Широкополосная печатная антенна с круговой поляризацией, разработанная посредством теории характеристических мод

В.Л. Фам; В.П. Костелецкий

doi:10.18127/j03209601-202605-04

Широкополосная печатная антенна с круговой поляризацией, разработанная посредством теории характеристических мод

научная статья УДК 621.396 Страницы: 43-54 doi.org/10.18127/j03209601-202605-04

^1,2 Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (г. Томск, Россия)

Ключевые слова: Теория характеристических мод широкополосная антенна 5G круговая поляризация печатная антенна коэффициент усиления коэффициент эллиптичности 3GPP MIMO

Аннотация

Постановка проблемы. В настоящее время развитие систем 5G/6G и спутниковой связи требует широкополосных антенн с круговой поляризацией (КП), обеспечивающих непрерывное перекрытие нескольких стандартизованных диапазонов частот (например, 5G NR) в пределах единой рабочей полосы. Массогабаритные ограничения современных телекоммуникационных устройств не позволяют использовать отдельные излучатели для каждого диапазона. Печатные антенны находят все более широкое применение, однако их проектирование сопряжено со значительными трудностями в обеспечении одновременно широкой полосы рабочих частот и устойчивой полосы частот с коэффициентом эллиптичности (КЭ) менее 3 дБ. При этом большинство традиционных методов проектирования (параметрический анализ, эвристическая оптимизация) основаны на многократном изменении геометрии. Теория характеристических мод (ТХМ) представляет собой эффективный инструмент проектирования, превосходящий традиционные методики, которые зачастую требуют значительных временных затрат. Кроме того, применение ТХМ позволяет получить глубокое физическое понимание механизмов работы антенны.

Цель. Создать широкополосную печатную антенну с КП на основе ТХМ.

Результаты. Разработана антенна, которая обеспечивает работу в диапазоне частот 2…4,54 ГГц, при этом условие КП (КЭ менее 3 дБ) выполняется в диапазоне 2,27…4,07 ГГц. Установлено, что максимальный коэффициент усиления составляет 3,84 дБи на частоте 2,8 ГГц и сохраняется на уровне выше 3 дБи в диапазоне 2,4…3,2 ГГц. Отмечено, что диаграмма направленности (ДН) антенны является двунаправленной, направление главных лепестков ДН нормально к плоскости антенны.

Практическая значимость. Разработанная антенна может быть использована в различных беспроводных приложениях, например, в системах 5G в поддиапазоне 6 ГГц. Рабочий диапазон антенны охватывает полосы 5G NR стандарта 3GPP. Также предложенная антенна перспективна для гибридных терминалов в архитектурах NTN и сценариях Direct-to-Cell/Device. Этапы проектирования, основанные на ТХМ, служат основой для применения в разработке других антенных конструкций.

Поступила: 29.04.2026
Одобрена: 26.05.2026
Принята: 26.08.2026

Для цитирования

Фам В.Л., Костелецкий В.П. Широкополосная печатная антенна с круговой поляризацией, разработанная посредством теории характеристических мод // Антенны. 2026. № 5. С. 43−54. DOI: https://doi.org/10.18127/j03209601-202605-04

