Analysis of the influence of polymer coatings on the frequency range of antenna-feeder devices

Mikhail A. Romachenko; Ромащенко Михаил Александрович; Dmitriy V. Vasil’chenko; Васильченко Дмитрий Владимирович; Evgeniy A. Ishchenko; Ищенко Евгений Алексеевич; Sergey N. Parshin; Паршин Сергей Николаевич; Gleb P. Zolkin; Золкин Глеб Павлович

doi:10.36622/1729-6501.2025.21.4.018

Analysis of the influence of polymer coatings on the frequency range of antenna-feeder devices

Authors: Romachenko M.A.¹, Vasil’chenko D.V.¹, Ishchenko E.A.¹, Parshin S.N.¹, Zolkin G.P.¹
Affiliations:
1. Voronezh State Technical University
Issue: Vol 21, No 4 (2025): Bulletin of Voronezh State Technical University
Pages: 122-128
Section: Radio engineering and communication
URL: https://ogarev-online.ru/1729-6501/article/view/362461
DOI: https://doi.org/10.36622/1729-6501.2025.21.4.018
ID: 362461

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

The study addresses the features of using antenna-feeder devices (AFDs) with polymer coatings on unmanned aerial vehicles. The influence of polymer coatings on the electrodynamic characteristics of antenna-feeder devices operating in the frequency ranges of 915 MHz and 1200 MHz was investigated. Experimental measurements were carried out to assess the impact of polymer coatings made of glycol-modified polyethylene terephthalate (PETG), high-impact polystyrene (HIPS), polylactic acid (PLA), and acrylonitrile butadiene styrene (ABS). The dependencies of the resonant frequencies and reflection coefficients were determined. It was found that an increase in dielectric permittivity leads to a decrease in the resonant frequency and an increase in the reflection coefficient. The radiation efficiency is determined by the interaction of dielectric losses and the geometrical parameters of the polymer coatings. In the 915 MHz frequency range, the stability of the parameters is ensured by polymer coatings made of high-impact polystyrene (HIPS). The application of glycol-modified polyethylene terephthalate (PETG) coatings causes a shift in the resonant frequency of the antenna-feeder device. At 1200 MHz, stable matching is provided by polymer coatings made of high-impact polystyrene (HIPS) and white polylactic acid (PLA). The use of glycol-modified polyethylene terephthalate (PETG) results in increased reflection and a growth in the VSWR parameter. The obtained results can be applied in the design of antenna-feeder devices, taking into account the influence of the dielectric properties of polymer coatings.

Keywords

additive technology, polymer coating, standing wave ratio, antenna-feeder device

Full Text

Введение

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) нашли применение в гражданском секторе для выполнения широкого спектра задач — от мониторинга сельскохозяйственных угодий и инспекции инфраструктурных объектов до контроля состояния транспортных дорог. Одним из основных технических требований к таким системам является обеспечение надёжной радиосвязи с учетом особенностей используемых приёмо-передающих антенно-фидерных устройств (АФУ). Размещение АФУ должно обеспечивать надёжное электромагнитное согласование с элементами конструкции, а также устойчивость к воздействию внешней среды. При этом БПЛА характеризуются ограниченным внутренним объёмом, общими цепями питания и заземления, что усложняет компоновку радиоэлектронных модулей. Также при размещении АФУ необходимо учитывать конструктивные ограничения, включая место размещения и материал окружающих элементов [1, 2].

Постановка задачи

Для изготовления рам БПЛА применяют композитный материал Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP). Данный материал обеспечивает высокую удельную прочность при относительно небольшой массе. Однако из-за электропроводной структуры в нем возникают наведённые поверхностные токи, приводящие к искажению диаграмм направленности и ухудшению радиотехнических характеристик АФУ. Для минимизации паразитных эффектов АФУ помещаются в изолирующие материалы, препятствующие их взаимодействию с токопроводящими элементами. Полимерное покрытие предотвращает непосредственный контакт антенны с токопроводящей конструкцией, а также позволяет обеспечить защиту от механических воздействий, вибрационных нагрузок и иных внешних факторов. Одновременно такое покрытие фиксирует положение антенны, исключая её смещение в процессе эксплуатации.

Механические свойства покрытия, получаемого с помощью аддитивных технологий, зависят от используемого материала и могут различаться в зависимости от производителя, цвета, партии и даже катушки в рамках одной партии. При этом количество примесей и микроструктурные особенности материала покрытия также могут отличаться, что дополнительно влияет на его диэлектрические свойства [3].

