А.Г. Гудков1, В.Ф. Лось2, И.А. Сидоров3, И.О. Порохов4

1, 3 МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, Россия)
2 ООО «НПИ ФИРМА «ГИПЕРИОН» (Москва, Россия)
4 Российский университет дружбы народов им. Патриса Лумумбы (Москва, Россия)
1 profgudkov@gmail.com, 2 lvf1938@mail.ru, 3 igorasidorov@yandex.ru, 4 porokhov60@mail.ru

Постановка проблемы. В связи с развитием точного земледелия вопросы применения радиометров для мониторинга влажностного рельефа почвы становятся актуальными. Микроминиатюризация антенных систем расширяет возможность применения радиометров с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и наземных средств. По сравнению со спутниковыми и бортовыми носителями, использование БПЛА позволяет повысить разрешающую способность радиометров, однако в этом случае существенно возрастают массогабаритные ограничения к используемым антенным системам, что требует как новых их конструктивных решений, так и разработки методов их проектирования, в том числе с использованием последних достижений в области методов оптимизации электродинамических проблем.

Цель. Провести обзор современного состояния достигнутых результатов в области антенной техники для микроволновых радиометров.

Результаты. Проведенный обзор показал, что существующие расчеты нескольких схем многодиапазонной двухполяризационной антенны, которые могут быть использованы для микроволнового радиометра, размещаемого на борту БПЛА или на наземном носителе, не могут служить основой для проектирования антенн с произвольным соотношением частот в сочетании с другими требованиями.

Практическая значимость. Поскольку задачи обеспечения точного земледелия необходимой аппаратурой для оперативной дистанционной диагностики влажности и температуры почвогрунта по глубине актуальны, необходимы комплексные работы по созданию программного обеспечения алгоритмов оптимизации для реализации разработок указанной аппаратуры.

Гудков А.Г., Лось В.Ф., Сидоров И.А., Порохов И.О. Антенные системы для микроволновых радиометров // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2025. Т. 17. № 2. С. 5–18. DOI: https://doi.org/ 10.18127/ j22250980-202502-01

