Experimental Study of Antenna Patterns for On-board Antennas with Extremely Narrow Radiation Patterns
DOI:
https://doi.org/10.20535/RADAP.2022.90.5-12Keywords:
conformal antennas, longitudinal slit, partial dielectric loading, antennas with extremely narrow radiation patterns, excitation pinAbstract
The publication presents the results of an experimental study of antenna pattern (AP) for a slit cut in a rectangular waveguide with a cross section of 23 х 10 mm, which was excited by a pin in E- and H- planes at a frequency of 10 GHz. It was experimentally discovered that AP width in the E- plane was 84°. The AP level decreased to 20% in the directions ±90°. AP had a width of 54° in the H-plane. The AP level decreased to 5% in the directions ±90°. The experimental AP obtained in the E- and H- planes were consistent with the theoretically calculated ones, while the discrepancy did not exceed 7%. The publication includes as well the results of AP experimental study for a slit cut in a rectangular waveguide with a cross section of 23 х 10 mm, which was excited by a pin in E- and H- planes at a frequency of 7 GHz. Fluoroplastic plates (fluoroplast F4) were inserted into a rectangular waveguide near narrow walls, which sizes were: 79×10×2 mm (L×W×H) with a relative dielectric constant εr = 2. It was experimentally discovered that AP width was 72° in the E- plane, AP level decreased to 25% in the directions ±90°. For the H-plane 43°, AP level decreased to 7% in the directions ±90°. Partial loading with dielectric material when used in a rectangular waveguide makes it possible to reduce its geometrical sizes without changing the electrical ones.
The research results can be applied to design and develop on-board antennas with extremely narrow radiation patterns used for centimeter wavelength radio channels.
References
Перелік посилань
Nex F. UAV in the advent of the twenties: Where we stand and what is next / F. Nex, C. Armenakisb, M. Cramerc, D. A.Cuccid, M. Gerkee, E. Honkavaaraf, A. Kukkofg, C. Perselloa, J. Skaloudh // ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. — 2022. — Vol. 184. — PP. 215–242. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2021.12.006.
Zhao N. Antenna and Propagation Considerations for Amateur UAV Monitoring / N. Zhao, X. Yang, A. Ren, Z. Zhang, W. Zhao et al. // In IEEE Access. — 2018. — Vol. 6. — PP. 28001–28007. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2838062.
Sung J. Investigation of Antennas Integrated Into Disposable Unmanned Aerial Vehicles / J. Sung, S. Anshuman, S. Benito, B. David, M. Alan // IEEE Transactions on Vehicular Technology. — 2018. — Vol. 68, Iss. 1. — PP. 1–8. doi: 10.1109/TVT.2018.2882791.
Zhang Wei. Design of L-Shaped Open-Slot Antenna Used in UAV Airborne Communication System / Wei Zhang, Junfeng Yang // International Journal of Antennas and Propagation. — 2018. — Vol. 2018. — Article ID 6846193. doi: 10.1155/2018/6846193.
Faiyaz A. Recent Advances in Unmanned Aerial Vehicles: A Review / A. Faiyaz, J. C. Mohanta, A. Keshari, P. S. Yadav // Arabian Journal for Science and Engineering. — 2022. — Vol. 47. — PP. 7963–7984. https://doi.org/10.1007/s13369-022-06738-0.
Nunez J. Analysis of the operating conditions for UAV-based on-board antenna radiation pattern measurement systems/ J. Nunez, P. Orgeira-Crespo, C. Ulloa, I. García-Tunon // PLoS ONE. — 2021. Vol. 16, No. 2. — РР. 1–21. doi: 10.1371/journal.pone.0245004.
Kelechi A. H. The Recent Advancement in Unmanned Aerial Vehicle Tracking Antenna: A Review /A. H. Kelechi, M. H. Alsharif, D. A. Oluwole, P. Achimugu, O.Ubadike, et al. // Sensors. — 2021. — Vol. 21, No.16. — PP. 56–62. doi: 10.3390/s21165662.
