М.Т. Нгуен1, А. Ф. Алхадж Хасан 2, Т. Р. Газизов3

1-3 Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (г. Томск, Россия)

1 nmtuan31121997@gmail.com; 2 alkhadzh@tusur.ru; 3 talgat.r.gazizov@tusur.ru

Постановка задачи. Традиционные рупорные антенны УВЧ-диапазона, как правило, имеют большие габаритные размеры и существенный вес, что ограничивает их применение в системах со строгими ограничениями по массе и габаритным размерам. Преобразование антенн из сплошного металла в проводные сетки (ПС) и разреженные ПС позволяет значительно уменьшить массу антенн и ветровую нагрузку на них. Однако верификация оптимальной аппроксимации токовой сетки (АОТС) и ее модификаций для создания таких структур на практике остается неполной.

Цель. На основе анализа результатов проведенных исследований предложить общую методику на основе АОТС и выполнить ее экспериментальную проверку с различными допусками удаления элементов сетки (ДУЭС) для создания реальных разреженных рупорных антенных из ПС в УВЧ-диапазоне.

Результаты. Проведена верификация предложенной методики на пирамидальной рупорной антенне, работающей в УВЧ-диапазоне. Изготовлены различные разреженные ПС-структуры с ДУЭС=5, 10, 25, 40% по АОТС и ее модификации. Экспериментальные результаты показали высокую степень согласованности между разреженными и исходной ПС-структурами по коэффициенту отражения, коэффициенту усиления и диаграммам направленности. Установлено, что созданные разреженные ПС-антенны демонстрируют снижение массы в 1,04–1,41 раза по сравнению с исходной ПС и в 6,70–9,23 раза по сравнению со сплошной конструкцией, сохраняя при этом приемлемую эффективность. Кроме того, ветровая нагрузка, действующая на разреженные ПС, также уменьшилась в 1,02–1,45 раза по сравнению с исходной и в 5,25–7,45 раза по сравнению со сплошной антенной.

Практическая значимость. Предложенная методика позволяет проектировать и изготавливать легкие, недорогие и устойчивые к погодным условиям рупорные антенны без значительного ухудшения характеристик. Полученные результаты могут быть применены к различным типам антенн и рассеивателей, работающих в разных частотных диапазонах, что обуславливает возможность применения этого подхода для современных спутниковых, радиолокационных и телекоммуникационных систем, где масса и структурная прочность имеют важное значение.

Нгуен М.Т., Алхадж Хасан А.Ф., Газизов Т.Р. Экспериментальная верификация методики создания разреженных проводных антенн с применением оптимальной аппроксимации токовой сеткой // Радиотехника. 2026. Т. 90. № 1. С. 177−190. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202601-17

