АНТЕННІ СИСТЕМИ НА ОСНОВІ АНТЕННИХ РЕШІТОК, СУЧАСНІ ТЕНДЕНЦІЇ ВИКОРИСТАННЯ ТА НАПРЯМКИ РОЗВИТКУ

Анотація

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.01.112

Антенні решітки – це системи, які складаються з великої кількості антенних елементів, що дозво­ляють формувати, керувати та скеровувати промінь без фізичного руху антени. Основна концепція антенних решіток полягає у використанні групи окремих антен, кожний елемент якої може змінювати фазу або амплітуду сигналу, що випромінюється. Завдяки цьому з'являється можливість направленого випромінювання та керування кутом основної пелюстки діаграми спрямованості антенної системи. Використання антенних решіток поширене у багатьох сферах, таких як військові радари, супутниковий зв'язок, системи безпеки,  Інтернет речей та мобільні комунікації.

Метою даної роботи є аналіз можливостей використання антенних систем на основі антенних решіток та оцінка сучасних тенденцій і напрямів їхнього розвитку.

У статті розглядаються різні види та методи керування антенними решітками, порівнюються їхня ефективність та придатність для використання в різних сферах, зокрема й в системах безпілотних літальних апаратів. Приділяється увага типам антенних решіток, таким як лінійні та плоскі фазовані решітки, а також методам сканування — від цифрових методів до аналогових підходів. У статті також порівнюються методи керування фазою та амплітудою, які включають механічне, цифрове та адаптивне управління антенними решітками. Дані методи дають змогу забезпечити високоточне сканування без фізичного руху антени. Враховується, як ці методи впливають на енергоспоживання, швидкість переміщення сигналу та точність керування. Новизна статті полягає у глибокому порівнянні різних типів антенних решіток та методів керування ними з акцентом на їхнє застосування в умовах динамічного середовища, особливо характерного для безпілотних літальних апаратах. Пропонуються рішення для оптимізації конструкцій антенних решіток, які можуть бути використані у майбутніх системах безпілотних літальних апаратів для покращення якості зв'язку, підвищення точності позиціонування та скорочення часу реакції в умовах швидко змінюваних обставин.

ПОСИЛАННЯ

1. Sarath J. V., Bindu (Palakkal) P., Biju K. S., Rani L. Review of antennas used in FPV/WLAN applications. Acta Technica Corviniensis – Bulletin of Engineering. 2021. T. XIV. F. 1. Pp. 29–40.

2. Meng S., Su X., Wen Z., Dai X., Zhou Y., Yang W. Robust drones formation control in 5G-wireless sensor network using mm-wave. Hindawi Wireless Communications and Mobile 2018. May. 7 pp. https://doi.org/10.1155/2018/5253840

3. Oliveira M. T., Miranda R. K.,  Costa J. P. C. L., Almeida A. L. F., Sousa R. T. Jr. Low-cost antenna array based drone tracking device for outdoor environments. Hindawi wireless communications and mobile computing. 2019. 14 pp. https://doi.org/10.1155/2019/5437908

4. Moschetti Increasing drone video down link reliability using phased array technology. Colorado school of mines. Thesis. Golden, Colorado. 2020. 86 p.

5. Kumar A. Drone-based antenna array for service time minimization in wireless networks. JETIR. 2019. April. 6. Is. 4. Р. 629–637.

6. Xiao Z., Han Z., Arumugam N., Dobre O. A., Clerckx B., Choi J., He C., Tong W. Antenna array enabled space/air/ground communications and networking for 6G. IEEE journal on selected areas in Communications. October 2022. Vol. 40. Is. 10. Р. 2773–2804. https://doi.org/10.1109/JSAC.2022.3196320 

7. Лебідь Є. В., Лазута Р. Р., Коваль О. М. Оцінка ефективності застосування адаптивних антенних решіток у системах радіозв’язку в умовах активної радіоелектронної боротьби. Збірник наукових праць ВІТІ. 2020. № C. 46–57.

8. Morcelles K., Malatest Сomparing SDRS for aerospace and defense electronics. Microwave Journal, e – book. April 2024. P. 4–9. URL: https://www.microwavejournal.com/articles/41210 - comparing - sdrs - for - aerospace - and - defense - electronics (Last accessed: 17.02.2025).

9. Tran H. H., Nguyen T., Ta H. N., Pham D. Ph. Metasurface-based MIMO antenna with compact, wideband, and high isolation characteristics for sub - 6 GHz, 5G applications. IEEE transactions and journals. 2023. Vol. 11. 2023. P. 1–8. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/10172201 (Last accessed: 12.01.2025). https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3292303

10. Ioannis P. Theoharis advanced antenna system for 5G-enabled cubesats. University of Wollongong. Thesis. 2023. August. 195 p.

11. Ullah R., Ullah S., Kamal B., Faisal F., Ullah R., Choi D., Ahmad A. High-gain vivaldi antenna with wide bandwidth characteristics for 5G mobile and Ku-band radar applications. Electronics.  14 p. URL: https://www.mdpi.com/2079-9292/10/6/667 (Last accessed: 12.02.2025). https://doi.org/10.3390/electronics10060667

12. Naqvi S. I., Hussain N. Antennas for 5G and 6G communications. Chapter in book: 5G and 6G Enhanced Broadband Communications. July 2022. 24p. URL: https://www.mdpi.com/2079-9292/10/6/667 (Last accessed on February 12, 2025).

