radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2021-24-4-37-47radioelectronics-540Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASРазборная отражательная антенная решетка Ku-диапазона частот на основе микрополоскового элемента в виде мальтийского крестаA Ku-Band Foldable Reflectarray Based on a Maltese-Cross Microstrip Elementhttps://orcid.org/0000-0002-1375-2629ПоленгаС. В.PolengaS. V.

Поленга Станислав Владимирович – магистр по направлению "Радиотехника" (2009), старший преподаватель кафедры радиотехники

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041

Stanislav V. Polenga, Master’s degree in Radio Engineering (2009), senior lecturer of the Department of Radio Engineering

79 Svobodny Ave., Krasnoyarsk 660041 

twinlive@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-1747-0917РязанцевР. О.RyazantsevR. O.

Рязанцев Роман Олегович – кандидат технических наук (2019), доцент кафедры радиотехники

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041

Roman O. Ryazantsev, Cand. Sci. (Eng.) (2019), associate professor of Department of Radio Engineering

79 Svobodny Ave., Krasnoyarsk 660041 

rryazantsev@sfu-kras.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5810-7626ПолигинаА. Д.PoliginaA. D.

Полигина Анастасия Дмитриевна – магистр по направлению "Радиотехника" (2021)

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041

Anastasia D. Poligina, Master’s degree in Radio Engineering (2021)

79 Svobodny Ave., Krasnoyarsk 660041 

anastasia0711@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0899-8595КрыловР. М.KrylovR. M.

Крылов Роман Михайлович – инженер по специальности "Конструирование и проектирование РЭА" (2009), инженер кафедры радиотехники

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041

Roman M. Krylov, engineer on Design and Engineering of Electronic Equipment (2009), engineer of the Department of Radio Engineering

79 Svobodny Ave., Krasnoyarsk 660041 

krulow_roman@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4442-8047ЛитинскаяЕ. А.LitinskayaE. A.

Литинская Елена Алексеевна – магистр по направлению "Радиотехника" (2011), аспирант, старший преподаватель кафедры радиотехники

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041

Elena A. Litinskaya, Master’s degree in Radio Engineering (2011), postgraduate student, senior lecturer of the Department of Radio Engineering

79 Svobodny Ave., Krasnoyarsk 660041 

ylitinskaya@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-4309-226XСаломатовЮ. П.SalomatovYu. P.

Саломатов Юрий Петрович – кандидат технических наук (1982), профессор (2013) кафедры радиотехники

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041

Yury P. Salomatov, Cand. Sci. (Eng.) (1982), Professor (2013) of the Department of Radio Engineering

79 Svobodny Ave., Krasnoyarsk 660041 

ysalomatov@sfu-kras.ruСибирский федеральный университетРоссияSiberian Federal UniversityRussian Federation2021280920212443747Copyright © Поленга С.В., Рязанцев Р.О., Полигина А.Д., Крылов Р.М., Литинская Е.А., Саломатов Ю.П., 20212021Поленга С.В., Рязанцев Р.О., Полигина А.Д., Крылов Р.М., Литинская Е.А., Саломатов Ю.П.Polenga S.V., Ryazantsev R.O., Poligina A.D., Krylov R.M., Litinskaya E.A., Salomatov Y.P.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/540

Введение. Отражательные антенные решетки (ОАР) обладают рядом конструктивных и функциональных преимуществ относительно ближайшего аналога – зеркальных антенн (ЗА). Наиболее предпочтительными элементами ОАР являются микрополосковые, однако однослойные микрополосковые элементы зачастую не позволяют точно скорректировать фазу в ОАР из-за ограниченного диапазона фазовой регулировки и высокой крутизны фазовой кривой. Использование многослойных элементов заметно усложняет и удорожает конструкцию антенны. В связи с этим актуален поиск однослойных элементов, обеспечивающих фазовую регулировку более 360° с малой крутизной фазовой кривой.Цель работы. Разработка однослойного микрополоскового фазокорректирующего элемента отражательного типа с диапазоном регулировки более 360° и создание на его основе ОАР для работы в сетях спутниковой связи.Материалы и методы. Численные исследования проведены методом конечных элементов и методом конечных разностей во временно́й области. Характеристики направленности измерялись сканированием ближнего поля в безэховой камере.Результаты. Разработан фазокорректирующий элемент на основе однослойного микрополоскового резонатора в виде мальтийского креста с близкой к линейной зависимостью фазы отраженной волны от размера элемента, обеспечивающий диапазон фазовой регулировки более 360°. На основе исследованного элемента разработана и изготовлена разборная конструкция ОАР, в которой рефлектор состоит из четырех подрешеток, что обеспечивает компактное свертывание ОАР для транспортировки. Результаты экспериментальных исследований показали высокую эффективность ОАР, коэффициент усиления (КУ) которой на 1.5 дБ ниже КУ ЗА идентичных габаритных размеров в относительной полосе рабочих частот (ОПРЧ) 7 %. ОПРЧ ОАР по уровню снижения КУ на 1 дБ составила 11 %.Заключение. На основе элемента в виде мальтийского креста возможна реализация однослойных ОАР с ОПРЧ более 10 %. Разработанный макет показал возможность создания высокоэффективных сворачиваемых ОАР для работы в составе терминалов спутниковой связи и телевидения.

