Green’s Functions of Multi-layered Cylindrical Structures for Electromagnetic Radiation, Propagation and Scattering Problems Solution

Показано применение аппарата функций Грина многослойных магнито-диэлектрических структур к решению задач излучения, распространения и дифракции электромагнитных волн. В качестве источников электромагнитного поля рассматриваются произвольно ориентированные сторонние электрические и магнитные токи. Для описания слоистой радиальной структуры применен метод эквивалентных электрических цепей. Для моделирования слоев и границ областей используются матрицы передачи и эквивалентные нагрузки. Модальные напряжения и токи в эквивалентных цепях ассоциируются со спектральными составляющими электромагнитного поля. Предложенный подход позволяет конструировать универсальные алгоритмы для задач распространения волн в направляющих структурах, излучения печатных и щелевых антенн, расположенных на проводящем цилиндре с укрытиями, решать задачи дифракции электромагнитных волн с произвольным числом слоев. При этом материалы слоев могут иметь произвольные значения диэлектрической и магнитной проницаемости, учитываются потери в материале. При моделировании могут рассматриваться материалы как с положительным, так и с отрицательным коэффициентом рефракции. Предложенный подход был использован для решения задач электромагнитного возбуждения структур с метаматериалами.The method of Green’s functions of layered cylindrical magnetodielectric structures is applied to solution of radiation, propagation and scattering problems. Excitation of electromagnetic field is provided by arbitrary distribution of impressed electric and magnetic currents. The model of equivalent circuits is used for description of layered structure. Transmission matrices and various kinds of loads are used for modelling layered structure and boundaries. Equivalent voltages and currents in modelling circuits are associated with spectral field components. Suggested method allows to construct universal algorithms for wave propagation, patch and slot antennas radiation and scattering problems with any number of layers made of materials of arbitrary permittivity and permeability. Positive and negative refraction index of materials may be taken into account. Suggested technique has been successfully applied to radiating structures made of metamaterials commonly used in electromagnetic designs

Influence of the cylindrical luneburg lens discretizayion on its antenna radiation properties

Исследуемая цилиндрическая линза Люнеберга представляет собой радиально неоднородную слоистую структуру. Исследуется влияние количества слоев дискретизации линзы на ее характеристики излучения. Рассмотрено четыре способа дискретизации линзы, для каждого из которых получены зависимости КНД от количества слоев, а также построены диаграммы направленности для варианта линзы из трех слоев и внешнего радиуса 3λ. Для расчета диаграмм направленности и КНД использовалась математическая модель, созданная на основе аппарата тензорных функций Грина стратифицированных сред в цилиндрической системе координат. Определен оптимальный способ выбора закона изменения толщины и диэлектрической проницаемости слоев.The cylindrical Luneburg lens under analysis has a radially unhomogeneous layered structure. The influence of the number of layers on lens antenna radiation properties is investigated. Four ways lenses discretization is considered. For each way antenna directivity is analyzed. Radiation patterns of three-layer Luneburg lens and 3-wavelength outer radius are shown. To calculate radiation patterns and antenna directivity a model based on Green’s functions of cylindrical layered structure was used. The optimal method of cylindrical Luneburg lens layer’s permittivity and thickness choice is suggested.Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №14-19-01396)

Green's function application to photonic crystal waveguides analysis

The paper considers application of the Green's tensor functions to analysis of the multilayer magneto-dielectric structures in relation to photonic crystals of the microwave range. The solution of the problem of electromagnetic wave propagation in rectangular and flat waveguides, as well as in unlimited space is presented. Efficiency of application of the Green's functions to calculation of transmission coefficients through the regular and perturbed structure of a photonic crystal is shown. It was proposed to solve the problem of diffraction of electromagnetic waves by the layered structures as the problem of equivalent electric and magnetic currents radiation. These currents are determined on the illuminated layered media surface by the Equivalence Theorem. The magnitude of the current is related to the electric field intensity, and, also, the direction of the incident wave is defined by the current phase distribution. The radiation of the equivalent currents behind the layered structure is considered as a transmitted wave. Radiation of these currents in the same region is treated as a reflected wave. So, transmission and reflection coefficients are defined. Application of this approach to analysis of the periodic structures of the photonic crystals is shown in this paper. © 2020 American Institute of Physics Inc.. All rights reserved.This work was supported by the Grant of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (project no 8.2538.2017/4.6)