Gray D. Structural slotted waveguide antennas for multirotor UAV radio altimeter /D. Gray, X. Xin, Y. Zhu, J. le Kernec // IEEE International Conference on Signal Processing, Communications and Computing (ICSPCC). — 2014. — PP.819–824. doi: 10.1109/ICSPCC.2014.6986311.
Zhang Z. Design of Multi-band Compatible Trigeminal Monopole Array Antenna for Unmanned Aerial Vehicle / Z. Zhang, B. Lin, Y. Huang, Ye He, H. Chen, M. Zheng, S. Wen // Journal of Physics: Conference Series. — 2021. — Vol. 2209. — PP. 1 – 4. doi:10.1088/1742-6596/2209/1/012019.
Nosrati M. Broadband Slotted Blade Dipole Antenna for Airborne UAV Applications/ M. Nosrati, A. Jafargholi, R. Pazoki and N. Tavassolian // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 2018. — Vol. 66, No. 8. — PP. 3857–3864. doi: 10.1109/TAP.2018.2835524.
Артюшин Л. М. Удосконалена методика розрахунку антени у вигляді відкритого кінця прямокутного хвилеводу з частковим діелектричним заповненням та штирем збудження / Л. М. Артюшин, Ю. О. Колос, Н. М. Каращук, Р. О. Авсієвич, Д. В. Коваль // Вісник НТУУ ''КПІ''. Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування. — Київ, 2020. — Вип. № 82. — С. 5–13. doi:10.20535/RADAP.2020.82.5-13.
Каращук Н. М. Методика розрахунку електродинамічних характеристик щілини довільних розмірів та положення, прорізаної в стінках прямокутного хвилеводу / Н. М. Каращук // Проблеми створення, випробування та застосування складних інформаційних систем: Збірник наукових праць. — Житомир, ЖВІ, 2016. — Вип. 13. — С. 73–84.
Каращук Н. М., Черкес О. П., Сидорчук О. Л. Дослідження залежності електродинамічних характеристик щілини, прорізаної у прямокутному хвилеводі, від зміни її розмірів та положення / Н. М. Каращук, О. П. Черкес, О. Л. Сидорчук // Вісник ЖДТУ. Технічні науки. — Житомир, 2017. — № 1 (79). — С. 63–74. doi.org/10.26642/tn-2017-1(79)-63-74.
Жакин А. И., Катрич В. А., Мартыненко С. А., Пшеничная С. В. Диаграмма направленности криволинейной щели в прямоугольном волноводе // Вісник Харків. нац. ун-ту. Радіофізика та електроніка. — 2002. — № 544. — С. 50–55.
Катрич В. А., Яцук Л. П., Носенко О. Н. Проводимости узкой нерегулярной щели в широкой стенке прямоугольного волновода // Вісник Харків. нац. ун-ту. Радіофізика та електроніка. — 2004. — № 646. — С. 150–154.
Катрич В. А. Возбуждение и излучение электромагнитных полей регулярных и нерегулярных волноводно-щелевых структур.: дис. д-ра. физ.-мат. наук: / В. А. Катрич // Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина. — Х.: 2005. — 535 c.
Каращук Н. М., Соболенко С. О., Григор’єв І. С. Експериментальне дослідження коефіцієнта стоячої хвилі за напругою прямокутного хвилеводу з поздовжньою щілиною за зміни її розмірів та довжини штиря збудження / Н. М. Каращук, С. О. Соболенко, І. С. Григор’єв // Вісник ВПІ. — 2022. — Вип. 2. — С. 108–113. https://doi.org/10.31649/1997-9266-2022-161-2-108-113.
Катрич В. О. Збудження та випромінювання електромагнітних полів регулярними і нерегулярними хвилевідно-щілинними структурами: автореф. дис. д-ра. фіз.-мат. наук: 01. 04. 03. / В. О. Катрич // Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна. — Х.: 2005. — 33 с.
