radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2026-29-1-30-39radioelectronics-1112Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASПечатная 8-лучевая фазированная антенная решетка на основе матрицы Батлера с модифицированными фазовращателями и излучателями дипольного вида с концевым питаниемPrinted Butler Matrix Based Eight-Beam Phased Array with Modified Phasers and End-Fed Dipole-Like Radiatorshttps://orcid.org/0000-0001-5000-7786АлексейцевС. А.AlekseytsevS. A.

Алексейцев Сергей Александрович – кандидат технических наук (2021), доцент кафедры систем сбора и обработки данных. Автор 42 научных публикаций. Сфера научных интересов: электродинамика; антенны; СВЧ-техника.

пр. К. Маркса, д. 20, Новосибирск, 630073

Sergey A. Alekseytsev, Cand. Sci. (Eng.) (2021), Associate Professor of the Department of Data Collection and Processing Systems. The author of 42 scientific publications. Area of expertise: electrodynamics; antennas; microwave technology.

alekseytsev.94@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0004-8066-4946ГорбачевА. П.GorbachevA. P.

Горбачев Анатолий Петрович – доктор технических наук (1999), профессор кафедры радиоприемных и радиопередающих устройств. Автор 103 научных публикаций. Сфера научных интересов: антенны; СВЧ-устройства; фазированные антенные решетки.

пр. К. Маркса, д. 20, Новосибирск, 630073

Anatoly P. Gorbachev, Dr Sci. (Eng.) (1999), Professor of the Department of Radio Receiving and Transmitting Devices. The author of 103 scientific publications. Area of expertise: antennas; microwave devices; phased array antennas.

apgor1904@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8598-4154ПаршинЮ. Н.ParshinYu. N.

Паршин Юрий Николаевич – кандидат технических наук (2022), научный сотрудник. Автор 46 научных публикаций. Сфера научных интересов: антенны; СВЧ-устройства; фазированные антенные решетки.

пр. К. Маркса, д. 20, Новосибирск, 630073

Yuriy N. Parshin, Cand. Sci. (Eng.) (2022), Research Fellow The author of 46 scientific publications. Area of expertise: antennas; microwave devices; phased array antennas.

jurparmik@mail.ruНовосибирский государственный технический университетРоссияNovosibirsk State Technical UniversityRussian Federation2026100320262913039Copyright © Алексейцев С.А., Горбачев А.П., Паршин Ю.Н., 20262026Алексейцев С.А., Горбачев А.П., Паршин Ю.Н.Alekseytsev S.A., Gorbachev A.P., Parshin Y.N.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/1112

Введение. Представлены сравнительные результаты электродинамического моделирования и натурных измерений в безэховой камере опытного образца печатной 8-лучевой фазированной антенной решетки на основе матрицы Батлера. Приведена математическая модель модифицированного дифференциального фазовращателя, защищенного патентом Российской Федерации и характеризующегося наибольшей на сегодняшний день широкополосностью. Предложена и охарактеризована топология инновационного излучателя дипольного вида с концевым питанием. Цель работы. Проектирование на основе системного подхода 8-лучевой антенной решетки, моделирование ее основных электродинамических характеристик и сравнение с результатами натурных экспериментов. Материалы и методы. В качестве методов для проектирования электродинамических моделей элементов и узлов диаграммообразующей схемы, а также излучателя используются метод наводимых электродвижущих сил, математические основы проектирования микрополосковой техники, процедуры электродинамического моделирования элементов и узлов микроволновой техники и СВЧ-устройств. В качестве материалов служит отечественный диэлектрический материал ФАФ-4Д с относительной диэлектрической проницаемостью 2.5. Результаты. Экспериментально получены характеристики согласования и направленности 8-лучевой антенной решетки, и осуществлено их сравнение с результатами полноволнового электродинамического моделирования. В результате в полосе частот 2.02…2.37 ГГц наблюдается приемлемое совпадение измеренных и смоделированных результатов по положениям лучей, интенсивностям кроссполяризации, коэффициентам отражения и развязке между входами матрицы Батлера – не хуже –15 дБ. Заключение. Проектирование и финальная доработка фазированных антенных решеток с улучшенными электродинамическими характеристиками при учете отечественных конструкторско-технологических норм и требований позволит создать предпосылки для качественного увеличения тактико-технических показателей приемопередающих устройств в целом, а также системно отработать процедуры синтеза таких решеток и их отдельных узлов.

