Теория фундаментальных ограничений антенн.Подход разложения поля по сферическим модам. Обзор / Theory of Fundamental Limitations of Antennas. Spherical Modes Expansion Approach

Ицков В.В. / Itskov, V.V.
Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН / RUS Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН
Уваров Ант.В. / Uvarov, Ant.V.
Московский физико-технический институт (государственный университет) / RUS Московский физико-технический институт (государственный университет)
Уваров Анд.В. / Uvarov, And.V.
ПАО «МегаФон» / RUS ПАО «МегаФон»
Выпуск в базе РИНЦ
Ицков В.В., Уваров Ант.В., Уваров Анд.В. Теория фундаментальных ограничений антенн.Подход разложения поля по сферическим модам. Обзор // Физические основы приборостроения. 2018. Т. 7. № 4(30). С. 56–69. DOI: 10.25210/jfop-1804-056069
Itskov, V.V., Uvarov, Ant.V., Uvarov, And.V. Theory of Fundamental Limitations of Antennas. Spherical Modes Expansion Approach // Physical Bases of Instrumentation. 2018. Vol. 7. No. 4(30). P. 56–69. DOI: 10.25210/jfop-1804-056069

Аннотация: В статье приведен обзор различных подходов к определению фундаментальных физических ограничений характеристик антенн, таких как добротность, ширина рабочего диапазона частот и коэффициент направленного действия, связанных с физическими размерами. Рассмотрена история развития теории электрически малых антенн, начиная с классических работ Вилера, в которой было введено понятие электрически малых антенн, и Чу, задавшего направление исследования фундаментальных ограничений для многих следующих авторов на десятки лет. В работе проведено сравнение различных подходов к выводу предельных выражений коэффициента усиления, G, добротности, Q и их отношения, G/Q, основанных на предложенном Чу подходе — разложения по сферическим модам. Приведены итоговые точные предельные соотношения, проанализированы допущения и приближения, использованные при выводе, и сформулированы связанные с этим ограничения применимости. В заключении даны текущее состояние проблемы и наиболее перспективные темы для дальнейшего исследования.
Abstract: The article provides an overview of various approaches to determining the fundamental physical limitations of antenna characteristics, such as the quality factor, the width of the working frequency range, and gain related to physical dimensions. The history of the theory of electrically small antennas is considered, starting with the classic works of Willer, in which the concept of electrically small antennas was introduced, and Chu, who stated the direction of the study of the fundamental limitations for many of the following authors for decades. The paper compares various approaches to the derivation of the limitation expressions for the gain, G, quality factor, Q and their ratio, G/Q, based on the proposed by Chu approach — Spherical Modes Expansion (SME). The final exact limitation ratios are given, the assumptions and approximations used in the derivation are analyzed, and the associated limitations of applicability are formulated. In conclusion, the current state of the problem and the most promising topics for further research are given.
Ключевые слова: antenna theory, fundamental limitations, Q-factors, gain, antenna electrical size, antenna minimum quality factor, normal antenna gain, limit of the gain to quality factor ratio, электрически малые антенны, антенная теория, фундаментальные ограничения, добротности, коэффициент усиления, электрический размер антенны, предел добротности антенны, нормальный коэффициент усиления антенны, antenna theory

Литература / References
  1. La Paz, L., Miller, G.A. Optimum Current Distributions on Vertical Antennas // Proc. Of the IRE. 1943. P. 214.
  2. Bouwkamp, C.J., De Bruijn, N.G. The Problem of Optimum Antenna Current Distribution // Philips Research Reports. 1945. Vol. 1. P. 1.
  3. Wheeler, H.A. Fundamental Limitations of Small Antennas // Proc. Of the IRE. 1947. P. 1479
  4. Chu, L.J. Physical Limitations of Omnidirectional Antennas // Journal of Applied Physics. 1948. Vol. 19. P. 1163.
  5. Best, S.R. The Performance Properties of an Electrically Small Folded Spherical Helix Antenna // Antennas and Propagation Society International Symposium. IEEE. 2002. Vol. 4. P. 18-21.
  6. Harrington, R.F. Effect of Antenna Size on Gain, Bandwidth, and Efficiency // J. Res. Nat. Bureau Stand. 1960. P. 1.
  7. Collin, R.E., Rothschild, S. Evaluation of Antenna Q // IEEE Trans. On Antennas and Propagation. 1964. P. 23.
  8. Fante, R.L. Quality Factor of General Ideal Antennas // IEEE Trans. On Antennas and Propagation. 1969. AP-17. P. 151.
  9. Stratton, J.A. Eleclromugnetic Theory // McGraw-Hill. 1941. P. 410-420
  10. Hansen, R.C. Fundamental Limitations in Antennas // Proc. IEEE. 1981. Vol. 69. P. 170-182.
  11. McLean, J.S. A Re-Examination of the Fundamental Limits on the Radiation Q of Electrically Small Antennas // IEEE Trans. On Antennas and Propagation. 1996. AP-44. P. 672.
  12. Geyi, W. Physical Limitations of Antenna // IEEE Trans. On Antennas and Propagation. 2003. Vol. 51. No. 8.
  13. Gustafsson, M. Physical Limitations on Antennas of Arbitrary Shape // Proc. R. Soc. A. 2007. P. 2589.
  14. Gustafsson, M., Cismasu, M., Jonsson B. L.G. Physical Bounds and Optimal Currents on Antennas // IEEE Trans. On Antennas and Propagation. 2012.
  15. Cismasu, M., Gustafsson, M. Antenna Bandwidth Optimization with Single Frequency Simulation // IEEE Trans. On Antennas and Propagation. 2014.
  16. Gustafsson, M., Tayli, D., and Cismasu, M. Physical Bounds of Antennas // Handbook of Antenna Technologies. 2015.
  17. Fante, R.L. Maximum Possible Gain for an Arbitrary Ideal Antenna with Specified Quality Factor // IEEE Trans. On Antennas and Propagation. 1992. Vol. 40. No. 12.
  18. Yaghjian, A.D., Best, S.R. Impedance, Bandwidth, and Q of Antennas, Antennas and Propagation // IEEE Trans. On Antennas and Propagation. 2005. Vol. 53. P. 1298-1324.
  19. Gustafsson, M., Nordebo, S. Bandwidth, Q Factor, and Resonance Models of Antennas // Progress in Electromagnetics Research. 2006. Vol. 62. P. 1-20.