Radiation Patterns of Patch Antennas on Coated Conducting Cylinders

The development of the Internet of Things and communication systems of the fifth generation leads to the need to place many antenna elements in a limited volume. Therefore, wearable electronics antennas are often located directly on the device body. Such surfaces can often be thought of as a conducting cylinder covered with a dielectric material. The task of analysing the radiation patterns of antennas located on such surfaces becomes urgent. This paper shows a method for analysing antenna directivity diagrams using the Green's functions method of cylindrical layered media. This method allows to obtain in an analytical form the expressions for the analysis of such structures, which makes it possible to reduce the cost of computer time in modelling. The presented results show what kind of distortions are introduced into the radiation pattern of antennas located on a cylinder compared to an antenna located on a flat surface. © 2021 Institute of Physics Publishing. All rights reserved.The research was executed by the Grant of the Ministry of science and higher education of the Russian Federation (Project N 0836–2020–0020)

Влияние радиуса идеально проводящего цилиндра на диаграмму направленности расположенной на нем патч-антенны

In this paper, we consider the change in the directional pattern of a microstrip patch antenna located on a perfectly conducting plane and a cylinder covered with a dielectric layer. The mathematical apparatus of the Green’s tensor functions for flat and cylindrical layered metaldielectric structures is used to calculate field characteristics. The obtained results are of special interest in the design of conformal single radiators and antenna arrays located on curved surfaces that can be approximated by a cylinder, for example, the fuselage of small-sized aircraft or supports for the installation of antenna systems. It is demonstrated that the curvature of the base surface for a single element has little effect on the radiation pattern within the width of the main lobe; nevertheless, the increase in the radius of the used cylinder influences the level of the back lobe significantly. Chechetkin V. A., Shabunin S. N., Korotkov A. N. Influence of the radius of a perfectly conducting cylinder on the radiation pattern of a patch antenna. Ural Radio Engineering Journal. 2022;6(1):54–66. (In Russ.) DOI: 10.15826/urej.2022.6.1.002. В работе рассматривается влияние кривизны проводящей поверхности со слоем диэлектрика, на которой расположена микрополосковая патч-антенна, на ее диаграмму направленности. Для расчета полевых характеристик используется математический аппарат тензорных функций Грина для плоских и цилиндрических слоистых металло-диэлектрических структур. Полученные результаты представляют интерес при проектировании конформных одиночных излучателей и антенных решеток, расположенных на криволинейных поверхностях, которые возможно аппроксимировать цилиндром, например фюзеляж малогабаритных летательных аппаратов или опоры для установки антенных систем. Показано, что кривизна поверхности основания для одиночного элемента слабо влияет на диаграмму направленности в пределах ширины главного лепестка, тем не менее увеличение радиуса используемого цилиндра значительно влияет на уровень заднего лепестка. Чечеткин В. А., Шабунин С. Н., Коротков А. Н. Влияние радиуса идеально проводящего цилиндра на диаграмму направленности расположенной на нем патч-антенны. Ural Radio Engineering Journal. 2022;6(1):54–66. DOI: 10.15826/urej.2022.6.1.002.

Creative laboratory works on disciplene «Microwaves and antennas»

Представлены лабораторные работы по высокочастотной схемотехнике «Проектирование полосно-пропускающего микрополоскового фильтра» и «Согласование нагрузки с линией питания» дисциплины «Устройства СВЧ и антенны» направления подготовки «Радиотехника». Методика выполнения работ предусматривает расчет, изготовление и измерение характеристик разработанных устройств.Laboratory works on microwave design discipline "Microwaves and antennas" devoted to the analysis of microstrip filters and matching are presented. The technique of suggested works is based on microwave calculations, design and measurement of characteristics of developed devices