Introduction. This paper presents comparative results of electrodynamic modeling and field measurements in an anechoic chamber of a prototype of a printed eight-beam phased antenna array based on the Butler matrix. A mathematical model of a modified differential phase shifter protected by a patent of the Russian Federation and characterized by the highest broadband to date is presented. The topology of an innovative dipole-type radiator with end feeding is proposed and characterized. Aim. To design an eight-beam antenna array based on a systems approach, to model its main electrodynamic characteristics, and to compare them with the results of full-scale experiments. Materials and methods. Electrodynamic models of elements and units of the diagram-forming circuit, as well as the emitter, were designed using the method of induced electromotive forces, mathematical foundations of designing microstrip-technologies, procedures for electrodynamic modeling of elements and units of microwave technology and microwave devices. The FAF-4D domestic dielectric material with a relative permittivity of 2.5 was used. Results. The characteristics of the matching and directivity of the eight-beam antenna array were obtained followed by their comparison with the results of full-wave electrodynamic modeling. As a result, in the frequency band of 2.02…2.37 GHz, an acceptable coincidence of the measured and modeled results is observed for the positions of the beams, cross-polarization intensities, reflection coefficients, and decoupling between the Butler matrix inputs of no worse than 15 dB. Conclusion. The design and final refinement of phased antenna arrays with improved electrodynamic characteristics, taking domestic design and technological standards into account, will form a basis for a qualitative increase in the tactical and technical performance of transceiver devices as a whole, allowing procedures for synthesizing such arrays and their individual units to be developed.

