Просмотр статьи


Номер журнала: 2021.3

Заголовок статьи: Анализ возможности использования графена в конструкции единичных элементов отражательных решеток

Резюме

В конструкциях малых спутников (вес около 320 кг) для уменьшения массогабаритных характеристик в качестве развертываемых антенн широко применяются гибкие отражательные антенные решетки (ОАР). В структуре современных гибких отражательных антенных решеток в качестве проводящего материала используются металлы. Графен обладает уникальными свойствами, которые подходят для гибких антенных систем, – механическая устойчивость, низкая удельная масса и стоимость. В работе впервые рассмотрена возможность использования графена в качестве проводящего материала в конструкции единичных элементов отражательной антенной решетки ГГц-диапазона: микрополоскового элемента, микрополоскового элемента с кольцом и микрополоскового элемента с линией задержки. Минимальные значения амплитуды падающей волны и диапазон изменения фаз для каждого элемента составил -4.08 дБ и 327.6 градусов, -19.63 дБ и 684.73 градусов, -6.24 дБ и 526 градусов соответственно. Проведено сравнение полученных характеристик единичных элементов с аналогичными серебряными элементами. Сравнение характеристик с аналогами показало, что графеновые единичные элементы ОАР обладают удовлетворительными характеристики.

Авторы

А. Г. Черевко, Ю. В. Моргачев

Библиография

1. Chandra A. et al. Inflatable membrane antennas for small satellites // 2020 IEEE Aerospace Conference. 2020. P. 1–8.
2. Li H., Wang B. Z., Shao W. Novel Broadband Reflectarray Antenna with Compound-Cross-Loop Elements for Millimeter-wave Application // Journal of Electromagnetic Waves and Ap-plications. 2007. V. 21, № 10. P. 1333–1340.
3. Echo 1, 1A, 2 Quicklook. [Электронный ресурс]. URL: https://web.archive.org/web/
20100527211747/http:/samadhi.jpl.nasa.gov/msl/QuickLooks/echoQL.html (дата обращения: 20.09.2021).
4. Joseph H. Y. Antenna Arraying Techniques in the Deep Space Network. NJ: John Wiley & Sons. 2003. 163 p.
5. Dronadula R., Benaroya H. Hybrid lunar inflatable structure // Acta Astronautica. 2021. V. 179. P. 42–55.
6. Ruggiero E. J., Inman D. J. Gossamer Spacecraft: Recent Trends in Design, Analysis, Experi-mentation, and Control // Journal of Spacecraft and Rockets. 2006. V. 43, № 1. P. 10–24.
7. Santiago-Prowald J., Baier H. Advances in deployable structures and surfaces for large apertures in space // CEAS Space Journal. 2013. V. 5, № 3–4. P. 89–115.
8. Qi X. et al. Design and optimization of large deployable mechanism constructed by Myard linkages // CEAS Space Journal. 2013. V. 5, № 3–4. P. 147–155.
9. Maria A. et al. Reflectarray membrane study for deployable SAR antenna // 3rd European Conference on Antennas and Propagation, 2009.
10. Tahseen M. M., Kishk A. A. Flexible and Portable Textile-Reflectarray Backed by Frequency Selective Surface // IEEE Antennas and Wireless Prop. Let. 2018. V. 17, № 1. P. 46–49.
11. Carrasco E., Perruisseau-Carrier J. Reflectarray Antenna at Terahertz Using Graphene // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2013. V. 12. P. 253–256.
12. Черевко А. Г., Моргачев Ю. В. Моделирование плазмонного одиночного графенового отражательного модуля терагерцового диапазона // ИнтерЭкспо Гео-Сибирь XV Международный научный конгресс: сборник материалов в 9 Т. Новосибирск, 2019. Т. 9. С. 66–71.
13. Akbari M. et al. Fabrication and Characterization of Graphene Antenna for Low-Cost and Environmentally Friendly RFID Tags // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2016. V. 15. P. 1569–1572.
14. Scidà A. et al. Application of graphene-based flexible antennas in consumer electronic devices // Materials Today. 2018. V. 21, № 3. P. 223–230.
15. Wang W. et al. High-performance printable 2.4 GHz graphene-based antenna using water-transferring technology // Science and Technology of Advanced Materials. 2019. V. 20, № 1. P. 870–875.
16. Lamminen A. et al. Graphene-Flakes Printed Wideband Elliptical Dipole Antenna for Low-Cost Wireless Communications Applications // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2017. V. 16. P. 1883–1886.
17. Kumar J. et al. Graphene: A possible low-cost eco-friendly solution for antenna applications // IEEE Applied Electromagnetics Conference (AEMC), 2017.
18. Huang X. et al. Binder-free highly conductive graphene laminate for low cost printed radio frequency applications // Applied Physics Letters. 2015. V. 106 (20). 203105.
19. Wu W. W., Qu S. W., Zhang X. Q. Single-layer reflectarray with novel elements for wideband applications // Microwave and Optical Technology Letters. 2014. V. 56, № 4. P. 950–954.