Список источников

Lin X., Liu W., Jiang Z., Kuang W. Broadband filtering circularly polarized patch antenna based on ground slot and coupling stub // IEEE Open Journal of Antennas and Propagation. 2025. V. 6. P. 1858–1864. DOI: 10.1109/OJAP.2025.3606616.
Chaudhary P., Kumar A. Compact ultra-wideband circularly polarized CPW-fed monopole antenna // AEU – International Journal of Electronics and Communications. 2019. V. 107. P. 137–145. DOI: 10.1016/j.aeue.2019.05.025.
Kollipipara V., Peddakrishna S. Circularly polarized antennas using characteristic mode analysis: A review // Advances in Technology Innovation. 2022. V. 7. P. 242–257. DOI: 10.46604/aiti.2022.8739.
Harrington R.F., Mautz J.R. Theory of characteristic modes for conducting bodies // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1971. V. 19. P. 622–628. DOI: 10.1109/TAP.1971.1140017.
Chen Y., Wang C.-F. Characteristic modes: Theory and applications in antenna engineering. Hoboken, NJ, USA: Wiley. 2015.
Peddakrishna S., Wang L., Kollipipara V. et al. Compact circularly polarized monopole antenna using characteristic mode analysis // Proceedings of Engineering and Technology Innovation. 2023. V. 24. P. 1–14. DOI: 10.46604/peti.2023.11274.
Ma Z.-H., Chen J.-X., Chen P. et al. Design of planar microstrip ultrawideband circularly polarized antenna loaded by annular-ring slot // International Journal of Antennas and Propagation. 2021. Art. ID 6638096. DOI: 10.1155/2021/6638096.
Ghanbari L., Keshtkar A., Jarchi S. Characteristic mode analysis of a flexible circularly polarized UWB antenna for wireless body area networks // Wireless Networks. 2024. V. 30. P. 3103–3117. DOI: 10.1007/s11276-024-03711-7.
Zeng J., Zhang Z., Lin F.H. et al. Penta-mode ultra-wideband circularly polarized stacked patch antennas using characteristic mode analysis // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2022. DOI: 10.1109/TAP.2022.3177485.
Gao X., Tian G., Shou Z. et al. A low-profile broadband circularly polarized patch antenna based on characteristic mode analysis // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2021. V. 20. P. 214–218. DOI: 10.1109/LAWP.2020.3044320.
Midya M., Bhattacharjee S., Mitra M. Pair of grounded L strips loaded broadband circularly polarised square slot antenna with en-hanced axial ratio bandwidth // Electronics Letters. 2018. V. 54. P. 917–918. DOI: 10.1049/el.2018.1096.

[1] Lin X., Liu W., Jiang Z., Kuang W. Broadband filtering circularly polarized patch antenna based on ground slot and coupling stub // IEEE Open Journal of Antennas and Propagation. 2025. V. 6. P. 1858–1864. DOI: 10.1109/OJAP.2025.3606616.

[2] Chaudhary P., Kumar A. Compact ultra-wideband circularly polarized CPW-fed monopole antenna // AEU – International Journal of Electronics and Communications. 2019. V. 107. P. 137–145. DOI: 10.1016/j.aeue.2019.05.025.

[3] Kollipipara V., Peddakrishna S. Circularly polarized antennas using characteristic mode analysis: A review // Advances in Technology Innovation. 2022. V. 7. P. 242–257. DOI: 10.46604/aiti.2022.8739.

[4] Harrington R.F., Mautz J.R. Theory of characteristic modes for conducting bodies // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1971. V. 19. P. 622–628. DOI: 10.1109/TAP.1971.1140017.

[5] Chen Y., Wang C.-F. Characteristic modes: Theory and applications in antenna engineering. Hoboken, NJ, USA: Wiley. 2015.

[6] Peddakrishna S., Wang L., Kollipipara V. et al. Compact circularly polarized monopole antenna using characteristic mode analysis // Proceedings of Engineering and Technology Innovation. 2023. V. 24. P. 1–14. DOI: 10.46604/peti.2023.11274.

[7] Ma Z.-H., Chen J.-X., Chen P. et al. Design of planar microstrip ultrawideband circularly polarized antenna loaded by annular-ring slot // International Journal of Antennas and Propagation. 2021. Art. ID 6638096. DOI: 10.1155/2021/6638096.

[8] Ghanbari L., Keshtkar A., Jarchi S. Characteristic mode analysis of a flexible circularly polarized UWB antenna for wireless body area networks // Wireless Networks. 2024. V. 30. P. 3103–3117. DOI: 10.1007/s11276-024-03711-7.

[9] Zeng J., Zhang Z., Lin F.H. et al. Penta-mode ultra-wideband circularly polarized stacked patch antennas using characteristic mode analysis // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2022. DOI: 10.1109/TAP.2022.3177485.

[10] Gao X., Tian G., Shou Z. et al. A low-profile broadband circularly polarized patch antenna based on characteristic mode analysis // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2021. V. 20. P. 214–218. DOI: 10.1109/LAWP.2020.3044320.

[11] Midya M., Bhattacharjee S., Mitra M. Pair of grounded L strips loaded broadband circularly polarised square slot antenna with en-hanced axial ratio bandwidth // Electronics Letters. 2018. V. 54. P. 917–918. DOI: 10.1049/el.2018.1096.

Аннотация

Для цитирования

Похожие статьи