Механічно перелаштовувана антена з іонно-полімерним металевим композитом
Бічна панель сторінки статті
Основний зміст сторінки статті
Анотація
Розглядається актуальна задача створення антен для сучасних бездротових систем, здатних до роботи у різних частотних діапазонах. Зазвичай для перелаштування частоти використовують PIN-діоди, варактори або MEMS структури, однак ці методи мають суттєві обмеження: обмежений діапазон перелаштування, підвищене енергоспоживання, необхідність високої напруги або складність реалізації неперервного перелаштування. Однією з альтернатив є механічне перелаштування, зокрема із застосуванням розумних матеріалів. Деякі з них, наприклад, іонно-полімерні металеві композити (ІПМК) створюють великі переміщення за порівняно низьких керуючих напруг. Це дозволяє створювати енергоефективні та компактні пристрої. Запропоновано конструкцію фільтени — антени з інтегрованим фільтром на основі копланарної лінії передачі, у якій нижній електрод може відхилятися від основи. Ця частина виконує роль смугового фільтра, а його параметри визначають частотні властивості пристрою. Для перелаштування частоти використовується ІПМК-актюатор, який змінює положення додаткової діелектричної пластинки з металевими елементами над основною антеною. Переміщення пластинки збурює розподіл електромагнітного поля, внаслідок чого відбувається також зміна резонансної частоти. Конструкція дозволяє плавно змінювати кут нахилу рухомої пластинки, що забезпечує перелаштування частоти у широкому діапазоні, від 2,61 ГГц у нижньому положенні до 6,11 ГГц у верхньому положенні, що становить близько 130% від початкової частоти, а рівень відбивання залишається стабільним близько –25 дБ. При цьому для роботи актюатора достатньо прикладати напругу до 5 В. Вимірювання S-параметрів прототипа підтвердили ефективність запропонованої конструкції. В експериментальній установці ІПМК-актуатор був закріплений з одного боку, а з іншого – приєднаний до рухомої пластинки. Експериментальні вимірювання добре узгоджуються з результатами моделювання. Перевагами запропонованої конструкції є енергоефективність, широкий діапазон перелаштування робочої частоти та відсутність додаткових внесених втрат. Основними обмеженнями є відносно повільна реакція ІПМК (секунди) та необхідність замкненого контуру керування для точного позиціонування. Конструкція чутлива до механічних вібрацій, що слід враховувати при практичному застосуванні. Разом з тим, використання ІПМК-актюатора дозволяє уникнути використання високих напруг і складних електронних схем. Запропонована конструкція може бути використана для створення сучасних антен з розширеними функціональними можливостями.
Блок інформації про статтю
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
Посилання
S. E. Bayer Keskin, S. Koziel, and S. Szczepanski, “Frequency reconfigurable PIN diode-based Reuleaux-triangle-shaped monopole antenna for UWB/Ku band applications”, Scientific Reports, vol. 15, no. 1, Feb. 2025. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-91108-7
D. Bammidi and C. B. R. Kota, “Design and validation of frequency reconfigurable multiband antenna using varied current distribution method”, Measurement: Sensors, vol. 29, p. 100844, Oct. 2023. DOI: https://doi.org/10.1016/j.measen.2023.100844
A. A. Ibrahim, H. A. Mohamed, M. A. Abdelghany, and E. Tammam, “Flexible and frequency reconfigurable CPW-fed monopole antenna with frequency selective surface for IoT applications”, Scientific Reports, vol. 13, no. 1, May 2023. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34917-y
X. Fan, Y. Cheng, and Y. Yu, “Reconfigurable Bandstop and All-Pass Filter Using Varactor Diode”, in 2023 Asia-Pacific Microwave Conference (APMC), Taipei, Taiwan, 2023, pp. 240–242. DOI: https://doi.org/10.1109/APMC57107.2023.10439905.
C. E. Perez-Martinez, L. Martinez-Lopez, R. Martinez-Lopez, and J. I. Martinez-Lopez, “Reconfigurable CPW Band-Stop Filter Based on Loaded T-Shaped Defected Ground Structure”, IEEE Access, vol. 13, pp. 141897–141907, Jan. 2025. DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2025.3594721
S. A. Nordin, M. A. Hairuddin, Z. M. Yusoff, G. Prigent, and N. D. K. Ashar, “Wideband Tunable Filter of Dual-path Microstrip Coupled-Lines with Varactor Tuned Circuit”, Progress In Electromagnetics Research C, vol. 153, pp. 25–32, Jan. 2025. DOI: https://doi.org/10.2528/PIERC25010401.