1. Сидоров И.А., Новичихин Е.П., Шутко А.М. и др. СВЧ-радиометрия земной и водной поверхностей: от теории к практике / под ред. В.С. Вербы, Ю.В. Гуляева и др. София: Академическое изд-во им. проф. Марина Дринова. 2014. 296 с.: ил.
2. Якушев В.П., Якушев В.В., Матвеенко Д.А. Роль и задачи точного земледелия в реализации национальной технологической инициативы // Агрофизика. 2017. №1. С. 51–65.
3. Keam R.B. Determination of soil moisture profile from surface reflection coefficient measurements. Subsurface Sensing Technologies and Applications. 2000. V. 1. № 4. P. 453–471.
4. Inman-Bamber N.G. Automatic plant extension measurement in sugarcane in relation to temperature and soil moisture. Field Crops Research. 1995. V. 42. № 2–3. P. 135–142.
5. Schmitz M., Sourell H. Variability in soil moisture measurements. Irrigation Science. 2000. V. 19. № 3. P. 147–151.
6. Schneeberger K., Stamm C., Flühler H., Mätzler C., Lehmann E., Willneff J. Multifrequency ground-based radiometer and insitumeasurements of soil moisture at high temporal resolution. Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering (см. в книгах). 2002. V. 4879. P. 174–183.
7. Francesca V., Stefano P., Paola R.P., Osvaldo F. Soil moisture measurements: comparison of instrumentation performances. Journal of Irrigation and Drainage Engineering – ASCE. 2010. V. 136. № 2. P. 81–89.
8. Colliander A., Chan S., Kim S.-B., Das N., Yueh S., Njoku E., Cosh M., Bindlish R., Jackson T. Long term analysis of pals soil moisture campaign measurements for global soil moisture algorithm development. Remote Sensing of Environment. 2012. V. 121. P. 309–322.
9. Colliander A., Njoku E.G., Chazanoff S., Jackson T.J., Cosh M.H., McNairn H., Powers J. Retrieving soil moisture for nonforested areas using pals radiometer measurements in smapvex12 field campaign. Remote Sensing of Environment. 2016. V. 184. P. 86–100.
10. Derksen C., Xu X., Scott Dunbar R., Colliander A., Kim Y., Kimball J.S., Black T.A., Stephens J., Euskirchen E., Langlois A., Roy A., Royer A., Loranty M.M., Marsh P., Rautiainen K. Retrieving landscape freeze/thaw state from soil moisture active passive (smap) radar and radiometer measurements. Remote Sensing of Environment. 2017. V. 194. P. 48–62.
11. Ferrazzoli P., Schiavon G., Solimini D., Paloscia S., Pampaloni P., Coppo P. Sensitivity of microwave measurements to vegetation biomass and soil moisture content: a case study. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1992. V. 30. № 4. P. 750–756.
12. Tsegaye T.D., Coleman T.L., Rajbhandari N., Laymonb C.A., Crossonb W.L. Soil moisture measurement techniques for remote sensing groung truth: evaluation and performance test of soil moisture sensors. In: Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering. Series “Earth Surface Remote Sensing” 1997. P. 98–102.
13. Hambaryan A.K., Manukyan M.R., Hambaryan V.K., Darbinyan S.A., Arakelyan A.K. An experimental complex for multifrequency, short distance, coincident, microwave active-passive and in-situ combined measurements of soil and snow moistures. In: 58. International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS). Series “2004 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium Proceedings: Science for Society: Exploring and Managing a Changing Planet. IGARSS 2004”. 2004. P. 1609–1612.
14. Chaparro D., Vall-Llossera M., Camps A., Piles M., Rudiger C., Riera-Tatche R. Predicting the extent of wildfires using remotely sensed soil moisture and temperature trends. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2016. V. 9. № 6. P. 2818–2829.
15. Yee M.S., Walker J.P., Monerris A., Rüdiger C., Jackson T.J. On the identification of representative in situ soil moisture monitoring stations for the validation of smap soil moisture products in Australia. Journal of Hydrology. 2016. V. 537. P. 367–381.
16. Якушев В.П., Якушев В.В., Матвеенко Д.А. Роль и задачи точного земледелия в реализации национальной технологической инициативы // Агрофизика. 2017. № 1. С. 51–65.
17. Кошкин Е.И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур. М.: Дрофа. 2010. 638 с.
18. Казина М.Н. и др. Способность Проростков озимой пшеницы к низкотемпературной адаптации в условиях избыточного содержания цинка в корнеобитаемой среде // Физиология растений. 2019. Т. 66. № 5. С. 375–383.
19. Информационно-измерительные и управляющие радиоэлектронные системы и комплексы: Монография / Под ред. В.С. Вербы. М.: Радиотехника. 2020. 490 с., ил. (Науч. серия «Труды научных школ АО «Концерн «Вега»).
20. Аскерова Ю.С., Курочкин А.П., Мамаков А.И., Островский А.Г., Уржумцев Е.В. Излучатель сверхширокополосных импульсов для видеоимпульсной сканирующей антенной решетки // Антенны. 2016. № 9. С. 42–46.
21. Кондратьева С.Г. Двухчастотная фазированная мобильная антенная решетка РЛС L-диапазона: Дис. ... канд. техн. наук: 05.12.07. Антенны, СВЧ-устройства и их технологии / МАИ (НИУ). М. 2015.