При использовании для антенны полимерного покрытия эффективная диэлектрическая проницаемость окружающей среды ( ) возрастает, что приводит к снижению скорости распространения электромагнитной волны ( ), где с — скорость распространения света в вакууме. Соответственно, уменьшается значение длины волны в среде: , где — длина волны в вакууме. В результате чего из-за дополнительной ёмкостной нагрузки резонансная частота антенны смещается в область меньших частот. Для антенны с диэлектрическим покрытием и без него для вычисления резонансной частоты используется выражение [4]:

где — эффективная длина антенны. Таким образом, увеличение приводит к снижению резонансной частоты на фактор по сравнению со значением без полимерного покрытия.

Диэлектрическое покрытие изменяет входной импеданс антенны , воздействуя как на активную, так и на реактивную его составляющую. В общем случае определяется как , зависит от геометрии антенны и окружающей среды. Наличие слоя с высоким уровнем диэлектрической проницаемости окружающей среды увеличивает ёмкостную нагрузку, что изменяет реактивную составляющую и смещает резонансное состояние (условие ). В этом случае коэффициент отражения рассчитывается на основе волнового сопротивления линии передачи и волнового сопротивления нагрузки следующим образом [5]:

где — волновое сопротивление свободного пространства.

Если предположить, что среды 1 и 2 (диэлектрики) имеют одинаковую величину относительной магнитной проницаемости, то коэффициент отражения на первой границе можно рассчитать по уравнению [6]:

Наличие диэлектрического покрытия изменяет входное сопротивление антенны, что приводит к изменению входного коэффициента отражения . Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) связан с величиной коэффициента отражения Γ соотношением [5]:

Увеличение модуля коэффициента отражения приводит к ухудшению параметра , где часть электромагнитной волны рассеивается в покрытии, что снижает коэффициент полезного действия η и коэффициент усиления АФУ в направлении G (θ, φ).

Таким образом, следует определить степень влияния полимерного покрытия на электродинамические характеристики АФУ, включая коэффициент отражения , резонансную частоту и форму диаграммы направленности. При этом степень влияния покрытия на антенну определяется диэлектрическими параметрами материала (относительной диэлектрической проницаемости , тангенс угла диэлектрических потерь tan δ), а также толщиной покрытия, его формой, однородностью структуры и наличием примесей.

Методы решения и результаты

Для оценки влияния полимерных покрытий был проведён эксперимент с использованием антенн дипольного типа, рассчитанных на работу в диапазонах частот 915 МГц и 1200 МГц. Длина каждого плеча дипольной антенны для диапазона 915 МГц составляет 82 мм, общая длина — 164 мм. Для диапазона 1200 МГц длина плеча составляет 62,5 мм, общая длина антенны — 125 мм. В качестве материала для полимерных покрытий были использованы: гликоль модифицированный полиэтилентерефталат (PETG), ударопрочный полистирол (HIPS), полилактид (PLA) и акрилонитрилбутадиенстирол (ABS). Полимерные покрытия были выполнены в форме цилиндра с толщиной стенки 1,5 мм и высотой, обеспечивающей полное покрытие плеча дипольной антенны.

Процесс измерения электродинамических параметров АФУ предоставлен на рис. 1. Для проведения эксперимента был выбран БПЛА с размерами 210 мм × 210 мм × 70 мм и массой 0,9 кг. Дипольная антенна, помещённая в полимерное покрытие, устанавливалась на луч БПЛА. Антенна располагалась таким образом, чтобы её ось была параллельна направлению полёта, а поверхность покрытия находилась на удалении не менее 30 мм от ближайших металлических и силовых элементов.

Рис. 1. Процесс измерения электродинамических параметров АФУ

Измерения проводились на антенне, подключённой к коаксиальному тракту с волновым сопротивлением 50 Ом. Измерения выполнялись на векторном анализаторе цепей Rohde Schwarz ZNH4.

Табл. 1 содержит результаты измерения уровня сигнала. Согласно полученным данным наличие полимерного покрытия действительно влияет на уровень сигнала, излучаемого антенной. В диапазоне 915 МГц испытуемые материалы обеспечили уровень сигнала в пределах –22,4…–29,7 дБ. В диапазоне 1200 МГц значения в пределах –26,4…–29,7 дБ.

