radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2025-28-4-36-46radioelectronics-1050Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASНизкопрофильная сканирующая антенная решетка с использованием механически управляемых фазовращателейLow-Profile Scanning Antenna Array Using Mechanically Controlled Phase Shiftershttps://orcid.org/0000-0001-5810-7626ПолигинаА. Д.PoliginaA. D.

Полигина Анастасия Дмитриевна – магистр по направлению "Радиотехника" (2021, Сибирский федеральный университет), аспирантка по направлению "Антенны, устройства СВЧ и их технологии", инженер-исследователь кафедры радиотехники; инженер-конструктор

ул. Декабристов, д. 19, Красноярск, 660021

Anastasia D. Poligina, Master's degree in Radio engineering (2021, Siberian Federal University), Postgraduate student in Antennas, microwave devices and their technologies, Research engineer of the Department of Radio Engineering; Design engineer

19, Dekabristov St., Krasnoyarsk 660021

anastasia0711@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1375-2629ПоленгаС. В.PolengaS. V.

Поленга Станислав Владимирович – преподаватель-исследователь по направлению "Радиотехника"(2009, Сибирский федеральный университет), старший преподаватель кафедры радиотехники

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041

Stanislav V. Polenga, Teacher-Researcher in Radio engineering (2009, Siberian Federal University), Senior Lecturer of the Department of Radio Engineering

79, Svobodny Ave., Krasnoyarsk 660041

twinlive@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-4442-8047СтриговаЕ. А.StrigovaYe. A.

Стригова Елена Алексеевна – кандидат технических наук (2022), старший преподаватель кафедры радиотехники

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041

Yelena A. Strigova, Cand. Sci. (Eng.) (2022), Senior Lecturer of the Department of Radio Engineering

79, Svobodny Ave., Krasnoyarsk 660041

ylitinskaya@gmail.comСибирский федеральный университет; АО «НПП "Радиосвязь"»РоссияSiberian Federal University; JSC «NPP "Radiosviaz"»Russian FederationСибирский федеральный университетРоссияSiberian Federal UniversityRussian Federation20250910202528436–46Copyright © Полигина А.Д., Поленга С.В., Стригова Е.А., 20252025Полигина А.Д., Поленга С.В., Стригова Е.А.Poligina A.D., Polenga S.V., Strigova Y.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/1050

Введение. В связи с активным развитием спутниковых систем с использованием низкоорбитальных, среднеорбитальных и высокоэллиптических космических аппаратов важной задачей является обеспечение непрерывных приема-передачи сигналов антенными системами (АС) как для мобильных, так и для стационарных наземных терминалов связи. Как правило, в наземных терминалах таких систем используются сканирующие АС. В наши дни получили развитие АС с механоэлектрическим сканированием (МЭС), ввиду того что в подобных системах достигается высокая направленность в широком секторе углов при сохранении малых габаритов антенны и ее невысокой стоимости. Одним из возможных элементов управления лучом являются волноводные фазовращатели в связи с их простой реализацией, малыми потерями и невысокой стоимостью.Цель работы. Разработка сканирующей антенной решетки (АР) с МЭС, способной обеспечить перестройку луча в пределах ±60°.Материалы и методы. Численные исследования проведены методом конечных элементов во временной области. Результаты. Разработан широкополосный микрополосковый излучающий элемент, работающий в диапазоне частот 10.7…14.5 ГГц, и на его основе построена сканирующая АР, элементом управления которой выступает предложенный фазовращатель на gap-волноводе, обеспечивающий фазовую регулировку более 360°. По результатам электродинамического моделирования АР продемонстрировала возможность сканирования в пределах ±60° с деградацией коэффициента направленного действия менее 3 дБ во всем рабочем частотном диапазоне.Заключение. В статье рассмотрена разработка АС с МЭС с механическим фазовращателем в качестве элемента управления лучом. Разработанная антенная решетка позволяет обеспечить сканирование в секторе углов ±60°.

Introduction. In connection with the active development of satellite systems using low-orbit, medium-orbit and highly elliptical spacecraft, an important task is to ensure continuous reception-transmission of signals by antenna systems for both mobile and stationary ground-based communication terminals. As a rule, scanning antenna systems are used in ground terminals of such systems. Nowadays, antenna systems with mechanoelectric scanning have been developed due to the fact that such systems achieve high directivity in a wide range of angles while maintaining small dimensions of the antenna and its low cost. One of the possible elements of beam control are waveguide phase shifters due to their simple realization, low losses and low cost.Aim. Development of a mechanoelectric scanning antenna array capable of providing beam tunability within ±60°.Materials and methods. Numerical investigations have been carried out by finite element method in time domain.Results. A broadband microstrip radiating element operating in the frequency range of 10.7…14.5 GHz has been developed and a scanning antenna array has been constructed on its basis. The control element of the array is a proposed phase shifter on a gap-waveguide, which provides phase adjustment of more than 360°. According to the results of electrodynamic modeling, the antenna array demonstrated the possibility of scanning within ±60° with a degradation of the directivity factor less than 3 dB over the entire operating frequency range.Conclusion. This paper considers the development of a mechanoelectric scanning antenna system with a mechanical phase shifter as a beam steering element. The developed antenna array allows to provide scanning in the sector of angles ±60°.