1. Tkachenko D., et al. Scenarios for Co-Existence of Digital TV and 5G Broadcast Services in UHF Band // 2023 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). ST PETERSBURG, Russian Federation. 2023. P. 209–213. DOI: 10.1109/EExPolytech58658.2023.10318786.
2. Fischer J., Ulbricht G., Koch R. M2M-SCM: a spatial channel model for mobile-to-mobile communications in the VHF and UHF band // 2022 Tenth International Symposium on Computing and Networking Workshops (CANDARW). Himeji, Japan. 2022.
   P. 1–6. DOI: 10.1109/CANDARW57323.2022.00028.
3. Mistry K.K., Lazaridis P.I., Zaharis Z.D., Chochliouros I.P., Loh T.H., Gravas I.P., Cheadle D. Optimization of log-periodic TV reception antenna with UHF mobile communications band rejection // Electronics. 2020. V. 9. P. 1830. DOI: 10.3390/electronics9111830.
4. Jarvis R.E., Mattingly R.G., McDaniel J.W. UHF-band radar cross section measurements with single-antenna reflection coefficient results // IEEE Trans Instrum Meas. 2021. V. 70. P. 1–4. DOI: 10.1109/TIM.2021.3102756.
5. Kuang C., Wang C., Wen B., Hou Y., Lai Y. An improved CA-CFAR method for ship target detection in strong clutter using UHF radar // IEEE Signal Process Lett. 2020. V. 27. P. 1445–1449. DOI: 10.1109/LSP.2020.3015682.
6. Ren J., Shi J., Zhang Q., Zhang X., Liu Y. An UHF/S dual-band shared-aperture feed antenna for satellite application // Antennas Wirel Propag Lett. 2024. V. 23. P. 2031–2035. DOI: 10.1109/LAWP.2024.3378011.
7. Das J., Muppana R.S., Parusha M., Vineeth M. Ground station with VHF and UHF band antenna to track satellites and testing with high altitude balloon (HAB) experiment // 2022 IEEE 19th India Council International Conference (INDICON). Kochi, India. 2022. P. 1–5. DOI: 10.1109/INDICON56171.2022.10040115.
8. Nguyen M.T., Lin Y.F., Chen C.H., Chang C.H., Chen H.M. Shorted patch antenna with multi slots for a UHF RFID tag attached to a metallic object // IEEE Access. 2021. V. 9. P. 111277–111292. DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3103177.
9. Sharma R., Raghava N.S., De A. Design of compact circular microstrip patch antenna using parasitic patch // 2021 6th International Conference for Convergence in Technology (I2CT). Maharashtra, India. 2021. P. 1–4. DOI: 10.1109/I2CT51068.2021.9418104.
10. Ugnichev V.D., Kogan B.L., Belkovich I.V., Seleznyov V.N. Multi-band reflector antenna feed design based on coaxial structure // 2020 International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE). Moscow, Russia. 2020. P. 1–4. DOI: 10.1109/REEPE49198.2020.9059239.
11. Hamidi A., Mekimah B., Berhab S., Djerafi T., Belhedri A., Boulesbaa M. A high gain circularly polarized passive RFID tag on a metallic reflector for UHF band applications // 2024 8th International Conference on Image and Signal Processing and their Applications (ISPA). Biskra, Algeria. 2024. P. 1–4. DOI: 10.1109/ISPA59904.2024.10536807.
12. Nguyen M.T., Lin Y.F., Chen C.H., Tseng Y.C., Chen H.M. Miniature 3-D-dipole antenna for UHF RFID tag mounted on conductive materials // IEEE Trans Antennas Propag. 2022. V. 70. P. 11454–11464. DOI: 10.1109/TAP.2022.3209690.
13. Xue F., Zhang Y., Li J., Liu H. Circularly polarized cross-dipole antenna for UHF RFID readers applicated in the warehouse environment // IEEE Access. 2023. V. 11. P. 38657–38664. DOI: 10.1109/ACCESS.2023.3253542.
14. Balanis C.A. Evolution of antenna technology: apertures, waveguides, horns, and Vivaldi // IEEE Antennas Propag Mag. 2024. V. 66. P. 29–36. DOI: 10.1109/MAP.2024.3428920.
15. Ivanova Y., Petrov G. A methodology for engineering design and simulation of a satellite horn antenna // Lecture Notes of the Institute for Computer Sciences, Social Informatics and Telecommunications Engineering. 2023. P. 215–232. DOI: 10.1007/978-3-031-44668-9_18.
16. Adhiyoga Y.G., Rahman S.F., Apriono C., Rahardjo E.T. Miniaturized 5G antenna with enhanced gain by using stacked structure of split-ring resonator array and magneto-dielectric composite material // IEEE Access. 2022. V. 10. P. 35876–35887. DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3163285.
17. Aragbaiye Y.M., Isleifson D. Mass reduction techniques for short backfire antennas: additive manufacturing and structural perforations // Sensors. 2023. V. 23. P. 8765. DOI: 10.3390/s23218765.
18. Wang Y., Zhang X., Su R., Chen M., Shen C., Xu H., He R. 3D printed antennas for 5G communication: current progress and future challenges // Chinese J Mech Eng: Additive Manufacturing Frontiers. 2023. V. 2. P. 100065. DOI: 10.1016/j.cjmeam.2023.100065.
