radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2025-28-3-42-56radioelectronics-1015Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASШирокополосные отражательные антенные решетки диапазона СВЧWideband Reflectarray Antennas in the Microwave Rangehttps://orcid.org/0000-0003-1366-3316ЛюбинаЛ. М.LiubinaL. М.

Любина Любовь Михайловна – кандидат технических наук (2020), доцент кафедры теоретических основ радиотехники

Автор более 30 научных работ. Сфера научных интересов – электродинамика и антенно-фидерные устройства.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Liubov M. Liubina, Cand. Sci. (Eng.) (2020), Associate Professor of the Department of Theoretical Fundamentals of Radio Engineering

The author of more than 30 scientific publications. Area of expertise: electrodynamics and antenna-feeder devices.

A5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

https://orcid.org/0000-0003-3208-6606БалландовичС. В.BallandovichS. V.

Балландович Святослав Владимирович – кандидат технических наук (2015), доцент (2021), доцент кафедры теоретических основ радиотехники

Автор более 30 научных работ. Сфера научных интересов – электродинамика и антенно-фидерные устройства.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Svyatoslav V. Ballandovich, Cand. Sci. (Eng.) (2015), Associate Professor (2021), Associate of the Department of Theoretical Fundamentals of Radio Engineering

The author of more than 30 scientific publications. Area of expertise: electrodynamics and antenna-feeder devices.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

https://orcid.org/0009-0008-2929-3712КостиковГ. А.KostikovG. A.

Костиков Григорий Александрович – кандидат технических наук (2007), доцент (2014), доцент кафедры теоретических основ радиотехники

Автор более 40 научных работ. Сфера научных интересов – электродинамика и антенно-фидерные устройства.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Grigory A. Kostikov, Cand. Sci. (Eng.) (2007), Associate Professor (2014), Associate Professor of the Department of Theoretical Fundamentals of Radio Engineering

The author of more than 40 scientific publications. Area of expertise: electrodynamics and antenna-feeder devices.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

https://orcid.org/0000-0002-6816-3418АнтоновЮ. Г.AntonovYu. G.

Антонов Юрий Геннадьевич – кандидат технических наук (2007), доцент (2012), доцент кафедры теоретических основ радиотехники

Автор более 40 научных работ. Сфера научных интересов – электродинамика и антенно-фидерные устройства.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Yuriy G. Antonov, Cand. Sci. (Eng.) (2007), Associate Professor (2012), Associate Professor of the Department of Theoretical Fundamentals of Radio Engineering

The author of more than 40 scientific publications. Area of expertise: electrodynamics and antenna-feeder devices.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian Federation2025050720252834256Copyright © Любина Л.М., Балландович С.В., Костиков Г.А., Антонов Ю.Г., 20252025Любина Л.М., Балландович С.В., Костиков Г.А., Антонов Ю.Г.Liubina L.М., Ballandovich S.V., Kostikov G.A., Antonov Y.G.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/1015

Введение. Разработка широкополосных отражательных антенных решеток (ОАР) для диапазона СВЧ остается ключевой задачей в контексте растущих требований к телекоммуникационным системам, включая сети 5G/6G и спутниковую связь. Несмотря на значительное количество исследований, посвященных методам расширения полосы рабочих частот, представляет интерес анализ данных экспериментальных исследований разработанных макетов ОАР, подтверждающих эффективность рассмотренных подходов.Цель работы. Систематизация подходов к проектированию, позволяющих расширить полосу рабочих частот ОАР. Основное внимание уделено экспериментальной проверке рассматриваемых подходов – использованию многослойных структур, пространственного разнесения и геометрической оптимизации элементов – для уточнения их практической применимости.Материалы и методы. Работа объединяет анализ существующих методик (численное моделирование FI, FEM, электродинамический расчет на основе ячейки Флоке, метод моментов в спектральной области) с экспериментальными исследованиями ОАР на основе различного типа элементов. Измерения проведены для печатных и цельнометаллических ОАР с применением сканера ближнего поля Antest B3-1 и векторного анализатора цепей Agilent N5230A PNA-L. Алгоритмы минимизации фазовых ошибок адаптированы для работы в расширенном частотном диапазоне.Результаты. Экспериментально подтверждено расширение полосы рабочих частот по уровню снижения коэффициента усиления (КУ) на 3 дБ от максимального значения до 40 % для многослойных печатных ОАР и 19.62 % для уголковых конструкций. Оптимизация геометрии элементов на основе гантельных крестообразных структур обеспечивает относительную полосу 28 % при снижении КУ на 0.5 дБ. Цельнометаллические щелевые ОАР демонстрируют устойчивость к экстремальным условиям, но требуют учета на этапе проектирования возможности возбуждения мод плоскопараллельного волновода, существенно влияющих на их характеристики.Заключение. Представлены рекомендации по выбору геометрии, конструкции и технологии изготовления различных ОАР на основании опыта теоретических и экспериментальных исследований, проводимых на кафедре теоретических основ радиотехники СПбГЭТУ "ЛЭТИ" в 2010–2025 гг. Приведенные данные формируют основу для проектирования антенн, соответствующих требованиям высокоскоростных телекоммуникационных систем, и указывают направления для дальнейших исследований, включая миниатюризацию, повышение прочности и устойчивости конструкций. 