U. Chae, H.-Y. Yu, C. Lee, and I.-J. Cho, “A Hybrid RF MEMS Switch Actuated by the Combination of Bidirectional Thermal Actuations and Electrostatic Holding”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 68, no. 8, pp. 3461–3470, Aug. 2020. DOI: https://doi.org/10.1109/TMTT.2020.3003553.
S. I. H. Shah, S. S. Shah, E. Bernharđsson, and S. Koziel, “Shape Memory Alloy-Based Fluidically Reconfigurable Metasurfaced Beam Steering Antenna”, IEEE Access, vol. 11, pp. 102271–102278, Jan. 2023. DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3315318.
S. J. Mazlouman, A. Mahanfar, C. Menon, and R. G. Vaughan, “A frequency tunable embedded normal-mode helix antenna for portable wireless devices”, in Proceedings of the 5th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), Rome, Italy, 2011, pp. 2230–2234.
P. J. Wolcott, Z. Wang, L. Zhang, and M. J. Dapino, “Radio frequency patch antenna reconfiguration with Ni–Ti shape memory alloy switches”, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, vol. 24, no. 8, pp. 973–983, Oct. 2012. DOI: https://doi.org/10.1177/1045389X12461074.
S. J. Mazlouman, A. Mahanfar, C. Menon, and R. G. Vaughan, “Square Ring Antenna With Reconfigurable Patch Using Shape Memory Alloy Actuation”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, no. 12, pp. 5627–5634, Dec. 2012. DOI: https://doi.org/10.1109/TAP.2012.2213053.
Y. Tang, C. Chen, Y. S. Ye, Z. Xue, X. Zhou, and X. Xie, “The enhanced actuation response of an ionic polymer–metal composite actuator based on sulfonated polyphenylsulfone”, Polym. Chem., vol. 5, no. 20, pp. 6097–6107, Jan. 2014. DOI: https://doi.org/10.1039/C4PY00663A.
J. H. Park, S. W. Lee, D. S. Song, and J. Y. Jho, “Highly Enhanced Force Generation of Ionic Polymer–Metal Composite Actuators via Thickness Manipulation”, ACS Applied Materials & Interfaces, vol. 7, no. 30, pp. 16659–16667, Jul. 2015. DOI: https://doi.org/10.1021/ACSAMI.5B04296.
Q. He, M. Yu, X. Zhang, and Z. Dai, “Electromechanical performance of an ionic polymer–metal composite actuator with hierarchical surface texture”, Smart Materials and Structures, vol. 22, no. 5, p. 055001, Mar. 2013. DOI: https://doi.org/10.1088/0964-1726/22/5/055001.
Y.-C. Lin, “An Ionic-Polymer-Metallic Composite Actuator for Reconfigurable Antennas in Mobile Devices”, Sensors, vol. 14, no. 1, pp. 834–847, Jan. 2014. DOI: https://doi.org/10.3390/s140100834.
A. Chernov, Y. Prokopenko, and G. A. E. Vandenbosch, “Continuously tunable band-stop filter based on coplanar waveguide with defected ground structure”, in 2017 IEEE 37th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), Kyiv, Ukraine, 2017, pp. 187–189. DOI: https://doi.org/10.1109/ELNANO.2017.7939745.
A. Chernov, V. Kazmirenko, Y. Prokopenko, and V. Guy A.E., “Micromechanical Tuning of Coplanar Waveguide Based Resonator”, in 2018 International Conference on Information and Telecommunication Technologies and Radio Electronics (UkrMiCo), Odessa, Ukraine, 2018, pp. 1–4. DOI: https://doi.org/10.1109/UkrMiCo43733.2018.9047563.
H. Nachouane, A. Najid, A. Tribak, and F. Riouch, “Reconfigurable and Tunable Filtenna for Cognitive LTE Femtocell Base Stations”, International Journal of Microwave Science and Technology, vol. 2016, pp. 1–10, Jun. 2016. DOI: https://doi.org/10.1155/2016/9460823.
A. Chernov, I. Golubeva, V. Kazmirenko, and Y. Prokopenko, “Micromechanically Tunable Slotline as Part of the Filter Based on the Coplanar Waveguide with Defected Ground Structure”, in 2022 IEEE 41st International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), Kyiv, Ukraine, 2022, pp. 155–159. DOI: https://doi.org/10.1109/ELNANO54667.2022.9927053.
W. Hong, “Influence of conductive network composite thickness and structure on performance of ionic polymer-metal composite transducer”, Graduate Theses and Dissertations. Iowa State University, 2013.
J. C. Rautio, “Measurement of uniaxial anisotropy in Rogers RO3010 substrate material”, in 2009 IEEE International Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronics Systems, Tel Aviv, Israel, 2009, pp. 1–4. DOI: https://doi.org/10.1109/COMCAS.2009.5386053
