M., Verboom J., Lim S. Design of an Electrically Small, Low-profile, Parasitic Array for Wireless Electrocardiograph System // IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting (APS/URSI). Singapore, Singapore. 2021. P. 481–482. DOI 10.1109/APS/URSI47566.2021.9704208.
69. Guzman J.E.V., Lim S. Design of an Electrically Small, Folded Dipole Antenna for Wireless Electromyography Systems // IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting (AP-S/URSI). Denver, USA. 2022. P. 1426–1427. DOI 10.1109/AP-S/USNC-URSI47032.2022.9886804.
70. Mugisha A.J., Rigi A., Tsiamis A., Podilchak S.K., Mitra S. Electrically Small Antenna For RFID-Based Implantable Medical Sensor // IEEE Journal of Radio Frequency Identification. 2023. V. 7. P. 182–191. DOI 10.1109/JRFID.2023.3256407.
71. Alsaedi D., Badawe M.E., Ramahi O.M. A Metasurface for Biomedical Imaging Applications // IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting (APS/URSI). Singapore, Singapore. 2021. P. 589–590. DOI 10.1109/APS/URSI47566.2021.9704530.