Introduction. The development of broadband reflectarray antennas for the microwave band remains a key challenge in the context of stricter requirements imposed on telecommunications systems, including 5G/6G networks and satellite communications. Despite a significant number of studies devoted to methods of extending the operating frequency band, it is of interest to analyze data from experimental studies of the developed reflectarrays, confirming the effectiveness of the considered approaches.Aim. Generalization of the design approaches used to extend the operating frequency band of reflectarrays. The main attention is paid to the experimental verification of the considered approaches, i.e., the use of multilayer structures and spatial diversity and geometric optimization of elements, with the purpose of clarifying their practical applicability.Materials and methods. An analysis of existing techniques (numerical modeling of FI, FM, electrodynamic calculation based on a Floquet cell) and the results of original experimental research in this field was conducted. Measurements were carried out on printed, all-metal, and conformal reflectarrays using an Antast B3-1 near-field scanner and an Agilent N5230A PNA-L vector circuit analyzer. The phase error minimization algorithms were adapted to work in the extended frequency range.Results. The study experimentally confirmed the extension of the operating frequency band in terms of the 3 dB criterion from the maximum value of the gain to 40 % for multilayer printed circuit boards and 19.6 % for corner structures. Optimization of the geometry of the elements based on dumbbell cross-shaped structures provides a relative band of 28 % with a decrease in gain by 0.5 dB. All-metal slit tubes demonstrate resistance to extreme conditions, although requiring consideration of the possibility of excitation of plane-parallel waveguide modes at the design stage, which have a significant impact on their characteristics.Conclusion. Recommendations on the choice of geometry, design, and manufacturing technology of various reflectarrays based on the experience of theoretical and experimental research conducted at the Department of Theoretical Foundations of Radio Engineering of Saint Petersburg Electrotechnical University in 2010–2025 are presented. These data form the basis for designing antenna arrays that meet the requirements of high-speed telecommunications systems and indicate areas for further research, including miniaturization and increased structural stability.

