Reconfigurable semiconductor plasma-based patch antenna
Authors: Баранников И.А. , Фёдоров С.М. 
Published: December 2023

в статье рассматривается конструкция реконфигурируемой патч-антенны, способной динамически менять свои рабочие частоты. Изменение рабочих частот антенны осуществляется посредством изменения размеров ее проводящей поверхности с помощью полупроводниковой плазмы, формируемой поверхностными PIN-диодами. Рассматривается конструкция PIN-диода, применяемого в антенне, который способен формировать плазму. Производится математическое моделирование его параметров. По полученной концентрации электронов 5·1018 1/см3 рассчитана плазменная частота, определяющая взаимодействие плазмы с электромагнитными волнами различных частот. Полученные PIN-диоды предлагается объединять в массивы для увеличения площади создаваемой проводящей поверхности и уменьшения влияния цепей питания на характеристики излучения антенны. Характеристики антенны получены посредством электродинамического компьютерного моделирования для двух режимов работы: когда на диоды не подается напряжение и плазма отсутствует; и когда на диоды подано положительное напряжение и сформированная плазма образует дополнительные проводящие поверхности. Рабочие частоты антенны расположены в диапазоне СВЧ (сверхвысоких частот) и составляют 18.46 ГГц и 20.02 ГГц, также получены графики возвратных потерь антенны, ее КПД (коэффициент полезного действия) и диаграммы направленности для обоих случаев работы. Результаты показали незначительное ухудшение характеристик антенны при включенной плазме, но полученная возможность динамически менять рабочий диапазон частот является значительным преимуществом

The paper deals with the design of a reconfigurable patch antenna capable of dynamically changing its operating frequencies. Changing the operating frequencies of the antenna is accomplished by changing the dimensions of its conducting surface using semiconductor plasma formed by surface PIN diodes. The design of a PIN diode used in the antenna, which is capable of forming plasma, is considered. Mathematical modeling of its parameters is performed. According to the obtained electron concentration of 5·1018 1/cm3 the plasma frequency, which determines the interaction of plasma with electromagnetic waves of different frequencies, is calculated. The obtained PIN diodes are proposed to be combined in arrays to increase the area of the generated conducting surface and to reduce the influence of the feeding circuits on the antenna radiation characteristics. The antenna characteristics are obtained through electrodynamic computer modeling for two modes of operation: when no voltage is applied to the diodes and there is no plasma; and when a positive voltage is applied to the diodes and the generated plasma forms additional conducting surfaces. The operating frequencies of the antenna are located in the SHF range and are 18.46 GHz and 20.02 GHz, and plots of antenna return loss, efficiency and radiation patterns for both cases of operation are also obtained. The results showed a slight degradation of the antenna performance when the plasma is on, but the resulting ability to dynamically change the operating frequency range is a significant advantage