фазированная решеткамноголучевой режим работыматрица Батлерадиаграмма направленностикоэффициент отражениякроссполяризациятехнология печатных платphased arraymulti-beam modeButler matrixradiation patternreflection coefficientcrosspolarizationprinted circuit board technologyИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29-20048 (https://rscf.ru/project/24-29-20048/), а также при финансовой поддержке Правительства Новосибирской области, соглашение № р-77.The study was supported by the grant of the Russian Science Foundation No. 24-29-20048 (https://rscf.ru/project/24-29-20048/), as well as with the financial support of the Government of the Novosibirsk Region, agreement No. p-77.ReferencesHandbook of Antenna Technologies. Singapore: Springer, 2016. 3473 p.Handbook of Antenna Technologies. Singapore, Springer, 2016, 3473 p.Butler matrix based beamforming networks for phased array antenna systems: a comprehensive review and future directions for 5G applications / A. K. Vallappil, M. K. A. Rahim, B. A. Khawaja, N. A. Murad, M. G. Mustapha // IEEE Access. 2021. Vol. 9. P. 3970–3987. doi: 10.1109/ACCESS.2020.3047696Vallappil A. K., Rahim M. K. A., Khawaja B. A., Murad N. A., Mustapha M. G. Butler Matrix Based Beam forming Networks For Phased Array Antenna Systems: a Comprehensive Review and Future Directions for 5G Applications. IEEE Access. 2021, vol. 9, pp. 3970–3987. doi: 10.1109/ACCESS.2020.3047696Orthogonal versus zero-forced beamformig in multibeam antenna systems: review and challenges for future wireless networks / Y. Aslan, A. Roederer, N. J. G. Fonseca, P. Angeletti, and A. Yarovoy // IEEE J. of Microwaves. 2021. Vol. 1, № 4. P. 879–901. doi: 10.1109/JMW.2021.3109244Aslan Y., Roederer A., Fonseca N. J. G., Angeletti P., Yarovoy A. Orthogonal Versus Zero-Forced Beamformig in Multibeam Antenna Systems: Review and Challenges for Future Wireless Networks. IEEE J. of Microwaves. 2021, vol. 1, no. 4, pp. 879–901. doi: 10.1109/JMW.2021.3109244Butler J., Lowe R. Beam forming matrix simpli fies design of electronically scanned antennas // Electronic Design. 1961. Vol. 9. P. 170–173.Butler J., Lowe R. Beam Forming Matrix Simplifies Design of Electronically Scanned Antennas. Electronic Design. 1961, vol. 9, pp. 170–173.Pat. U.S. 3 255 450. Multiple beam antenna system employing multiple directional couplers in the leadin / J. L. Butler. Publ. 07.06.1966.Butler J. L. Multiple Beam Antenna System Employing Multiple Directional Couplers in the Leadin. U.S. Pat. 3 255 450. Publ. 07.06.1966.Wincza K., Gruszczynski S. Broadband integrated 8×8 Butler matrix utilizing quadrature couplers and Schiffman phase shifters for multibeam antennas with broadside beam // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2016. Vol. 64, № 8. P. 2596–2604. doi: 10.1109/TMTT.2016.2582877Wincza K., Gruszczynski S. Broadband Integrated 8×8 Butler Matrix Utilizing Quadrature Couplers and Schiffman Phase Shifters for Multibeam Antennas with Broadside Beam. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2016, vol. 64, no. 8, pp. 2596–2604. doi: 10.1109/TMTT.2016.2582877Dual-function radar-communication system de sign via sidelobe manipulation based on FDA Butler matrix / S. Y. Nusenu, S. Huaizong, P. Ye, W. Xuehan, A. Basit // IEEE Antennas Wireless Propag. Let. 2019. Vol. 18, № 3. P. 452–456. doi: 10.1109/LAWP.2019.2894015Nusenu S. Y., Huaizong S., Ye P., Xuehan W., Basit A. Dual-Function Radar-Communication System Design Via Sidelobe Manipulation Based on FDA Butler Matrix. IEEE Antennas Wireless Propag. Let. 2019, vol. 18, no. 3, pp. 452–456. doi: 10.1109/LAWP.2019.2894015Nasseri H., Bemani M., Ghaffarlou A. A new method for arbitrary amplitude distribution generation in 4×8 Butler matrix // IEEE Microwave and Wireless Components Let. 2020. Vol. 30, № 3. P. 249–252. doi: 10.1109/LMWC.2020.2966929Nasseri H., Bemani M., Ghaffarlou A. A New Method for Arbitrary Amplitude Distribution Generation in 4×8 Butler Matrix. IEEE Microwave and Wireless Components Let. 2020, vol. 30, no. 3, pp. 249–252. doi: 10.1109/LMWC.2020.2966929Jenn D. C., Chua E.