СВЧотражательные антенные решеткиполоса рабочих частоткоэффициент усиленияячейка Флокеmicrowavereflectarray antennasoperating frequency bandGainFloquet cellАвторы статьи выражают благодарность сотрудникам кафедры электронных приборов и устройств СПбГЭТУ "ЛЭТИ" Староверову Николаю Евгеньевичу и Ларионову Ивану Алексеевичу за рентгеновские изображения конструкций, демонстрируемых в данной статье (изображения на рис. 1, б и рис. 3, а).The authors of the article would like to thank Nikolay E. Staroverov and Ivan A. Larionov, employees of the Department of Electronic Devices and Systems at Saint Petersburg Electrotechnical University, for the X-ray images of the structures shown in this article (Fig. 1, б and Fig. 3, a).ReferencesOlwal T. O., Chuku P. N., Lysko A. A. Antenna Research Directions for 6G: A brief overview through sampling literature // 7th Intern. Conf. on Advanced Computing and Communication Systems (ICACCS), Coimbatore, India, 19–20 March 2021. IEEE, 2021. P. 1582–1587. doi: 10.1109/ICACCS51430.2021.9441781Olwal T. O., Chuku P. N., Lysko A. A. Antenna Research Directions for 6G: A Brief Overview through Sampling Literature. 7th Intern. Conf. on Advanced Computing and Communication Systems (ICACCS), Coimbatore, India, 19–20 March 2021. IEEE, 2021, pp. 1582–1587. doi: 10.1109/ICACCS51430.2021.9441781High Gain Elliptic Lens Antenna at D-Band for 6G Multi Gbps Data Transmission / S. Chakrabarti, V. K. Singh, A. Kumar, K. G. Thomas, P. H. Rao // IEEE Intern. Symp. on Antennas and Propagation and INC/USNC‐URSI Radio Science Meeting (AP-S/INCUSNC-URSI), Firenze, Italy, 14–19 July 2024. IEEE, 2024. P. 887–888. doi: 10.1109/AP-S/INC-USNC-URSI52054.2024.10686215Chakrabarti S., Singh V. K., Kumar A., Thomas K. G., Rao P. H. High Gain Elliptic Lens Antenna at D-Band for 6G Multi Gbps Data Transmission. IEEE Intern. Symp. on Antennas and Propagation and INC/USNC‐URSI Radio Science Meeting (AP-S/INCUSNC-URSI), Firenze, Italy, 14–19 July 2024. IEEE, 2024, pp. 887–888. doi: 10.1109/AP-S/INC-USNC-URSI52054.2024.10686215A Review of Wideband Reflectarray Antennas for 5G Communication Systems / M. H. Dahri, M. H. Jamaluddin, M. I. Abbasi, M. R. Kamarudin // IEEE Access. 2017. Vol. 5. P. 17803–17815. doi: 10.1109/ACCESS.2017.2747844Dahri M. H., Jamaluddin M. H., Abbasi M. I., Kamarudin M. R. A Review of Wideband Reflectarray Antennas for 5G Communication Systems. IEEE Access. 2017, vol. 5, pp. 17803–17815. doi: 10.1109/ACCESS.2017.2747844Опыт разработки антенных решеток с квазиоптическим типом питания / С. В. Поленга, Р. О. Рязанцев, Ю. П. Саломатов, В. С. Панько, М. И. Сугак // Журн. СФУ. Техника и технологии. 2011. Т. 4, № 1. С. 40–50.Polenga S. V., Ryazantsev R. O., Salomatov Yu. P., Panko V. S., Sugak M. I. Reflectarray and Transmitarray Development Experience. J. of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. 2011, vol. 4, no. 1, pp. 40–50. (In Russ.)Balanis C. A. Antenna Theory: Analysis and Design. New Jersey: John Wiley & Sons, 2016. 1104 p.Balanis C. A. Antenna Theory: Analysis and Design. New Jersey, John Wiley & Sons, 2016, 1104 p.Elliott R. S. Antenna Theory and Design. New Jersey: John Wiley & Sons, 2003. 625 p.Elliott R. S. Antenna Theory and Design. New Jersey, John Wiley & Sons, 2003, 625 p.Light Propagation with Phase Discontinuities: Generalized Laws of Reflection and Refraction / N. Yu, P. Genevet, M. A. Kats. F. Aieta, J.-P. Tetienne, F. Capasso, Z. Gaburro // Science. 2011. Vol. 334. P. 333–337. doi: 10.1126/science.1210713Yu N., Genevet P., Kats M. A., Aieta F., Tetienne J.-P., Capasso F., Gaburro Z. Light Propagation with Phase Discontinuities: Generalized Laws of Reflection and Refraction. Science. 2011, vol. 334, pp. 333–337. doi: 10.1126/science.1210713Millimeter-wave waveguide reflectarray / S. V. Polenga, A. V. Stankovsky, R. M. Krylov, A. D. Nemshon, Yu. A. Litinskaya, Yu. P. Salomatov // Intern. