Плоская пятиугольная антенна-монополь на основе микрополосковой структуры с расширенной полосой пропускания и подавлением гармоник

Двумя основными недостатками микрополосковых патч-антенн являются малая ширина полосы пропускания и гармоническая интерференция, что ограничивает их применение диапазоном 2,4 ГГц. Стандартные микрополосковые патч-антенны, как правило, обеспечивают относительную ширину полосы пропускания в диапазоне от 2 % до 5 %. Высокий уровень высших гармоник в излучении микрополосковых патч-антенн создаёт помехи для сторонних беспроводных устройств. Предлагаемая конструкция пятиугольной патч-антенны позволяет преодолеть оба этих ограничения за счёт использования инновационной геометрической формы вместо сложной многослойной структуры. При расположении основания пятиугольника противоположно месту подвода мощности обеспечивается более равномерное распределение поверхностных токов, чем при традиционной прямоугольной геометрии антенны, благодаря чему увеличивается ширина резонансной кривой. Целенаправленно сформированные дефекты заземляющей плоскости создают провалы в передаточной характеристике на частотах высших гармоник и вводят дополнительные резонансные частоты в пределах рабочей полосы частот. Компьютерное моделирование в среде ANSYS HFSS 13 подтвердило достижение рабочей ширины полосы пропускания в диапазоне от 1,32 ГГц до 3,17 ГГц на частоте 1,85 ГГц, т. е. относительную ширину полосы пропускания 82,22 %. Интегрированная дефектная структура заземления позволила сформировать широкую полосу подавления в диапазоне от 4,0 до 12,0 ГГц. Введённая модификация нарушает протекание тока в плоскости заземления, что приводит к эффективному подавлению гармоник более высоких порядков. Комбинация упомянутых решений, реализуемая на недорогой однослойной подложке, является оптимальным решением для спектрально чистых широкополосных беспроводных систем, устраняющим необходимость во внешних развязывающих компонентах.

1. Mishra B, Verma RK, Yashwanth N, Singh RK. A review on microstrip patch antenna parameters of different geometry and bandwidth enhancement techniques. Int. J. Microw. Wireless Technol. 2022;14(5):652-673. DOI: 10.1017/S1759078721001148

2. Zambak MF, Al-Bawri SS, Jusoh M, Rambe AH, Vettikalladi H, Albishi AM, Himdi M. A compact 2.4 GHz L-shaped microstrip patch antenna for ISMband Internet of Things (IoT) applications. Electronics. 2023;12(9):2149. DOI: 10.3390/electronics12092149

3. Maged R, El-Hameed ASA, Mabrook MM, et al. Enhanced performance of microstrip antenna fabricated on a composite dielectric substrate coupled with multiple dielectric superstrates. Opt. Quantum Electron. 2024;56:830. DOI: 10.1007/s11082-024-06487-4

4. Ajewole B, Kumar P, Afullo T. A microstrip antenna using I-shaped metamaterial superstrate with enhanced gain for multiband wireless systems. Micromachines. 2023;14(2):412. DOI: 10.3390/mi14020412

5. Zhang J-D et al. A compact microstrip-fed patch antenna with enhanced bandwidth and harmonic suppression. IEEE Trans. Antennas Propag. 2016;64(12):50305037. DOI: 10.1109/TAP.2016.2618539

6. Shah SM et al. A 2.45 GHz microstrip antenna with harmonics suppression capability by using defected ground structure. Bull. Electr. Eng. Inform. 2020;9(1):387395. DOI: 10.11591/eei.v9i1.184

7. Al-Azzawi AK. New design approach of a ‘2.4 GHz’ slotted rectangular patch antenna with a wideband harmonic suppression. Arab. J. Sci. Eng. 2021;46(10):9771-9781. DOI: 10.1007/s13369-021-05335-x

8. Kaplesh A, Prasad CS, Kumar S. Wide range of harmonic suppression of patch antenna using defective ground structure. Sādhanā. 2025;50:322. DOI: 10.1007/s12046-025-02995-5

9. Prasad CS. Wide range of harmonics suppression of a semicircular patch antenna using shorting vias. IEEE Antennas Wireless Propag. Lett. 2025;24:2173-2176. DOI: 10.1109/LAWP.2025.3557880

10. Awan WA, Hussain N, Le TT. Ultra-thin flexible fractal antenna for 2.45 GHz application with wideband harmonic rejection. AEU – Int. J. Electron. Commun. 2019;110:152851. DOI: 10.1016/j.aeue.2019.152851

11. Sarkar D et al. Compact circularly polarized microstrip antenna with harmonic suppression for enhanced ambient RF energy harvesting. Proc. TENCON 2024 – IEEE Region 10 Conf. Singapore. 2024:55-58. DOI: 10.1109/TENCON61640.2024.10903108

12. Markad NT, Mahadik S. Broadband circular polarized patch antenna with harmonic suppression. Indian J. Sci. Technol. 2020;13(38):4073-4083. DOI: 10.17485/IJST/v13i38.1682

13. En-Naghma W, Halaq H, El Ougli A. Novel broadband circularly polarized pentagonal printed antenna design for wireless power transmission applications. Indones. J. Electr. Eng. Comput. Sci. 2023;31(4):33920-33926. DOI: 10.11591/ijeecs.v32.i3.pp1434-1441

14. Ramineni P, Nimmala A. Design and analysis of microstrip patch antennas with polygonal and rectangular defected ground structures for Sub-6 GHz applications. Int. J. Wireless Microw. Technol. 2024;14(5):44-58. DOI: 10.5815/ijwmt.2024.05.04

15. Arora S, Sharma S, Anand R, Shrivastva G. Miniaturized pentagon-shaped planar monopole antenna for ultra-wideband applications. Prog. Electromagn. Res. C. 2023;133:195-208. DOI: 10.2528/PIERC23031102

16. Deshmukh AA, Chavali VAP. Wideband pentagonal shape microstrip antenna using a pair of rectangular slots. Prog. Electromagn. Res. C. 2021;107:113-126. DOI: 10.2528/PIERC20102602

17. Zhang H, Huang F. Microstrip patch antenna with enhanced impedance bandwidth and harmonic suppression. Proc. SBMO/IEEE MTT-S Int. Microw. Optoelectron. Conf. (IMOC). 2021:1-3. DOI: 10.1109/IMOC53012.2021.9624862

18. Kang Z, Lin X, Tang C, Mei P, Liu W, Fan Y. 2.45-GHz wideband harmonic rejection rectenna for wireless power transfer. Int. J. Microw. Wireless Technol. 2017;9(5):977-983. DOI: 10.1017/S1759078716001082

19. Polaiah G. Compact slotted microwave antennas with harmonics suppression for mobile and WLAN applications. Proc. IEEE Int. Conf. Electron., Comput. Commun. Technol. (CONECCT). Bangalore, India. 2022:1-4. DOI: 10.1109/CONECCT55679.2022.9865818

20. Balanis CA. Antenna Theory: Analysis and Design. 3rd ed. Hoboken, NJ, USA: Wiley-Interscience; 2005