механоэлектрическое сканированиеантенная решеткафазовращательgap-волноводmechanoelectrical beam steeringantenna arrayphase shiftergap-waveguideИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 23-79-10205).The study was funded by a grant from the Russian Science Foundation (project № 23-79-10205).ReferencesA fast and accurate LEO satellite-based direct position determination assisted by TDOA measurements / S. Li, Q. Zhang, B. Deng, B. Wu, Y. Gao // China Communications. 2022. Vol. 19, № 1. P. 92–103. doi: 10.23919/JCC.2022.01.008Li S., Zhang Q., Deng B., Wu B., Gao Y. A Fast and Accurate LEO Satellite-Based Direct Position Determination Assisted by TDOA Measurements. China Communications. 2022, vol. 19, no. 1, pp. 92–103. doi: 10.23919/JCC.2022.01.008Architectures and Key Technical Challenges for 5G Systems Incorporating Satellites / A. Guidotti, A. Vanelli-Coralli, M. Conti, S. Andrenacci, S. Chatzinotas, N. Maturo // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2019. Vol. 68, № 3. P. 2624–2639. doi: 10.1109/TVT.2019.2895263Guidotti A., Vanelli-Coralli A., Conti M., Andrenacci S., Chatzinotas S., Maturo N. Architectures and Key Technical Challenges for 5G Systems Incorporating Satellites. IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2019, vol. 68, no. 3, pp. 2624–2639. doi: 10.1109/TVT.2019.2895263Satellite Communications in the New Space Era: A Survey and Future Challenges / O. Kodheli, E. Lagunas, N. Maturo, Sh. K. Sharma, B. Shankar, J. F. M. Montoya // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2021. Vol. 23, № 1. P. 70–109. doi: 10.1109/COMST.2020.3028247Kodheli O., Lagunas E., Maturo N., Sharma Sh. K., Shankar B., Montoya J. F. M. Satellite Communications in the New Space Era: A Survey and Future Challenges. IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2021, vol. 23, no. 1, pp. 70–109. doi: 10.1109/COMST.2020.3028247Laniewski D., Lanfer E., Aschenbruck N. Measuring Mobile Starlink Performance: A Comprehensive Look // IEEE Open J. of the Communications Society. 2025. Vol. 6. P. 1266–1283. doi: 10.1109/OJCOMS.2025.3539836Laniewski D., Lanfer E., Aschenbruck N. Measuring Mobile Starlink Performance: A Comprehensive Look. IEEE Open J. of the Communications Society. 2025, vol. 6, pp. 1266–1283. doi: 10.1109/OJCOMS.2025.3539836Design and prototyping of a microstrip transmitreceive array antenna for mobile Ku-band satellite terminals / R. Manrique, R. Torres, C. Domínguez, F. Tiezzi, J. R. Mosig // Proc. of the 4th European Conf. on Antennas and Propagation, Barcelona, Spain, 12–16 Apr. 2010. IEEE, 2010. P. 1–5.Manrique R., Torres R., Domínguez C., Tiezzi F., Mosig J. R. Design and Prototyping of a Microstrip Transmitreceive Array Antenna for Mobile Ku-band Satellite Terminals. Proc. of the 4th European Conf. on Antennas and Propagation, Barcelona, Spain, 12–16 April 2010. IEEE, 2010, pp. 1–5.Yang G., Zhang Y., Zhan S. Wide-Band and Wide-Angle Scanning Phased Array Antenna for Mobile Communication System // IEEE Open J. of Antennas and Propagation. 2021. Vol. 2. P. 203–212. doi: 10.1109/OJAP.2021.3057062Yang G., Zhang Y., Zhan S. Wide-Band and Wide-Angle Scanning Phased Array Antenna for Mobile Communication System. IEEE Open J. of Antennas and Propagation. 2021, vol. 2, pp. 203–212. doi: 10.1109/OJAP.2021.3057062Wang Z. X., Dou W. B. Dielectric Lens Antennas Designed for Millimeter Wave Application // Joint 31st Intern. Conf. on Infrared Millimeter Waves and 14th Intern. Conf. on Teraherz Electronics. Shanghai, China, 18–22 Sept. 2006. IEEE, 2006. P. 376. doi: 10.1109/ICIMW.2006.368584Wang Z. X., Dou W. B. Dielectric Lens Antennas Designed for Millimeter Wave Application. Joint 31st Intern. Conf. on Infrared Millimeter Waves and 14th Intern. Conf. on Teraherz Electronics. Shanghai, China, 18–22 Sept. 2006. IEEE, 2006, p. 376. doi: 10.1109/ICIMW.2006.368584ФАР с механоэлектрическим сканированием / Е. А. Литинская, В. С. Панько, С. В. Поленга, Ю. П. Саломатов // Успехи современной радиоэлектроники. 