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON), Omsk, Russia, 21–23 May 2015. IEEE, 2015. P. 1–4. doi: 10.1109/SIBCON.2015.7147335Polenga S. V., Stankovsky A. V., Krylov R. M., Nemshon A. D., Litinskaya Yu. A., Salomatov Yu. P. Millimeter-Wave Waveguide Reflectarray. Intern. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON), Omsk, Russia, 21–23 May 2015. IEEE, 2015, pp. 1–4. doi: 10.1109/SIBCON.2015.7147335An integrated 2‐bit metasurface array antenna with broadband lowradar cross‐section covering large incident angle space / Zh. Zhang, T. Liu, X. Cao, H. Yang, L. Jidi, Ju. Gao // IET Microwaves, Antennas & Propagation. 2022. Vol. 16, № 6. P. 367–377. doi: 10.1049/mia2.12251Zhang Zh., Liu T., Cao X., Yang H., Jidi L., Gao Ju. An Integrated 2‐Bit Metasurface Array Antenna with Broadband Lowradar Cross‐Section Covering Large Incident Angle Space. IET Microwaves, Antennas & Propagation. 2022, vol. 16, no. 6, pp. 367–377. doi: 10.1049/mia2.12251Emerging Metallic Systems for Additive Manufacturing : In-Situ Alloying and Multi-Metal Processing in Laser Powder Bed Fusion / S. L. Sing, S. Huang, G. D. Goh, G. L. Goh, C. F. Tey, J. H. K. Tan, W. Y. Yeong // Progress in Materials Science. 2021. Vol. 119. Art. № 100795. doi: 10.1016/J.PMATSCI.2021.100795Sing S. L., Huang S., Goh G. D., Goh G. L., Tey C. F., Tan J. H. K., Yeong W. Y. Emerging Metallic Systems for Additive Manufacturing : In-Situ Alloying and Multi-Metal Processing in Laser Powder Bed Fusion. Progress in Materials Science. 2021, vol. 119, art. no. 100795. doi: 10.1016/J.PMATSCI.2021.100795Synthesis of Mask-Constrained Pattern-Reconfigurable Nonuniformly Spaced Linear Arrays Using Artificial Neural Networks / C. Cui, W. T. Li, X. T. Ye, Y. Q. Hei, P. Rocca, X. W. Shi // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2022. Vol. 70, № 6. P. 4355–4368. doi: 10.1109/TAP.2022.3140214Cui C., Li W. T., Ye X. T., Hei Y. Q., Rocca P., Shi X. W. Synthesis of Mask-Constrained PatternReconfigurable Nonuniformly Spaced Linear Arrays Using Artificial Neural Networks. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2022, vol. 70, no. 6, pp. 4355–4368. doi: 10.1109/TAP.2022.3140214A Novel Metasurface Inverse Design Based on Back Propagation Neural Network / T. Qin, S. Wen, X. Q. Lin, Y. Cao, Y. Cai, P. Mei // 18th European Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP), Glasgow, United Kingdom, 17–22 March 2024. IEEE, 2024. P. 1–5. doi: 10.23919/EuCAP60739.2024.10501758Qin T., Wen S., Lin X. Q., Cao Y., Cai Y., Mei P. A Novel Metasurface Inverse Design Based on Back Propagation Neural Network. 18th European Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP), Glasgow, United Kingdom, 17–22 March 2024. IEEE, 2024, pp. 1–5. doi: 10.23919/EuCAP60739.2024.10501758Обуховец В. А., Касьянов А. О. Микрополосковые отражательные антенные решетки. Методы проектирования и численное моделирование. М.: Радиотехника, 2006. 240 с.Obukhovets V. A., Kasyanov A. O. Mikropoloskovye otrazhatel'nye antennye reshetki. Metody proektirovanija i chislennoe modelirovanie [Microstrip Reflective Antenna Arrays. Design Methods and Numerical Modeling]. Moscow, Radiotehnika, 2006, 240 p. (In Russ.)Advanced Metasurface-Based Antennas: A Review / W. Yang, J. Li, D. Chen, Y. Cao, Q. Xue, W. Che // IEEE Open J. of Antennas and Propagation. 2025. Vol. 6, № 1. P. 6–24. doi: 10.1109/OJAP.2024.3465513Yang W., Li J., Chen D., Cao Y., Xue Q., Che W. Advanced Metasurface-Based Antennas: A Review. IEEE Open J. of Antennas and Propagation. 2025, vol. 6, no. 1, pp. 6–24. doi: 10.1109/OJAP.2024.3465513Single-Layer Four-Band, Dual Linear Polarization Reflective Metasurface / X. Kai, F. Li, J. Feng, S. Xu // 6th Intern. Conf. on Information Communication and Signal Processing (ICICSP), Xi'an, China, 23– 25 Sept. 2023. IEEE, 2023. P. 805–809. doi: 10.1109/ICICSP59554.2023.10390627Kai X., Li F., Feng J., Xu S. Single-Layer Four-Band, Dual Linear Polarization Reflective Metasurface. 