Таблица 1. Результаты измерения уровня сигнала на частотах 915 МГц и 1200 МГц

Полимерные покрытия	915 МГц, дБ	1200 МГц, дБ
Без полимерного покрытия	–29,7	–29,7
HIPS, без пигмента	–29,5	–29,1
PETG, чёрный пигмент (наполнитель углерод)	–24,1	–27,1
PLA, белый пигмент (наполнитель TiO₂)	–28,3	–28,7
PLA, голубой пигмент (наполнитель CuPc)	–22,4	–26,4
PLA, чёрный пигмент (наполнитель углерод)	–28,6	–27,8

Для каждого полимерного покрытия проводились экспериментальные измерения с целью определения резонансной частоты антенны и входного коэффициента отражения S₁₁. Резонансная частота определялась как частота, при которой коэффициент отражения S₁₁ достигал минимального значения, что соответствует максимальной эффективности передачи энергии. Расхождения в значениях для образцов PLA с белым и чёрным пигментами обусловлены неполной заливкой измеряемых образцов, в результате чего между слоями образуются воздушные зазоры [7]. В табл. 2 и 3 представлены резонансные частоты, зафиксированные при применении полимерных покрытий, а также соответствующие значения коэффициента отражения.

Таблица 2. Влияние полимерных покрытий на рабочие характеристики антенны диапазона 915 МГц

Полимерное покрытия	Резонансная частота, МГц	, дБ
Без полимерного покрытия	915	–29,7
HIPS, без пигмента	917	–29,5
PETG, чёрный пигмент (наполнитель углерод)	899	–24,1
PLA, белый пигмент (наполнитель TiO₂)	901	–28,3
PLA, голубой пигмент (наполнитель фталлоцианин Cu)	905	–22,4
PLA, чёрный пигмент (наполнитель углерод)	892	–28,6

Таблица 3. Влияние полимерных покрытий на рабочие характеристики антенны диапазона 1200 МГЦ

Полимерное покрытие	Резонансная частота, МГц	, дБ
Без полимерного покрытия	1200	–29,7
HIPS, без пигмента	1201	–29,1
PETG, чёрный пигмент (наполнитель углерод)	1291	–27,1
PLA, белый пигмент (наполнитель TiO₂)	1202	–28,7
PLA, голубой пигмент (наполнитель фталлоцианин Cu)	1214	–26,4
PLA, чёрный пигмент (наполнитель углерод)	1271	–27,8

В частотном диапазоне 915 МГц резонансная частота при полимерном покрытии PLA с чёрным пигментом (углеродным наполнителем) составила 892 МГц, а при покрытии HIPS – 917 МГц. Одновременно коэффициент отражения увеличился, однако у PLA с чёрным пигментом он остался близким к значению без полимерного покрытия. Это вызвано высоким уровнем электропроводности углеродного наполнителя.

В частотном диапазоне 1200 МГц наблюдается смещение резонансной частоты: PLA (белый пигмент) – 1291 МГц, PLA (чёрный пигмент) – 1271 МГц, PLA голубой – 1214 МГц, PETG чёрный – 1209 МГц. Применение материала HIPS не оказало влияние на резонансные частоты, значения которого составило 1201 МГц. Частотные зависимости коэффициента отражения для разных материалов представлены на рис. 2-3.

Рис. 2. Частотные характеристики антенны (~915 МГц) с применением полимерных покрытий

Рис. 3. Частотные характеристики антенны (~1200 МГц) с применением полимерных покрытий

Анализ результатов и выводы

Полученные результаты эксперимента подтверждают влияние диэлектрических свойств полимерных покрытий на характеристики АФУ. Данное влияние вызвано применением полимерных покрытий с , что приводит к увеличению эффективной диэлектрической проницаемости среды.

В частотном диапазоне 915 МГц применение полимерных покрытий вызвало снижение резонансной частоты по сравнению с антенной без покрытия. Без покрытия резонансная частота антенны составляет 915 МГц при коэффициенте отражения S₁₁≈29,7 дБ;

HIPS (ударопрочный полистирол): значение резонансной частоты антенны составляет 917 МГц (смещение 0,2 %). Значение коэффициента отражения составляет S₁₁≈29,5 дБ. Данное влияние вызвано изменениями на границе «воздух–полимер»;

PLA, голубой пигмент (фталлоцианин Cu): значение резонансной частоты антенны составляет 905 МГц (смещение 1,1 %). Значение коэффициента отражения составляет S₁₁≈22,4 дБ. Данное влияние вызвано изменениями на границе «воздух–полимер»;

PLA, белый пигмент (наполнитель TiO₂): значение резонансной частоты антенны составляет 901 МГц (смещение 1,5 %). Значение коэффициента отражения составляет S₁₁≈28,3 дБ. Это указывает на влияние диэлектрических потерь, обусловленное высоким показателем преломления материала;