13. Wang Z., Dong Y. Compact MIMO-antenna using stepped impedance resonator-based metasurface for 5G and Wi-Fi applications. Microw. Opt. Technol. Lett. Jan. 2021. Vol. 63. No.1. P. 211–216. https://doi.org/10.1002/mop.32560

14. Khan M. S. , Shafique M. F., Capobianco  -D.,  Autizi E.,  Shoaib  I.  Compact  UWB - MIMO antenna array with a novel decoupling structure. 10-th international Bhurban conference on applied sciences and technology. Islamabad, Pakistan. 15-th – 19-th January 2013. P. 347–350. https://doi.org/10.1109/IBCAST.2013.6512176

15. Desai A., Bui C. D., Patel J., Upadhyaya T., Byun G., Nguyen T. K. Compact wideband four-element optically transparent MIMO antenna for mm - wave 5G applications. IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 194206–194217. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3033314

16. Kishore N., Senapati A. 5G smart antenna for IoT application: A review. International journal of communication systems. 2018. Vol. 35, Issue 13. 16 p. https://doi.org/10.1002/dac.5241

17. Raad H. An UWB antenna array for flexible IoT wireless systems. Progress in electromagnetics research. 2018. 162. P. 109–121. https://doi.org/10.2528/PIER18060804

18. Tubbal F., Matekovits L., Raad Antenna designs for 5G/IoT and space applications. Electronics. 2022. Vol.11, 2484. 4p. https://doi.org/10.3390/electronics11162484

19. Arnaoutoglou G., Empliouk T. M., Kaifas  T. N. F., Chryssomallis M. T., Kyriacou G. A review of multifunctional antenna designs for internet of things. Electronics. 2024. Vol. 13.3200. 33 p. https://doi.org/10.3390/electronics13163200

20. Maral G., Bousquet M., Sun Z. Satellite communications systems. 6-th edition. 2020. P. 325–569 https://doi.org/10.1002/9781119673811

21. Natera A. S. New antenna array architectures for satellite communications. Chapter in book: Advances in satellite communications. 2011. P. 168–194.

22. Rogstad D. H., Mileant A., Pham T. T. Antenna arraying techniques in the deep space network. Monograph 5: deep space communications and navigation series. 2003. January. 163 p. https://doi.org/10.1002/047172131X

23. Josefsson L., Rengarajan R. Slotted waveguide array antennas. Theory, analysis and design. The institution of engineering and technology. 2018. 351pp. https://doi.org/10.1049/SBEW517E

24. Воскресенский Д. И., Гостюхин В. Л., Максимов В. М. , Пономарев Л. И. Устройства СВЧ и антенны. Радио и связь. Москва. 1994. 376 с.

25. Monzingo R. A., Miller T. W. Introduction to adaptive arrays. SciTech Publishing, Inc. Raleigh, NC 27613. 2004. 552 p.

26. Manu O., Dimian M., Graur A. Analysis of beamforming in phased antenna arrays. 10-th International conference on development and application systems. Suceava, Romania. May 27–29, 2010. P. 294–298.

27. Hopkins G. D., Ratner J., Traille A., Tripp V. Aperture efficiency of amplitude weighting distributions for array antennas. Conference paper in IEEE aerospace conference proceedings. April 2007. 9 p. URL: https://www.researchgate.net/publication/224698919_Aperture_Efficiency_of_Amplitude_Weighting_Distributions_for_Array_Antennas (Last acces­sed: 02.03.2025). https://doi.org/10.1109/AERO.2007.352856

28. Гостюхин В. Л., Трусов В. Н., Гостюхин А. В. Активные фазированные решетки. 3-е издание. Издание «Радиотехника». Москва. 2011. 304 с.

29. Sun X., Blázquez – García R., García – Tejero A., Fernández – González J. M., Burgos – García M., Sierra – Castañer M. Circular array antenna for UAV-UAV сommunications. 11-th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP). March 2017. 4p. https://doi.org/10.23919/EuCAP.2017.7928819

30. Wnuk M. Application of the Vivaldi antenna in a linear antenna array for radar systems. Scientific journal of Gdynia maritime university. 2024. No. 132. 35–56. https://doi.org/10.26408/132.03

31. Hanna S., Yan H., Cabric D. Distributed UAV placement optimization for cooperative line - of - sight MIMO communications. IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP). 12 – 17 May 2019. 5 pp. https://doi.org/10.1109/ICASSP.2019.8683875

32. Duan Z., Yang X., Xu Q., Wang L. Time-division multi array beamforming for UAV communication. Wireless communications and mobile computing. April 2022. 13 p. https://doi.org/10.1155/2022/4089931

33. Фомін П., Думін О., Плахтій В., Нестеренко М. Надширокосмугові антенні решітки на випромі­нювачах Клевіна. Вісник Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна. Серія «Радіофізика та електроніка». 2023. Випуск 38. С. 65–73.