Introduction. Reflectarrays have a number of design and functional advantages over their closest analogue - reflector antennas (RA). Although microstrip elements are the most preferred reflectarray elements, single-layer microstrip elements do not allow accurate phase control due to the limited phase adjustment range and a high phase slope. The use of multilayer elements significantly complicates the antenna design and increases its cost. The development of a single-layer element that allows more than 360° phase adjustment and a low phase curve slope is urgent.Aim. To develop a single-layer microstrip phase-correcting element with a phase adjustment range of more than 360° and to design a reflectarray on its basis for operation in satellite communication networks.Materials and methods. Numerical studies were carried out using finite element analysis and the finite-difference time-domain method. Radiation patterns were measured using the near-field scanning method in an anechoic chamber.Results. A phase-correcting element based on a single-layer Maltese cross-shaped microstrip element with close to linear dependence of element size on the phase of the reradiated wave and more than 360° phase adjustment range was developed. On the basis of the investigated element, a foldable reflectarray was designed. The reflector consists of four subarrays, which provide its compact folding for transportation. The results of experimental studies confirmed a high efficiency of the reflectarray, the gain of which is 1.5 dB lower than that of an identical overall dimensions RA in a 7 % operating frequency band. The operating frequency band of the reflectarray in 1 dB gain zone was 11 %.Conclusion. On the basis of a Maltese cross microstrip element, it is possible to implement a single-layer reflectarray with a more than 10 % frequency band. The developed prototype showed the possibility of creating highly efficient foldable reflectarrays for operation in satellite communication and television terminals.