PETG, чёрный (наполнитель углерод): значение резонансной частоты антенны составляет 899 МГц (смещение 1,7 %). Значение коэффициента отражения составляет S₁₁≈24,1 дБ. Данное влияние вызвано более высокой диэлектрической проницаемостью покрытия и наличием проводящих примесей;

PLA, чёрный (наполнитель углерод): значение резонансной частоты антенны составляет 892 МГц (смещение 2,5 %). Значение коэффициента отражения составляет S₁₁≈28,6 дБ. Данное влияние вызвано двумя факторами: во-первых, высоким значением диэлектрической проницаемости материала, обусловленным углеродным наполнителем, что увеличивает электрическую длину вибратора и приводит к снижению резонансной частоты; во-вторых, углеродный наполнитель может незначительно повысить добротность системы, компенсируя потери и сохраняя глубокий резонансный минимум.

В диапазоне 1200 МГц применение полимерных покрытий также оказывает влияние на резонансные характеристики АФУ. Без полимерного покрытия значение резонансной частоты антенны составляет 1200 МГц при коэффициенте отражения S₁₁≈29,7 дБ;

HIPS (ударопрочный полистирол): значение резонансной частоты антенны составляет 1201 МГц (смещение 0,1 %). Значение коэффициента отражения составляет S₁₁≈29,1 дБ.

PLA, голубой пигмент (Cu): значение резонансной частоты антенны составляет 1214 МГц (смещение 1,17 %). Значение коэффициента отражения составляет S₁₁≈26,4 дБ. Данное влияние вызвано увеличением эффективной диэлектрической проницаемости покрытия;

PLA, белый пигмент (наполнитель TiO₂): значение резонансной частоты антенны составляет 1202 МГц (смещение 0,75 %). Значение коэффициента отражения составляет S₁₁≈28,7 дБ;

PETG, чёрный (наполнитель углерод): значение резонансной частоты антенны составляет 1291 МГц (смещение 7,6 %). Значение коэффициента отражения составляет S₁₁≈27,1 дБ. Данное влияние вызвано высоким показателем преломления материала, что изменяет эффективную длину полуволнового вибратора;

PLA, чёрный (наполнитель углерод): значение резонансной частоты антенны составляет 1271 МГц (смещение 5,9 %). Значение коэффициента отражения составляет S₁₁≈27,8 дБ. Данное влияние вызвано двумя факторами: во-первых, высоким значением диэлектрической проницаемости материала, обусловленным углеродным наполнителем, что увеличивает электрическую длину вибратора и повышает частоту резонанса; во-вторых, углеродный наполнитель может незначительно повышать добротность системы, компенсируя потери и поддерживая глубокий резонансный минимум.

Согласно полученным данным, резонансная частота антенны в диэлектрической среде с относительной проницаемостью смещается согласно выражению . Применение полимерного покрытия прямо пропорционально увеличивает значение , поэтому наблюдается снижение относительно . Диэлектрическая проницаемость выше на низких частотах, затем уменьшается с ростом частоты и далее остается постоянной, что согласуется с [8]. Введение покрытия смещает (за счёт реактивной составляющей, связанной с ёмкостью диэлектрической оболочки), поэтому и величина S₁₁ отклоняется от значения без полимерного покрытия. Если материал обладает низкими диэлектрическими потерями и малой диэлектрической проницаемостью, его влияние на электромагнитное поле минимально.

Заключение

В работе было проведено исследование влияния полимерных покрытий на резонансную частоту и коэффициент отражения АФУ в частотных диапазонах 915 МГц и 1200 МГц. Экспериментальные измерения выполнены с применением полимерных покрытий: гликоль-модифицированного полиэтилентерефталата (PETG), ударопрочного полистирола (HIPS), полилактида (PLA) и акрилонитрил бутадиен-стирола (ABS). Установлено, что влияние полимерного покрытия антенны обусловлено диэлектрическими свойствами используемых материалов. Анализ экспериментальных данных показал, что в частотном диапазоне 915 МГц материал HIPS оказывает минимальное влияние на резонансную частоту антенны. Для диапазона 1200 МГц материал HIPS и PLA с белым пигментом (наполнитель TiO₂) также оказывают минимальное смещение рабочей частоты. Полученные результаты позволяют оценить влияние полимерных покрытий на электродинамические характеристики антенн и учитывать их при проектировании АФУ.

____________________________________

About the authors