Radar with Increased Angular Resolution of Objects in Wide-Angle Scanning

Поступила : 01.11.2020. Принята в печать : 23.11.2020.Received: 01.11.2020. Accepted: 23.11.2020.Рассматриваются и сравниваются параметры антенных систем радиолокаторов, построенных по традиционной схеме с фазовращателями как в антенной решетке передатчика, так и в антенной решетке приемника с радиолокатором, в котором обработка сигнала выполняется только на приемной стороне. Во втором случае на излучающую систему передатчика накладывается дополнительное требование ортогональности излучаемых сигналов. Сравниваются характеристики радиолокатора с тремя передающими антеннами и четырьмя приемными. Рассматриваются два варианта формирования виртуальной антенной системы. В первом случае анализируется излучение линейной регулярной антенной решетки, во втором – прореженной, но с тем же числом излучателей. Показано, что во втором случае можно реализовать радар с лучшим угловым разрешением. Рассмотрены особенности применения радаров в качестве сенсоров систем безопасности автомобиля с широкоугольным обзором. Отмечена возможность ложного захвата цели. Предложен способ однозначной пеленгации.The parameters of radar antenna systems constructed according to the traditional scheme with phase shifters inserted both in the transmitting and receiving antenna array with the radar in which signal processing is performed only on the receiving side are considered and compared in the paper. In the second case, an additional requirement of orthogonality of the radiated signals is imposed on the radiating system of the transmitter. The characteristics of the radar with three transmitters and four receivers are compared. Two variants of forming a virtual antenna array are considered. In the first case, the radiation of the linear regular antenna array is analyzed, in the second case the thinned one, but with the same number of emitters. We demonstrate that in the second case, it is possible to implement the radar with a better angular resolution. The features of using the radar as a short-range radar for vehicle security systems with a wide-angle view are elaborated. The possibility of false capture of the target is noted. The authors of the research suggest the unambiguous direction finding method.Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках соглашения № 075-11-2019-052 от 13.12.2019 с Научно-производственным объединением автоматики имени академика Н.А. Семихатова (АО «НПО автоматики») по комплексному проекту «Создание высокотехнологичного производства высокочастотного радара, предназначенного для использования в составе интеллектуальных систем помощи водителю, систем автоматического управления беспилотных транспортных средств и систем интеллектуального земледелия» при участии ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (ФГАОУ ВО «УрФУ») в части выполнения научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ.This work was financially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation under agreement No. 075-11-2019-052 dated December 13, 2019 with the Scientific and Production Association of automatics named after academician N.A.Semikhatov in the complex project “Creation of a high-tech production of a high-frequency radar intended to be used as a part of intelligent driver assistance systems, automatic control systems for unmanned vehicles and intelligent farming systems” with the participation of the Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin in terms of the implementation of research, development and technological work

Компактная периодическая микрополосковая антенна вытекающей волны с периодически установленными короткозамыкателями и способностью сканировать в прямом и обратном направлениях

Поступила: 24.01.2022. Принята в печать: 15.03.2022.Received: 24.01.2022. Accepted: 15.03.2022.Compact size, elliptical polarization, a low-sidelobe-level microstrip leakywave antenna with short pins on one side of the sheet is described in the paper. The suggested antenna consists of 7 sheets that are periodically put on the antenna structure, with one of the edges of the sheet being incorporated with short-circuit pins. The proposed antenna has effective decrease in antenna size good scan capability, and reduction in sidelobe level In comparison with another types of antennas. A set of simple and effective equations is used to determine the operating range of the antenna. As elucidated by simulation results, the scanning process is carried out from 11° to –15°, at the rate of 26% as the frequency changes from 22.8 GHz to 27.8 GHz.В статье описана компактная микрополосковая антенна вытекающей волны с излучающими элементами, имеющими с одной стороны короткозамыкатели, формирующая поле эллиптической поляризации с низким уровнем боковых лепестков. Предложенная антенна состоит из 7 прямоугольных печатных излучателей, последовательно возбуждаемых микрополосковой линией, каждый из которых замкнут с одной стороны проводящими штырями с экраном. По сравнению с другими антеннами, предложенная имеет меньшие размеры, хорошую способность частотного сканирования и уменьшенный уровень боковых лепестков. Для определения рабочего диапазона использованы достаточно простые выражения. Как показано в результате моделирования в среде Ansys HFSS, сканирование обеспечивается в диапазоне углов от 11 до –15 градусов при изменении частоты на 26 % от 22,8 до 27,8 ГГц.The research is executed by the grant of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Project No. 0836-2020-0020).Исследование выполнено в рамках гранта Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № 0836-2020-0020)

Анализ антенны вытекающей волны на основе частично заполненного прямоугольного волновода

A leaky-wave antenna based on the partially-filled rectangular waveguide with transverse slots is investigated. Using tensor Green’s functions for antenna radiation analysis is suggested. A transcendental equation for a complex wavenumber obtained by matching magnetic fields inside and outside the waveguide is presented. Plots of velocity factor dependencies on waveguide filling parameters are shown. An influence of dielectric layer position on the antenna performances is investigated. Radiation pattern is estimated.Исследована антенна вытекающей волны на основе частично заполненного диэлектриком прямоугольного волновода с поперечными щелями. Предложено применение тензорных функций Грина для анализа излучения антенны. Приведено трансцендентное уравнение для определения комплексной постоянной распространения волны, полученное сопоставлением магнитного поля внутри и снаружи щели. Представлены зависимости коэффициента замедления от параметров заполнения волновода диэлектриком. Исследовано влияние положения диэлектрика внутри волновода на характеристики антенны. Проанализирована диаграмма направленности антенны