-H. Two-port hybrid ring dipole with simultaneous sum an difference element patterns // Electronics Let. 2003. Vol. 39, № 12. P. 892–894. doi: 10.1049/el:20030584Jenn D. C., Chua E.-H. Two-Port Hybrid Ring Dipole with Simultaneous Sum an Difference Element Patterns. Electronics Let. 2003, vol. 39, no. 12, pp. 892–894. doi: 10.1049/el:20030584Alhalabi R. A., Rebeiz G. M. Differentially-fed millimeter-wave Yagi-Uda antennas with folded dipole feed // IEEE Trans. Antennas. Propag. 2010. Vol. 58, № 3. P. 966–969. doi: 101109/TAP.2009.2039320Alhalabi R. A., Rebeiz G. M. Differentially-Fed Millimeter-Wave Yagi-Uda Antennas with Folded Dipole Feed. IEEE Trans. Antennas. Propag. 2010, vol. 58, no. 3, pp. 966–969. doi: 101109/TAP.2009.2039320Пат. RU 2472261 С1. Дипольный излучатель / Д. А. Бухтияров, А. П. Горбачев, Ю. О. Филимонова. Опубл. 10.01.2013.Bukhtiyarov D. A., Gorbachev A. P., Filimonova Yu. O. Dipole emitter. Pat. RU 2472261. Publ. 10.01.2013. (In Russ.)Bukhtiyarov D. A., Gorbachev A. P., Zhelezko S. Yu. Improvement of the quasi-Yagi antenna performances by using an ends-fed dipole driver // Universal J. of Electrical and Electronic Engineering. 2014. Vol. 2, № 1. P. 6–17. doi: 10.13189/ujeee.2014.020102Bukhtiyarov D. A., Gorbachev A. P., Zhelezko S. Yu. Improvement of the Quasi-Yagi Antenna Performances by Using an Ends-Fed Dipole Driver. Universal J. of Electrical and Electronic Engineering. 2014, vol. 2, no. 1, pp. 6–17. doi: 10.13189/ujeee.2014.020102Alekseytsev S. A., Gorbachev A. P. The novel printed dual-band quasi-Yagi antenna with end-fed dipole-like driver // IEEE Trans. Antennas Propag. 2020. Vol. 68, № 5. P. 4088–4090. doi: 101109/TAP.2019.2950837Alekseytsev S. A., Gorbachev A. P. The Novel Printed Dual-Band Quasi-Yagi Antenna with End-Fed Dipole-Like Driver. IEEE Trans. Antennas Propag. 2020, vol. 68, no. 5, pp. 4088–4090. doi: 101109/TAP.2019.2950837Gorbachev A., Parshin Yu. All-pass phaser on a base of half-wave coupled-line section and its application // Microw. Opt. Technol. Let. 2021. Vol. 63, iss. 10. P. 2570–2575. doi: 10.1002/mop.32925Gorbachev A., Parshin Yu. All-Pass Phaser on a Base of Half-Wave Coupled-Line Section and Its Application. Microw. Opt. Technol. Let. 2021, vol. 63, iss. 10, pp. 2570–2575. doi: 10.1002/mop.32925Alekseytsev S. A., Gorbachev A. P., Parshin Yu. N. An analysis of microwave radiators in order to diminish the array scan blindness // 1st Intern. Conf. Problems of Informatics, Electronics, and Radio Engineering (PIERE), Novosibirsk, 10–11 Dec. 2020. IEEE, 2020. P. 64–68. doi: 10.1109/PIERE51041.2020.9314639Alekseytsev S. A., Gorbachev A. P., Parshin Yu. N. An Analysis of Microwave Radiators in Order to Diminish the Array Scan Blindness. 1st Intern. Conf. Problems of Informatics, Electronics, and Radio Engineering (PIERE), Novosibirsk, 10–11 Dec. 2020. IEEE, 2020, pp. 64–68. doi: 10.1109/PIERE51041.2020.9314639Schiffman B. M. A new class of broad-band microwave 90-degree phase shifters // IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1958. Vol. 6, № 2. P. 232–237. doi: 10.1109/TMTT.1958.1124543Schiffman B. M. A New Class of Broad-Band Microwave 90-Degree Phase Shifters. IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1958, vol. 6, no. 2, pp. 232–237. doi: 10.1109/TMTT.1958.1124543Lyu Y.-P., Zhu L., Cheng C.-H. Design and analysis of Schiffman phase shifter under operation of its second phase period // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 2018. Vol. 66, № 7. P. 3263–3269. doi: 10.1109/TMTT.2018.2829170Lyu Y.