19. New W.K., Wong K.K., Xu H., Wang C., Ghadi F.R., Zhang J., Rao J., Murch R., Ramírez-Espinosa P., Morales-Jimenez D., Chae C.B., Tong K.F. A tutorial on fluid antenna system for 6G networks: encompassing communication theory, optimization methods and hardware designs // IEEE Commun. Surv. Tutorials. 2024. P. 1–1. DOI: 10.1109/COMST.2024.3498855.
20. Choi J.S., Park T.Y., Chae B.G., Oh H.U. Development of lightweight 6 m deployable mesh reflector antenna mechanisms based on a superelastic shape memory alloy // Aerospace. 2024. V. 11. P. 738. DOI: 10.3390/aerospace11090738.
21. Morsy M.A., Saleh K. Integrated solar mesh dipole antenna based energy harvesting system // IEEE Access. 2022. V. 10. P. 89083–89090. DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3201127.
22. Yao J., Liu Q., Qian H., Zhang D. Dual band flexible transparent microstrip patch antenna based on metal mesh // 2024 6th International Conference on Communications, Information System and Computer Engineering (CISCE). Guangzhou. China. 2024. P. 126–129. DOI: 10.1109/CISCE62493.2024.10653317.
23. Alhaj Hasan A., Nguyen T.M., Kuksenko S.P., Gazizov T.R. Wire-grid and sparse MoM antennas: past evolution, present implementation, and future possibilities // Symmetry. 2023. V. 15. P. 378. DOI: 10.3390/sym15020378.
24. Alhaj Hasan A., Gazizov T.R. Method of making antenna based on wire grid. RU Patent RF no. 2814795; 2024.
25. Nguyen M.T. Innovative approaches to the design of sparse wire-grid antennas: development of algorithms and evaluation of their effectiveness // Systems of Control, Communication and Security. 2024. V. 4. P. 1–47. DOI: 10.24412/2410-9916-2024-4-001-047. (in Russian)
26. Nguyen M.T., Hasan A.F.A., Gazizov T.R. Generating sparse wire-grid antennas using maximum current-based optimal current grid approximation // IEEE Open J. Antennas Propag. 2025. P. 1–14. DOI: 10.1109/OJAP.2025.3543559.
27. Alhaj Hasan A., Klyukin D.V., Kvasnikov A.A., Komnatnov M.E., Kuksenko S.P. On wire-grid representation for modeling symmetrical antenna elements // Symmetry. 2022. V. 14. P. 1354. DOI: 10.3390/sym14071354
28. Nguyen M.T., Hasan A.F.A., Gazizov T.R. Recommendations on modeling wire grid horn structures for sparse antenna generation // 2024 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon). Magnitogorsk. Russian Federation. 2024. P. 114–120. DOI: 10.1109/UralCon62137.2024.10718978.
29. Nguyen M.T., Alhaj Hasan A.F., Gazizov T.R. Recommendations on designing wire grid conical horn structures for sparse antenna generation // 2024 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE). Saratov. Russian Federation. 2024. P. 107–112. DOI: 10.1109/APEDE59883.2024.10715816.
30. Alhaj Hasan A.F., Nguyen M.T., Gazizov T.R. Modelling and designing wire-grid sparse antennas using MoM-based approaches for enhanced performance and reduced cost // Microwave Review. 2023. V. 29. P. 83–94. DOI: 10.18485/mtts_mr.2023.29.2.10.
31. Nguyen M.T., Hasan A.F.A., Gazizov T.R. Sparse wire grid UHF-band pyramidal horn antenna // 2024 International Russian Automation Conference (RusAutoCon). Sochi. Russian Federation. 2024. P. 449–455. DOI: 10.1109/RusAutoCon61949.2024.10694540.
32. Hasan A.F.A., Nguyen M.T., Gazizov T.R. Efficient sparse antenna design using MoM-WG: comparative study of horn, conical horn, and reflector antennas by advanced approximations // 2023 International Russian Automation Conference (RusAutoCon). Sochi, Russian Federation. 2023. P. 709–715. DOI: 10.1109/RusAutoCon58002.2023.10272841.
33. Hasan A.A., Nguyen T.M., Gazizov T.R. Wire grid sparse antennas: verification of a modified modeling approach // 2023 IEEE Ural-Siberian Conference on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT). Yekaterinburg. Russian Federation. 2023. P. 100–104. DOI: 10.1109/USBEREIT58508.2023.10158826.
34. Dang T.P., Nguyen M.T., Hasan A.F.A., Gazizov T.R. Generation of sparse antennas and scatterers based on optimal current grid approximation // Algorithms. 2025. V. 18. P. 171. DOI: 10.3390/a18030171.
35. Kumar H., Kumar G. Coaxial feed pyramidal horn antenna with high efficiency // IETE J. Res. 2017. V. 64. P. 51–58. DOI: 10.1080/03772063.2017.1323563.
36. TUSUR.EMC system. Available online: https://emc.tusur.ru/talgat-software [accessed 15 January 2025].
37. Kang S.H., Jung C.W. Transparent patch antenna using metal mesh // IEEE Trans Antennas Propag. 2018. V. 66. P. 2095–2100. DOI: 10.1109/TAP.2018.2804622.