22. Милосердов М.С. Бортовая сканирующая широкополосная линейная АР дециметрового диапазона: Дис. ... канд. техн. наук: 05.12.07. Антенны, СВЧ-устройства и их технологии / МАИ (НИУ). М. 2014.
23. Багно Д.В., Балина И.А., Гринев А.Ю., Зайкин А.Е. Двухдиапазонный щелевой металлодиэлектрический неоднородный излучатель для фазированных антенных решеток // Антенны. 2014. № 4. С. 22–27.
24. Yun T.-Y., Wang C., Zepeda P. A 10- to 21-GHz, Low-Cost, Multifrequency, and Full-Duplex Phased-Array Antenna System. IEEE Transaction on Antennas Propagation. 2002. V. 50. № 5. P. 641–650.
25. Mao C.-X., Gao S., Wang Y. A Shared-Aperture Dual-Band Dual-Polarized Filtering-Antenna-Array with Improved Frequency Response. IEEE Transaction on Antennas Propagation. 2017. V. 65. № 4. P. 1836–1844.
26. Kothapudi V., Kumar V. Shared Aperture Antenna Technology for SAR: A Review of the Theory and Applications. Journal of Engineering Science and Technology Review. 2017. V. 10. № 3. P. 41–54.
27. Engeta N., Ziolkowski R.W. Metamaterials: physics and engineering exploration. John Wiley & Sons. 2006. P. 440.
28. Capolino F. Theory and Phenomena of Metamaterials. CRC Press. 2009.
29. Capolino F. Applications of Metamaterials. CRC Press. 2009.
30. Yang F. Rahmat-Samii: Electromagnetic band gap structures in antenna engineering. N.Y.: Cambridge University Press. 2009. P. 266.
31. Кольцов Ю.В. Новейшие эффекты применения метаматериалов // Успехи современной радиоэлектроники. 2021. Т. 75. № 7. С. 5–26.
32. Кольцов Ю.В. Метаматериальные технологии антенных решеток // Успехи современной радиоэлектроники. 2017. № 4. С. 30–47.
33. Echodyne Releases Breakthrough Ultra–Low C–SWAP Electronically Scanning Radar. URL: http://www.prnewswire.com/news-releases/echodyne-releases-breakthrough-ultra-low-c-swap-electronically-scanning-radar-300259636.html
34. Sievenpiper D.F., Zhang L., Broas R.F. High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band. IEBE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1999. V. 57. № 11. P. 2059–2074.
35. Luukkonen O., Simovski C., Granet G. Analytical Model of Planar Grids and High-Impedance Surfaces Comprising Metal Stips-163 Ratches IBE Transaction on Antennas Propagation. 2008. V. 56. № 6. P. 1624–1632.
36. Costa I., Genovesi S. Monorchio 4. On the irela Propagation Impedance Frequency Selective Surfaces. IBBE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2009. V. 8. P. 1341–1344.
37. Expósito-Dominguez G., Fernandez-González J. M., Padilla P., Sierra-Castañer M. EBG Size Reduction for Low Permittivity Substrates. International Journal of Antennas and Propagation. 2017. V. 2012. P. 8.
38. Yang F., Rahmat-Samii Y. Reflection Phase Characterizations of the EBG Ground Plane for Low Profile Wire Antenna Applications. IBEE Transaction on Antennas Propagation. 2003. V. 51. № 10. P. 2691–2703.
39. McMichael I.T., Zaghloul A.I., Mirotznik M.S. A Method for Determining Optimal EBG Reflection Phase for Low Profile Dipole Antennas. IEEE Transaction on Antennas Propagation. 2013. V. 61. № 5. P. 2411–2417.
40. Zhang L., Castaneda J.A., Alexopoulos N.G. Scan Blindness Free Phased Array Design Using PBG Materials. IEEE Transaction on Antennas Propagation. 2004. V. 52. № 8. P. 2000–2007.
41. Гринев А.Ю., Курочкин А.П., Волков А.П. Низкопрофильная развязанная антенная система на основе поверхности с высоким импедансом // Антенны. 2014. № 9. С. 4–11.
42. 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. V. 51. № 10. P. 2936–2946.
43. Kern D.J., Werner D.H., Monorchio A., Lanuzza L., Wilhelm M.J. The Design Synthesis of Multiband Artificial Magnetic Conductors Using High Impedance Frequency Selective Surfaces. IEEE Transaction on Antennas Propagation. 2005. V. 53. № 1. P. 8–17.
44. Werner D.H., Gangul S. An Overview of Fractal Antenna Engineering Research. IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2003. February. V.45. № 1. Р. 38–57.
45. Karmakar A. Fractal antennas and arrays: A review and recent developments. International Journal of Microwave and Wireless Technologies. 2020. July 24. V.13. № 2. P. 1–25.
46. Cohen N. Fractal Antennas Part 1. Communications Quarterly. 1995. Summer. V. 5. № 3. P. 7–22.
47. Cohen N. Fractal Antennas Part 2. Communications Quarterly. 1996. Summer. V. 6. № 3. P. 53–66.
48. Cohen N. Practical Introduction to Fractals: Antennas and Beyond Part 1. Proceedings of the Radio Club of America. 2014. Spring. P. 12–18.
49. Anguera J., Andujar A., Puente C. Antenna–Less Wireless: A Marriage Between Antenna and Microwave Engineering. Microwave Journal. 2017. October 12. V. 60. № 10.
50. Hindle P. Antenna Technologies for the Future. Microwave Journal. 2018. January. V. 61. № 1. P. 24–40.
51. 5G and cellular IoT multiband antenna the size of a rice-grain. eeNews Europe. 2020. March 3.
52. Flaherty N. AI-powered antenna integration platform. eeNews Europe. 2024. April 10.
53. Xin L., Cao K., Yang X. Two-Layer Stacked Microstrip Cylindrical Conformal Antenna Array With Cross Snowflake Fractal Patches. Microwave Journal. 2018. March 14.