Измеритель отношения напряжений В8-7. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. — 1984. — 99 с.
Генераторы сигналов высокочастотные Г4-111, Г4-111/а, Г4-111/б. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 3.260.080 ТО. — 1988. — 131 с.
Фторопласт Ф-4 листовий 6-05-810-88. ПП «Стандарт Комплект».
References
Nex, F., Armenakisb, C., Cramerc, M., et al. (2022). UAV in the advent of the twenties: Where we stand and what is next. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. 184, pp. 215–242. doi:10.1016/j.isprsjprs.2021.12.006.
Zhao, N., Yang, X., Ren, A., Zhang, Z., Zhao, W., et al. (2018). Antenna and Propagation Considerations for Amateur UAV Monitoring. In IEEE Access, Vol. 6, pp. 28001–28007. doi:10.1109/ACCESS.2018.2838062.
Sung, J., Anshuman, S., Benito, S., David, B., Alan, M. (2018). Investigation of Antennas Integrated Into Disposable Unmanned Aerial Vehicles. IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 68, Iss. 1, pp. 1–8. doi: 10.1109/TVT.2018.2882791.
Zhang, W., Yang, J. (2018). Design of L-Shaped Open-Slot Antenna Used in UAV Airborne Communication System. International Journal of Antennas and Propagation, Vol. 2018, Article ID 6846193. doi: 10.1155/2018/6846193.
Faiyaz, A., Mohanta, J. C., Keshari, A., Yadav, P. S. (2022). Recent Advances in Unmanned Aerial Vehicles: A Review. Arabian Journal for Science and Engineering, Vol. 4, pp. 7963–7984. doi:10.1007/s13369-022-66738-0.
Nunez, J., Orgeira-Crespo, P., Ulloa, C., García-Tunon, I. (2021). Analysis of the operating conditions for UAV-based on-board antenna radiation pattern measurement systems. PLoS ONE, Vol. 16, No. 2, pp. 1–21. doi: 10.1371/journal.pone.0245004.
Kelechi A. H., Alsharif, M. H., Oluwole, D. A., Achimugu, P., Ubadike, O., et al. (2021). Advancement in Unmanned Aerial Vehicle Tracking Antenna: A Review. Sensors, Vol. 21, Iss.16, pp. 56–62. doi: 10.3390/s21165662.
Gray D., Xin, X., Zhu, Y., Kernec, J. le (2014). Structural slotted waveguide antennas for multirotor UAV radio altimeter. IEEE International Conference on Signal Processing, Communications and Computing (ICSPCC), pp.819–824. doi: 10.1109/ICSPCC.2014.6986311.
Zhang, Z., et al (2021). Design of Multi-band Compatible Trigeminal Monopole Array Antenna for Unmanned Aerial Vehicle. Journal of Physics: Conference Series, Vol. 2209, pp. 1 – 4. doi:10.1088/1742-6596/2209/1/012019.
Nosrati, M., Jafargholi, A., Pazoki, R., Tavassolian, N. (2018). Broadband Slotted Blade Dipole Antenna for Airborne UAV Applications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 66, Iss. 8, pp. 3857–3864. doi: 10.1109/TAP. 2018.2835524.
Artiushyn L. M., Kolos Yu. O., Karashchuk N. M., Avsiievych R. O., Koval D. V. (2020). Improved Calculation Method of Antenna in a Form of Open End of a Rectangular Waveguide with Partial Dielectric Filling and an Excitation Pin. Visnyk NTUU "KPI".Seriia Radiotekhnika, Radioaparatobuduvannia, Kyiv, Vol. № 82. pp. 5–13. doi:10.20535/RADAP.2020.82.5-13.
Karashchuk N. M. (2016). Design procedure of electrodynamic characteristics of arbitrary sizes and position slot slitting in rectangular waveguide walls. Zbirnyk naukovykh prats, Zhytomyr, ZhVI, Vol. 13, pp. 73–84. [In Ukrainian].