2015. № 1. С. 24–27.Litinskaya E. A., Panko V. S., Polenga S. V., Salomatov Yu. P. Phased Array Antenna with Mechanical and Electronic Beam Steering Nication. J. Achievements of Modern Radioelectronics. 2015, no. 1, pp. 24–27. (In Russ.)Lin H. S., Mou L. W., Cheng Y. J. High-Efficiency Wide-Angle Scanning Mechanoelectrical Hybrid Phased Array Antenna with Mechanically Reconfigurable Element Pattern // IEEE Antennas and Wireless Propagation Let. 2023. Vol. 22, № 7. P. 1567–1571. doi: 10.1109/LAWP.2023.3251439Lin H. S., Mou L. W., Cheng Y. J. HighEfficiency Wide-Angle Scanning Mechanoelectrical Hybrid Phased Array Antenna with Mechanically Reconfigurable Element Pattern. IEEE Antennas and Wireless Propagation Let. 2023, vol. 22, no. 7, pp. 1567–1571. doi: 10.1109/LAWP.2023.3251439Разработка и исследование планарной антенны с широкоугольным механическим сканированием / Ю. Г. Пастернак, В. А. Пендюрин, Д. К. Проскурин, Н. Б. Смольянов // Радиолокация, навигация, связь : сб. тр. XXX Междунар. науч.-техн. конф.: в 5 т., Воронеж, 16–18 апр. 2024. Воронеж: Издательский дом ВГУ, 2024. С. 225–230.Pasternak Yu. G., Pendyurin V. A., Proskurin D. K., Smolyanov N. B. Development and Study of the Planar Antenna with Wide-Angle Mechanical Scanning. Radiolocation, navigation, communication : Proc. of the XXX Intern. Scientific and Technical Conf. Voronezh, 16–18 April 2024. Voronezh, Publishing House VSU, 2024, pp. 225–230. (In Russ.)A New Design of K/Ka Dual-Band Aperture Coupled Antenna / Z. Lai, J. Jiang, F. Zhu, Y. Chen // 12th Int. Conf. on communication software and networks (ICCSN), Chongqing, China, 12–15 June 2020. IEEE, 2020. P. 182–185. doi: 10.1109/ICCSN49894.2020.9139121Lai Z., Jiang J., Zhu F., Chen Y. A New Design of K/Ka Dual-Band Aperture Coupled Antenna. 12th Int. Conf. on communication software and networks (ICCSN), Chongqing, China, 12–15 June 2020. IEEE, 2020, pp. 182–185. doi: 10.1109/ICCSN49894.2020.9139121Wideband Aperture Coupled Line Feeding Microstrip Patch Antenna Design Using Different Shaped Patches / M. Abdullah-Al-Mamun, M. S. Anower, M. R. Billah, S. Datto // Int. Conf. on computer communication and informatics, Coimbatore, India, 27–29 Jan. 2021. IEEE, 2021. P. 1–6. doi: 10.1109/ICCCI50826.2021.9402296Abdullah-Al-Mamun M., Anower M. S., Billah M. R., Datto S. Wideband Aperture Coupled Line Feeding Microstrip Patch Antenna Design Using Different Shaped Patches. Int. Conf. on computer communication and informatics, Coimbatore, India, 27–29 Jan. 2021. IEEE, 2021, pp. 1–6. doi: 10.1109/ICCCI50826.2021.9402296Механически управляемый фазовращатель Ku-диапазона / А. Д. Полигина, С. В. Поленга, Е. А. Стригова, Р. О. Рязанцев // Письма в ЖТФ. 2024. Т. 50, вып. 13. С. 47–50. doi: 10.61011/PJTF.2024.13.58169.19881Poligina A. D., Polenga S. V., Strigova E. A., Ryazantsev R. O. Mechanically Controlled Ku-Band Phase Shifter. Technical Physics Let. 2024, vol. 50, iss. 13, pp. 47–50. (In Russ.) doi: 10.61011/PJTF.2024.13.58169.19881Полигина А. Д., Поленга С. В., Стригова Е. А. Механически управляемый фазовращатель на основе gap-волновода // Письма в ЖТФ. 2024. Т. 50, вып. 3. С. 44–46. doi: 10.61011/PJTF.2024.03.57044.19748Poligina A. D., Polenga S. V., Strigova E. A. Mechanically Controlled Phase Shifter Based on a Gap-Waveguide. Technical Physics Let. 2024, vol. 50, iss. 3, pp. 44–46. (In Russ.) doi: 10.61011/PJTF.2024.03.57044.19748Gap waveguide PMC packaging for improved isolation of circuit components in highfrequency microwave modules / A. U Zaman, M. Alexanderson, T. Vukusic, P. S. Kildal // IEEE Trans. Components, Packaging and Manufacturing Technol. 2014. Vol. 4, iss. 1. P. 16–25. doi:10.1109/TCPMT.2013.2271651Zaman A. U, Alexanderson M., Vukusic T., Kildal P. S. Gap Waveguide PMC Packaging for Improved Isolation of Circuit Components in HighFrequency Microwave Modules. IEEE Trans. Components, Packaging and Manufacturing Technol. 2014, vol. 4, iss. 1, pp. 16–25. doi:10.1109/TCPMT.2013.2271651

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