20. Li H., Wang B. Z., Shao W. Novel Broadband Reflectarray Antenna with Compound-Cross-Loop Elements for Millimeter-wave Application // Journal of Electromagnetic Waves and Ap-plications. 2007. V. 21, № 10. P. 1333–1340.
21. Derafshi I., Komjani N., Mohammadirad M. A Single-Layer Broadband Reflectarray Antenna by Using Quasi-spiral Phase Delay Line // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2015. V. 14. P. 84–87.
22. Zhao J.J. et al. Design of a broadband reflectarray using meander-shaped elements // Microwave and Optical Technology Letters. 2011. V. 54, № 2. P. 500–503.
23. Payam N., Yang F., Elsherbeni A. Z. Reflectarray antennas: theory, designs, and applications. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc, 2018. 424 p.
24. Qotolo S. F., Hassani H. R., Naser-Moghadasi M. A novel broadband reflectarray antenna with lattice stubs on square element for Kuband application // Microwave and Optical Technology Letters. 2015. V. 57, № 11. P. 2699–2702.
25. Qin-Y. L., Yong-Chang J., Gang Z. A Novel Microstrip Rectangular-Patch/Ring- Combination Reflectarray Element and Its Application // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2009. V. 8. P. 1119–1122.
26. Long L. et al. Novel Broadband Planar Reflectarray with Parasitic Dipoles for Wireless Communication Applications // IEEE Antennas and Wireless Prop. Let. 2009. V. 8. P. 881–885.
27. Yoon J. H. et al Broadband Microstrip Reflectarray with Five Parallel Dipole Elements // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2015. V. 14. P. 1109–1112.
28. Tian C., Jiao Y.-C., Liang W.-L. A Broadband Reflectarray Using Phoenix Unit Cell // Progress in Electromagnetics Research Letters. 2014. V. 50. P. 67–72.
29. Xue F. et al. A broadband KU-band microstrip reflectarray antenna using single-layer fractal elements // Microwave and Optical Technology Letters. 2016. V. 58, № 3. P. 658–662.
30. Venneri F. et al. Aperture-Coupled Reflectarrays with Enhanced Bandwidth Features // Journal of Electromagnetic Waves and Applications. 2008. V. 22, № 11–12. P. 1527–1537.
31. Li R.H. et al. A Novel Element for Broadband Reflectarray Antennas // Journal of Electromag-netic Waves and Applications. 2011. V. 25, № 11–12. P. 1554–1563.
32. Henry D. et al. Long-Range Wireless Interrogation of Passive Humidity Sensors Using Van-Atta Cross-Polarization Effect and Different Beam Scanning Techniques // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2017. V. 65, № 12. P. 5345–5354.
33. Del Barrio S. C. et al. Screen‐printed silver‐ink antennas for frequency‐reconfigurable architectures in LTE phones // Electronics Letters. 2014. V. 50, № 23. P. 1665–1667.
34. Cherevko A. G. et al. Graphene Antenna on a Biodegradable Substrate for Frequency Range of Cellular Operators // XIV International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE), 2018.
35. Черевко А.Г. и др. Оценка критического радиуса изгиба графеновых антенн // Вестник СибГУТИ. 2019. № 4. С. 88–92.
36. Черевко А.Г. и др. Графеновая антенна на биоразлагаемой подложке для диапазона сотовых операторов // Труды XIV Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». Новосибирск. 2018. Т. 4. С. 103–105.
37. Черевко А. Г., Моргачев Ю. В. Особенности моделирования графеновых антенн терагерцового диапазона // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2017. Т. 8. С. 215–219.
38. Черевко А. Г., Моргачев Ю. В. Моделирование разворачиваемой экологической спиральной конической логарифмической графеновой антенны для спутниковой связи // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2020. Т. 8, № 2. С. 62–68.
39. Черевко А. Г., Моргачев Ю. В. Графеновая антенна на биоразлагаемой подложке для частотного диапазона GSM-1800 // Материалы Международной научно-технической конференции «INTERMATIC – 2018», 20 – 24 ноября 2018 г., Москва. С. 734–737.
40. Pan K. et al. Sustainable production of highly conductive multilayer graphene ink for wireless connectivity and IoT applications // Nature Communications. 2018. V. 9. № 1.
41. Fu W., Wang H., Zhang X. Generating dual-polarized orbital angular momentum radio beams with dual-bowtie cell // AIP Advances. 2019. V. 9. № 11. P. 115004.
42. Daud M. A. et al. Capacitive Loading Effect of Dual Element Reconfigurable Reflectarray Unit Cell // IEEE 14th Malaysia International Conference on Communication (MICC), 2019.
43. Ismail M. Y., Malik H. I., Mokhtar M. H. Performance Improvement of Reflectarray Antennas using Organic Substrate Materials // Journal of Physics: Conf. Ser. 2020. V. 1529. P. 032099.

Ключевые слова

отражательная антенная решетка, графен, гибкая электроника.

Скачать полный текст