Механічно перелаштовувана антена з іонно-полімерним металевим композитом

Artem Serhiyovych Chernov; Oleksii O. Malyshok; Victor Anatoliiovych Kazmirenko; Irina Petrivna Holubeva; Yuriy Vasylovych Prokopenko; Guy A. E. Vandenbosch

doi:10.20535/2523-4455.mea.343504

Т. 30 · № 3 · 2025 гру 24, 2025 Мікросистеми та фізична електроніка

Механічно перелаштовувана антена з іонно-полімерним металевим композитом

Artem Serhiyovych Chernov Відповідальний Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Україна

Oleksii O. Malyshok Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Україна

Victor Anatoliiovych Kazmirenko Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Україна

Irina Petrivna Holubeva Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Україна

Yuriy Vasylovych Prokopenko Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Україна

Guy A. E. Vandenbosch Католицький університет Льовену Бельгія

Сторінки343504.1-343504.6 Опублікованогру 24, 2025

PDF

ТОМ 30 · № 3 · 2025 Переглянути випуск

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.

Ключові слова

#структура з відхиленням електрода #фільтена #перелаштування частоти #актюатор ІМПК

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

Попередня у випуску Огляд газорозрядної гармати: фізичні основи, застосування та перспективи Наступна у випуску Метод кластеризації з використанням векторів кардинальних чисел

§ 06 — Пов'язані

Схожі статті в цьому журналі

Пов'язані рецензовані дослідження, опубліковані в цьому журналі.

Усі випуски

Модель генератора Маркса для генерації коронного розряду у повітрі

Andrii Viktorovych Melnyk, Oleh Mykolaiovych Bevza, Anatolii Ivanovych Kuzmichiev

У статті розглянуто роботу генератора Маркса з навантаженням у вигляді від'ємного коронного розряду в повітрі за атмосферного тиску та побудовано його електричну модель.…

#коронний розряд #генератор Маркса #висока напруга #іонізація

с. 324599.1-324599.8

10.20535/2523-4455.mea.324599

Взаємодія срібних наночастинок з підкладкою в умовах плазмонного резонансу

Yurii I. Mysiuk, Yurii B. Smachylo, Oleksandr V. Ilin, Tetiana Oleksandrivna Bulavinets, Iryna Y. Yaremchuk

Взаємодія між наночастинками металів і підкладками в умовах плазмонного резонансу відіграє вирішальну роль у різних оптичних застосуваннях. У цій роботі ми досліджуємо…

#наночастинки срібла #переріз екстинкції #підкладка #локалізований поверхневий плазмонний резонанс

с. 303929.1-303929.6

10.20535/2523-4455.mea.303929

Моделювання тліючого розряду в коаксіальній системі електродів

Olha Volodymyrivna Andriienko, Serhii Volodymyrovych Sydorenko, Serhii Oleksiiovych Maikut, Leonid Yuriiovych Tsybulskyi, Anatoly Ivanovich Kuzmichev

Виконано моделювання тліючого розряду в циліндричній коаксіальній системі з діелектричними торцями електродів в гідродинамічному дрейфово-дифузному наближенні. Параметри…

#тліючий розряд #дифузійні моделі #моделювання плазми

с. 309513.1-309513.7

10.20535/2523-4455.mea.309513

Статті цього автора (цих авторів), які найбільше читають

Artem Serhiyovych Chernov, Iryna Petrivna Golubeva, Victor Anatoliyovych Kazmirenko, Yuri Vasylovych Prokopenko, Перелаштовувана копланарна лінія , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 23 № 6 (2018)
Anton O. Voloshyn, Artem S. Chernov, Irina P. Holubeva, Victor A. Kazmirenko, Yuriy Vasylovych Prokopenko, Перелаштовуваний резонатор, як кінцеве навантаження мікросмужкової лінії , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 24 № 4 (2019)

Схожі статті

Valerij Kostyantynovych Bohushevych, Lidiya Mykolayivna Zamarenova, Hlib Mykhaylovych Kotov, Mykhailo Ivanovych Skipa, Прецизійні ультразвукові вимірювачі рівня рідини в закритих резервуарах , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 24 № 1 (2019)
Kostiantyn S. Mazur, Alina O. Serheieva, Dmytro D. Tatarchuk, Yuri V. Didenko, Керовані частотноселективні структури НВЧ на основі неоднорідної мікросмужкової лінії передачі , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 23 № 4 (2018)
Oksana Yuriivna Kutova, Tetyana Yuriivna Obukhova, Mykhailo Hryhorovych Dusheiko, Bogdan Oleksiyovych Loboda, Tetyana Ivanivna Borodinova, Serhii Viktorovych Tkach, Сенсори на польових та фототранзисторах з металевими наночастинками та пористим кремнієм , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 23 № 5 (2018)
Igor Yevheniiovych Korotyeyev, Аналіз частотних характеристик інвертуючого перетворювача , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 24 № 1 (2019)
Igor Yevheniiovych Korotyeyev, Marius Klytta, Аналіз процесу в просторі двох змінних , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 23 № 2 (2018)
Oleksandr Viktorovich Machulianskyi, Оптичні властивості наночастинок нікелю в системах зі статистично неоднорідною структурою , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 23 № 1 (2018)
Mykola Fedorovych Zhovnir, Вимірювальний перетворювач кутових переміщень з використанням фазових набігань електричного поля поверхневих акустичних хвиль , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 22 № 5 (2017)
Yaroslav Ivanovych Starovoit, Oleksandr Hryhorovych Leiko, Механічні поля циліндричного п’єзокерамічного випромінювача силової конструкції в присутності акустичного екрана , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 22 № 6 (2017)
Khaldon Araffa, Планування траєкторії антропоморфного крокуючого робота (Biped Robot) , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 24 № 2 (2019)
Yana Vjyatsheslavivna Kabushka, Anton Serhiiovych Zotko, Ivan Viktorovich Kandrachuk, Oleksii Volodymyrovych Korzhyk, Дальність виявлення малих повітряних об’єктів наземною системою шумопеленгування , Мікросистеми, Електроніка та Акустика: Том 23 № 5 (2018)

1-10 з 233 Наступне

Ви також можете розпочати розширений пошук схожих статей для цієї статті.

[1] 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

[2] 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

[3] 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

[4] 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 .

[5] 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

[6] 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 .

[7] 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 .

[8] 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 .

[9] 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.

[10] 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 .

[11] 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 .

[12] 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 .

[13] 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 .

[14] 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 .

[15] 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 .

[16] 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 .

[17] 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 .

[18] 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 .

[19] 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 .

[20] 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.

[21] 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