-P., Zhu L., Cheng C.-H. Design and Analysis of Schiffman Phase Shifter under Operation of Its Second Phase Period. IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 2018, vol. 66, no. 7, pp. 3263–3269. doi: 10.1109/TMTT.2018.2829170Brenner H. E. Perturbations of the critical parameters of quarter-wave directional couplers // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1967. Vol. 15, № 6. P. 384–385. doi: 10.1109/TMTT.1967.1126481Brenner H. E. Perturbations of the Critical Parameters of Quarter-Wave Directional Couplers. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1967, vol. 15, no. 6, pp. 384–385. doi: 10.1109/TMTT.1967.1126481Monaco V. A., Tiberio P. Computer-aided analysis of microwave circuits // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1974. Vol. 22, № 3. P. 249–263. doi: 10.1109/TMTT.1974.1128208Monaco V. A., Tiberio P. Computer-Aided Analysis of Microwave Circuits. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1974, vol. 22, no. 3, pp. 249–263. doi: 10.1109/TMTT.1974.1128208Parshin Yu. N. Wideband phase shifters at 22.5, 45 and 67.5 degrees // 1st Intern. Conf. Problems of Informatics, Electronics, and Radio Engineering (PIERE), Novosibirsk, 10–11 Dec. 2020. IEEE, 2020. P. 84–87. doi: 10.1109/PIERE51041.2020.9314688Parshin Yu. N. Wideband Phase Shifters at 22.5, 45 and 67.5 Degrees. 1st Intern. Conf. Problems of Informatics, Electronics, and Radio Engineering (PIERE), Novosibirsk, 10–11 Dec. 2020. IEEE, 2020, pp. 84–87. doi: 10.1109/PIERE51041.2020.9314688Паршин Ю. Н. Печатные многолучевые антенные решетки с модифицированными фазовращателями и излучателями дипольного вида: дис. … канд. техн. наук / Новосибирск, 2023. 198 с.Parshin Yu. N. Printed Multi-Beam Phased Arrays with Modified Phase Shifters and Dipole-Like Radiators. Ph. D. dissertation, Radio and Electronic Dept., Novosibirsk State Technical Univ., Novosibirsk, 2022. (In Russ.)Kolesnikov A. A., Parshin Yu. N., Alekseytsev S. A. Four-beam phased antenna array based on multi-element end-fed dipole-like radiator // IEEE 25th Intern. Conf. of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM), Novosibirsk, 28 Jun–2 July 2024. IEEE, 2024. P. 430–434. doi: 10.1109/EDM61683.2024.10615015Kolesnikov A. A., Parshin Yu. N., Alekseytsev S. A. Four-Beam Phased Antenna Array Based on Multi-Element End-Fed Dipole-Like Radiator. IEEE 25th Intern. Conf. of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM), Novosibirsk, 28 Jun–2 July 2024. IEEE, 2024, pp. 430–434. doi: 10.1109/EDM61683.2024.10615015CST Studio Suite. URL: https://www.3ds.com/products/catia/student-license-program (дата обращения: 06.06.2025).CST Studio Suite. Available at: https://www.3ds.com/products/catia/student-license-program (accessed: 06.06.2025).Алексейцев С. А., Горбачев А. П. Печатные двухдиапазонные директорные антенны с концевым питанием возбудителя дипольного вида. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2022. 216 с.Alekseytsev S. A., Gorbachev A. P. Pechatnye dvukhdiapazonnye direktornye antenny s kontsevym pitaniem vozbuditelya dipol'nogo vida [Printed Dual-Band Director Type Antennas with an End Supply Dipole Exciter]. Novosibirsk, NSTU Publisher, 2022, 216 p. (In Russ.)Горбачев А. П., Паршин Ю. Н. Печатные многолучевые антенные решетки с модифицированными фазовращателями и излучателями дипольного вида. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2023. 176 с.Gorbachev A. P., Parshin Yu. N. Pechatnye mnogoluchevye antennye reshetki s modifitsirovannymi fazov rashchatelyami i izluchatelyami dipol'nogo vida [Printed Multi-Beam Antenna Arrays with Dipole-Type Emitters]. Novosibirsk, NSTU Publisher, 2023, 176 p. (In Russ.)

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