54. Deb P.K., Moyra T. Miniaturization of Microstrip Patch Antenna using Fractal Antenna Design. International Journal of Computation Intelligence & IoT. 2018. V. 1. № 1. 4 p.
55. Sahoo R., Vakula D. A Cylindrical Wideband Conformal Fractal Antenna for GPS Application. Advanced Electromagnetics. 2017. October. V. 6. № 3.
56. El-Khamy S.E., Eltrass A.S., El-Sayed H.F. Design of thinned fractal antenna arrays for adaptive beam forming and side lobe reduction. IET Microwaves Antennas and Propagation. 2018. № 12. P. 435–444.
57. Spence T.G., Werner D.H. Genetically optimized fractile microstrip patch antennas. IEEE Antennas Propagation Society Symposium, 20–25 June 2004. Monterey. CA, USA.
58. Werner D.H., Gingrich M.A., Werner P.L. A Generalized Fractal Radiation Pattern Synthesis Technique for the Design of Multiband Arrays. 37 p.
59. 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. 57–76. DOI 10.18127/j5604128-202304-06.
60. Кольцов Ю.В. Системы локации беспилотных летательных аппаратов. Антенные решетки // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2024. Т. 16. № 2. С. 5–22. DOI: https://doi.org/10.18127/j22250980-202402-01.
61. Yuan T., Yuan N., Li L.-W. A Novel Series-Fed Taper Antenna Array Design. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2008. V. 7. P. 362–365.
62. Jeong S.-H., Yu H.-Y., Lee J.-E. et. al. A Multi-Beam and Multi-Rnge Radar with FMCW and Digital Beam Forming for Automotive Applications. Progress In Electromagnetics Research. 2012. V. 124. P. 285–299.
63. Otto S., Rennings A., Litschke O., Solbach K. A Dual-Frequency Series-Fed Patch Array Antenna. 2009 3rd European Conference on Antennas and Propagation. 23–27 March 2009. Berlin, Germany.
64. Chong Y.I., Wenbin D. Microstrip Series Fed Antenna Array for Millimeter Wave Automotive Radar Applications. 2012 IEEE MTT-S Int. Microwave Workshop on Millimeter Wave Wireless Technology and Applications. 18–20 Sept. 2012. Nanjing. China.
65. Панченко Б.А., Князев С.Т., Нечаев Ю.Б., Николаев В.И., Шабунин С.Н. Электродинамический расчет характеристик полосковых антенн. М.: Радио и связь. 2002.
66. Yufei Fan, Yuandan Dong. A wideband and high gain dual-polarized base station antenna with parasitic patch//978-1- 6654-4228-2/23/©2023 IEEE.
67. Yan Yan, Yanhong Xu, Aniji Wang. Design of a broadband dual-polarized magnetoelectric dipole antenna for 3G/4G/5G communication//979-8-3503-3674-0/23/$31.00 ©2023 IEEE.
68. Taflove A., Hagness S.C. Computational electrodynamics. The finite-ddifference time-domain method. Artech House. 2005.
69. Трикоми Ф. Интегральные уравнения. М.: ИЛ. 1960. 251 с.
70. Harrington R.F. Field computation by moment methods. N-Y. Macmillan. 1968.
71. Фок В.А. Проблема дифракции и распространения электромагнитных волн. М.: Сов. радио. 1970. 517 с.
72. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука. 1979. 285 с.
73. Колтон Д., Кресс Р. Методы интегральных уравнений в теории рассеяния. М.: Мир. 1987.
74. Adrian S.B., Dely A., Consoli D. Electromagnetic Integral Equations: Insights in conditioning and preconditioning. IEEE Open Journal of Antennas and Propagation. 2021. V. 2. P. 1144–1174.
75. Petersen A.F. Mapped vector basis functions for electromagnetic integral equations. Morgan&Claypool Publishers. 2005. 115 p.
76. Козлов К.В., Лось В.Ф. Эффективный алгоритм решения многопараметрических задач – метод роя пчел // Антенны. 2005. Вып. 4(95).
77. Hoorfar A. Evolutionary programming in electromagnetic optimization: a review. IEEE Trans. on Antennas and Propag. 2007.
    V. 55. № 3. P. 523–537.
78. Hassam Faris, Ibrahim Aljarah et al. Grey Wolf optimizer: a review of recent variants and applications. Neural Computing and Applications. https://doi.org/10.1007/s00521-017-3272-5.
79. Yu Li, Xiaoxiao Lin, Jingsen Liu. An improved Grey Wolf optimization algorithm to solve engineering problems. Sustainability. 2021. V. 13. P. 3208.
80. Eunice Oluwabunmi, Kewen Xating Wang et al. Pattern synthesis of uniform and sparse linear antenna array using Mayfly algorithm. IEEE Access. DOI: 10.1109/ACCESS. 2021.3083487.
81. Hengfeng Wang, Chao Liu, Huaning Wu et al. Optimal pattern synthesis of linear array and broadband design of whip antenna using Grasshopper optimization algorithm. International Journal of Antennas and Propagation. 2020. V. Research article ID 5904018.
82. Подиновский В.В., Ногин В.Д. Парето-оптимальные решения. М.: Наука. 1982.
83. Delgado H.J., Thursby M.H. A novel neural network combined with FDTD for the synthesis of printed dipole antennas. IEEE Trans. on AP. 2005. V. 53. № 7. P. 2231–2235.
84. Галушкин А.И., Казанцев П.А., Козлов К.В., Лось В.Ф. и др., Нейросетевой синтез микрополосковой антенны, возбуждаемой коаксиальным зондом // Антенны. 2007. Вып. 9(124). С. 35–40.
85. Wolpert D.H., Macready W.G. No Free Lunch Theorems for Optimization. IEEE Transactionson Evolutionary Computation. 1997. V. 1. № 1. P. 67–82.
86. 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.