Синтез та моделювання планарної антенної решітки патч-антен для бездоротових засобів інформаційно-вимірювальних систем

Abstract

This paper presents the synthesis and modelling of a planar antenna array based on patch antennas for use in wireless information and measurement systems. Current trends in the development of microstrip patch antennas have been analyzed, their design variants examined, and approaches to miniaturisation and principles for forming antenna arrays for wireless information and measurement systems discussed. A single patch antenna element for an operating frequency of 2.4 GHz was synthesized and modeled. Requirements for the planar antenna array of wireless information and measurement systems are formulated, and key constraints related to the operating frequency range, efficiency, dimensions, and electromagnetic compatibility with other system components are identified. A variant of a compact planar antenna array is proposed, and a three-dimensional model of the patch element and its feeding structure has been developed. Numerical analysis was performed using ANSYS Student 2025. This paper presents the results of the design and modelling of an 8×8 patch antenna array with coaxial feeders, designed to operate at a frequency of 2.4 GHz. A high gain of 22.44 dBi was achieved, and a narrow-beam radiation pattern with minimal side lobes was formed, ensuring efficient signal transmission. Studies have shown an operating bandwidth of approximately 33 MHz and stable performance within this band. Proper impedance matching has been confirmed (reflection losses less than -10 dB), indicating high power transmission efficiency.

У роботі здійснено синтез та модельне дослідження планарної антенної решітки на основі патч-антен для застосування у бездротових засобах інформаційно-вимірювальних систем. Було аналізовано актуальні тенденції розвитку мікросмужкових патч-антен, розглянуто їх конструктивні варіанти, підходи до мініатюризації та принципи формування антенних решіток для бездоротових засобів інформаційно-вимірювальних систем. Синтезовано та модельно досліджено одиничний елемент патч-антени на робочу частоту 2,4 ГГц. Сформульовано вимоги до планарної антенної решітки бездротових засобів інформаційно-вимірювальних систем і визначено ключові обмеження, пов’язані з діапазоном робочих частот, ефективністю, габаритами та електромагнітною сумісністю з іншими вузлами засобів. Запропоновано варіант компактної планарної антенної решітки, розроблено тривимірну модель патч-елемента та структуру її живлення. Чисельне дослідження виконано із застосуванням ANSYS Student 2025. У статті представлено результати синтезу та моделювання планарної антенної решітки патч-антен із коаксіальними фідерами розмірністю 8×8 елементів, розрахованої для роботи на частоті 2,4 ГГц. Отримано високий коефіцієнт підсилення 22,44 дБі та сформовано гостроспрямовану діаграму випромінювання з мінімальними бічними пелюстками, що забезпечує ефективну передачу сигналу. Дослідження показали робочу смугу пропускання близько 33 МГц та стабільність характеристик у межах цієї смуги. Підтверджено належне узгодження імпедансу (втрати на відбиття менше -10 дБ), що свідчить про високу ефективність передачі потужності.