Karashchuk N. M., Cherkes O. P., Sydorchuk O. L. (2017). Research of dependence of electrodynamic characteristics of the crack which have been cut in the rectangular wave guide, from change of its sizes and position. The Journal of Zhytomyr State Technological University. Engineering, Vol. 1(79), pp. 63–74. doi: 10.26642/tn-2017-1(79)-63-74.
Zhakyn A. Y., Katrych V. A., Martynenko S. A., Pshenychnaia S. V. (2002). Radiation pattern of a curved slot in a rectangular waveguide [Dyahramma napravlennosty kryvolyneinoi shchely v priamouholnom volnovode]. Visnyk Kharkiv. nats. un-tu. Radiofizyka ta elektronika, Iss. 544, pp. 50–55. [In Russian].
Katrych V. A., Yatsuk L. P., Nosenko O. N. (2004). Conductivity of a narrow irregular slot in a wide wall of a rectangular waveguide [Provodymosty uzkoi nerehuliarnoi shchely v shyrokoi stenke priamouholnoho volnovoda]. Visnyk Kharkiv. nats. un-tu. Radiofizyka ta elektronika, Iss. 646, pp. 150–154. [In Russian].
Katrych V. A. (2005). Excitation and radiation of the electromagnetic fields of regular and irregular waveguide-crack structures.: diss. of doct. of physical and mathematical sciences [Vozbuzhdenie i izluchenie elektromagnitnyh polej regulyarnyh i neregulyarnyh volnovodno-shchelevyh struktur]. Kharkov, The Kharkov national university of the name V. N. Karazyna, 535 p. [In Russian].
Karashchuk N. M., Sobolenko S. O., Grigoriev I. S. (2022). Experimental Research on VSWR of a Rectangular Waveguide with a Longitudinal Slot with a Change in its Dimentions and Excitation Pin Length. Visnyk VPI, Vol. 2, pp. 108–113. doi: 10.31649/1997-9266-2022-161-2-108-113. [In Ukrainian].
Katrych V. O. (2005). Excitation and radiation of the electromagnetic fields by regular and irregular wavy-slit structures: abstract of the thesis. dis. dr. fiz.-mat. Sciences: 01. 04. 03. [Zbudzhennia ta vyprominiuvannia elektromahnitnykh poliv rehuliarnymy i nerehuliarnymy khvylevidno-shchilynnymy strukturamy: avtoref. dys. d-ra. fiz.-mat. nauk: 01. 04. 03.]. Kharkivskyi natsionalnyi universytet imeni V. N. Karazina, 33 p. [In Ukrainian].
Voltage radio meter V8-7. Technical description and instruction manual [Izmeritel otnosheniya napryazheniy V8-7. Tehnicheskoe opisanie i instruktsiya po ekspluatatsii]. 1984, 99 p. [In Russian].
RF Signal Generators G4-111, G4-111/a, G4-111/b. Technical description and instruction manual 3.260.080 ТD [Generatoryi signalov vyisokochastotnyie Г4-111, Г4-111/а, Г4-111/б. Tehnicheskoe opisanie i instruktsiya po ekspluatatsii 3.260.080 ТО]. 1988, 131 p. [In Russian].
Ftoroplast F-4 sheet 6-05-810-88. PP «Standart Komplekt».
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Copyright (c) 2022 Каращук Наталія
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Authors who publish with this journal agree to the following terms:
- Authors retain copyright and grant the journal right of first publication with the work simultaneously licensed under a Creative Commons Attribution License that allows others to share the work with an acknowledgement of the work's authorship and initial publication in this journal.
- Authors are able to enter into separate, additional contractual arrangements for the non-exclusive distribution of the journal's published version of the work (e.g., post it to an institutional repository or publish it in a book), with an acknowledgement of its initial publication in this journal.
- Authors are permitted and encouraged to post their work online (e.g., in institutional repositories or on their website) prior to and during the submission process, as it can lead to productive exchanges, as well as earlier and greater citation of published work (See The Effect of Open Access).