6th Intern. Conf. on Information Communication and Signal Processing (ICICSP), Xi'an, China, 23–25 Sept. 2023. IEEE, 2023, pp. 805–809. doi: 10.1109/ICICSP59554.2023.10390627Балландович С. В. Проектирование двухчастотных печатных отражательных антенных решеток с помощью модифицированной ячейки Флоке // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2015. № 1. С. 17–20.Ballandovich S. V. Designing Dual-Frequency Printed Reflective Antenna Arrays Using a Modified Floquet Cell. J. of the Russian Universities. Radioelectronics. 2015, no. 1, pp. 17–20. (In Russ.)Chaharmir M. R., Shaker J., Legay H. Broadband design of a single layer large reflectarray using multi cross loop elements // IEEE Trans. Antennas Propag. 2009. Vol. 57, № 10. P. 3363–3366. doi: 10.1109/TAP.2009.2029600Chaharmir M. R., Shaker J., Legay H. Broadband Design of a Single Layer Large Reflectarray Using Multi Cross Loop Elements. IEEE Trans. Antennas Propag. 2009, vol. 57, no. 10, pp. 3363–3366. doi: 10.1109/TAP.2009.2029600Increasing bandwidth of full-metal slot reflectarray antennas / M. I. Sugak, S. V. Ballandovich, G. A. Kostikov, L. M. Liubina, Y. G. Antonov // ITM Web Conf. 2019. Vol. 30. Art. № 05023. doi: 10.1051/itmconf/20193005023Sugak M. I., Ballandovich S. V., Kostikov G. A., Liubina L. M., Antonov Yu. G. Increasing Bandwidth of Full-Metal Slot Reflectarray Antennas. ITM Web Conf. 2019, vol. 30, art. no. 05023. doi: 10.1051/itmconf/20193005023MM-Band Reflectarray with Extended Bandwidth / S. V. Ballandovich, L. M. Liubina, G. A. Kostikov, Yu. G. Antonov // Seminar on Fields, Waves, Photonics and Electro-optics: Theory and Practical Applications (FWPE), Saint Petersburg, Russia, 21 Nov. 2023. IEEE, 2023. P. 4–7. doi: 10.1109/FWPE60445.2023.10368549Ballandovich S. V., Liubina L. M., Kostikov G. A., Antonov Yu. G. MM-Band Reflectarray with Extended Bandwidth. Seminar on Fields, Waves, Photonics and Electro-optics: Theory and Practical Applications (FWPE), Saint Petersburg, Russia, 21 Nov. 2023. IEEE, 2023, pp. 4–7. doi: 10.1109/FWPE60445.2023.10368549Design and Analysis of a Reflectarray Using Slot Antenna Elements for Ka-band SatCom / Qi Luo, S. Gao, Ch. Zhang, D. Zhou, T. Chaloun, W. Menzel // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2015. Vol. 63, № 4. P. 1365–1374. doi: 10.1109/TAP.2015.2401393Luo Qi, Gao S., Zhang Ch., Zhou D., Chaloun T., Menzel W. Design and Analysis of a Reflectarray Using Slot Antenna Elements for Ka-band SatCom. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2015, vol. 63, no. 4, pp. 1365–1374. doi: 10.1109/TAP.2015.2401393Bhattacharyya A., Fordham O., Liu Ya. Analysis of stripline-fed slot-coupled patch antennas with vias for parallel-plate mode suppression // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1998. Vol. 46, № 4. P. 538–545. doi: 10.1109/8.664118Bhattacharyya A., Fordham O., Liu Ya. Analysis of Stripline-Fed Slot-Coupled Patch Antennas with Vias for Parallel-Plate Mode Suppression. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1998, vol. 46, no. 4, pp. 538–545. doi: 10.1109/8.664118Parallel-Plate Modes in Slot Reflectarray Antennas / S. V. Ballandovich, M. I. Sugak, G. A. Kostikov, L. M. Liubina, Yu. G. Antonov // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2021. Vol. 69, № 6. P. 3303–3311. doi: 10.1109/TAP.2020.3048501.Ballandovich S. V., Sugak M. I., Kostikov G. A., Liubina L. M., Antonov Yu. G. Parallel-Plate Modes in Slot Reflectarray Antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2021, vol. 69, no. 6, pp. 3303–3311.Характеристики плоских отражательных антенных решеток, выполненных на основе фрезерованных композитных панелей / Ю. Г. Антонов, С. В. Балландович, Г. А. Костиков, М. И. Сугак // Антенны. 2010. № 10 (161). С. 5–10.Antonov Yu. G., Ballandovich S. V., Kostikov G. A., Sugak M. I. Characteristics of Planar Reflectarrays Designed by a Method of Composite Panel Milling. Antennas. 2010, no. 10 (161), pp. 5–10. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.