отражательная антенная решеткаячейка Флокемикрополосковый элементreflectarrayFloquet cellmicrostrip elementИсследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ, Правительства Красноярского края и Красноярского краевого фонда науки в рамках научного проекта № 20-47-240003.The research was funded by RFBR, Krasnoyarsk Territory and Krasnoyarsk Regional Fund of Science, project number 20-47-240003.ReferencesA Ku-band foldable reflectarray / S. V. Polenga, A. V. Stankovsky, Y. A. Litinskaya, R. M. Krylov, A. M. Alexandrin, Y. P. Salomatov // XIV Intern. Scientific-Technical Conf. on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE), Novosibirsk, Russia, 2–6 Oct. 2018. Piscataway: IEEE, 2018. Acc. № 18303692. doi: 10.1109/APEIE.2018.8545456Polenga S. V., Stankovsky A. V., Litinskaya Y. A., Krylov R. M., Alexandrin A. M., Salomatov Y. P. A Ku-band foldable reflectarray. XIV Intern. Scientific-Technical Conf. on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). Novosibirsk, Russia, 2–6 Oct. 2018. Piscataway, IEEE, 2018, acc. no. 18303692. doi: 10.1109/APEIE.2018.8545456Chen Y. S., Wu Y. H., Chung C. C. Solar–powered active integrated antennas backed by a transparent reflectarray for cubesat applications // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 137934–137946. doi: 10.1109/ACCESS.2020.3012133Chen Y. S., Wu Y. H., Chung C. C. Solar–powered active integrated antennas backed by a transparent reflectarray for cubesat applications. IEEE Access. 2020, vol. 8, pp. 137934–137946. doi: 10.1109/ACCESS.2020.3012133A Ka–band high–efficiency transparent reflectarray antenna integrated with solar cells / W. An, L. Xiong, S. Xu, F. Yang, H. Fu, J. Ma // IEEE Access. 2018. Vol. 6. P. 60843– 60851. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2875359An W., Xiong L., Xu S., Yang F., Fu H., Ma J. A Kaband high–efficiency transparent reflectarray antenna integrated with solar cells. IEEE Access. 2018, vol. 6, pp. 60843–60851. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2875359Отражательная антенная решетка для сетей дуплексной спутниковой связи технологии VSAT / С. В. Поленга, Е. А. Литинская, Ю. П. Саломатов, Р. М. Крылов // Успехи современной радиоэлектроники. 2012. № 9. C. 39–42.Polenga S. V., Litinskaya Y. A., Salomatov Y. P., Krylov R. M. Reflectarray antenna for bidirectional VSAT satellite communication networks. Achievements of modern radioelectronics. 2012, no. 9, pp. 39–42.Ballandovich S. V., Liubina L. M., Sugak M. I. Investigation of slot reflectarray antennas // Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT), Moscow, Russia, 14–16 March 2018. Piscataway: IEEE, 2018. Acс. № 17715494. doi: 10.1109/MWENT.2018.8337282Ballandovich S. V., Liubina L. M., Sugak M. I. Investigation of slot reflectarray antennas. Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT). Moscow, Russia, 14–16 March 2018. Piscataway, IEEE, 2018, acс. no. 17715494. doi: 10.1109/MWENT.2018.83372823D printed reflectarray antenna at 60 GHz / B. Chen, H. Yi, K. B. Ng, S. Qu, C. H. Chan // Intern. Symp. on Antennas and Propagation (ISAP), Okinawa, Japan, 24–28 Oct. 2016. Piscataway: IEEE, 2016. Acc. № 16602081.Chen B., Yi H., Ng K. B., Qu S., Chan C. H. 3D printed reflectarray antenna at 60 GHz. Intern. Symp. on Antennas and Propagation (ISAP). Okinawa, Japan, 24–28 Oct. 2016. Piscataway, IEEE, 2016, acc. no. 16602081.Wideband 3D–printed reflectarray of closed–volume elements / Y. Antonov, S. Ballandovich, G. Kostikov, L. Liubina, M. Sugak // 10th Intern. Congress on ultra modern telecommunications and control systems and workshops (ICUMT), Moscow, Russia, 5–9 Nov. 2018. Piscataway: IEEE, 2018. Acc. № 18439590. doi: 10.1109/ICUMT.2018.8631236Antonov Y., Ballandovich S., Kostikov G., Liubina L., Sugak M. Wideband 3D–printed reflectarray of closed–volume elements. 10th Intern. Congress on ultra modern telecommunications and control systems and workshops (ICUMT). Moscow, Russia, 5–9 Nov. 2018. Piscataway, IEEE, 2018, acc. no. 18439590. doi: 10.1109/ICUMT.2018.8631236A Ka–band shaped–beam circularly polarized reflectarray antenna / S. V. Polenga, A. A. Erokhin, R. M. Krylov, A. V. Stankovsky, Y. A. Litinskaya, A. D. Hudonogova, I. Y. Danilov, Yu. P. Salomatov // Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW), Divnomorskoe, Russia, 24–28 June 2019. Piscataway: IEEE, 2019. Acc. № 18904513. doi: 10.1109/RSEMW.2019.8792697Polenga S. V., Erokhin A. A., Krylov R. M., Stankovsky A. V., Litinskaya Y. A., Hudonogova A. D., Danilov I. Y., Salomatov Yu. P. A Ka–band shaped–beam circularly polarized reflectarray antenna. Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW). Divnomorskoe, Russia, 24–28 June 2019. Piscataway, IEEE, 2019, acc. no. 18904513. doi: 10.1109/RSEMW.2019.8792697Zhao G., Jiao Y., Zhang F. Broadband design of a shaped beam reflectarray with China coverage pattern // Proc. of the 9th Intern. Symp. on Antennas, Propagation and EM Theory, Guangzhou, China, 29 Nov.– 2 Dec. 2010. Piscataway: IEEE, 2010. Acc. № 11772827. doi: 10.1109/ISAPE.2010.5696447Zhao G., Jiao Y., Zhang F. Broadband design of a shaped beam reflectarray with China coverage pattern. Proc. of the 9th Intern. Symp. on Antennas, Propagation and EM Theory. Guangzhou, China, 29 Nov. – 2 Dec. 2010. Piscataway, IEEE, 2010, acc. no. 11772827. doi: 10.1109/ISAPE.2010.5696447Analysis of multi–faceted reflectarray antenna for spatial bandwidth improvement / V. Patel, P. Mevada, D. Pujara, S. Chakrabarty, M. Mahajan // IEEE Intern. Symp. on Antennas and Propagation and North American Radio Science Meeting, Montreal, Canada, 5–10 July 2020. Piscataway: IEEE, 2020. Acc. № 20465479. doi: 10.1109/IEEECONF35879.2020.9329895Patel V., Mevada P., Pujara D., Chakrabarty S., Mahajan M. Analysis of multi–faceted reflectarray antenna for spatial bandwidth improvement. IEEE Intern. Symp. on Antennas and Propagation and North American Radio Science Meeting. Montreal, Canada, 5–10 July 2020. Piscataway, IEEE, 2020, acc. no. 20465479. doi: 10.1109/IEEECONF35879.2020.9329895Impact of feed position on the operating band of broadband reflectarray antenna / M. Mohammadirad, N. Komjani, M. R. Chaharmir, J. Shaker, A. R. Sebak // IEEE Antennas and Wireless Propagation Lett. 2012. Vol. 11. P. 1104–1107. doi: 10.1109/LAWP.2012.2218563Mohammadirad M., Komjani N., Chaharmir M. R., Shaker J., Sebak A. R. Impact of feed position on the operating band of broadband reflectarray antenna. IEEE Antennas and Wireless Propagation Lett. 2012, vol. 11, pp. 1104– 1107. doi: 10.1109/LAWP.2012.2218563Carrasco E., Encinar J. A., Barba M. Bandwidth improvement in large reflectarrays by using true-time delay // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2008. Vol. 56, № 8. P. 2496–2503. doi: 10.1109/TAP.2008.927559Carrasco E., Encinar J. A., Barba M. Bandwidth improvement in large reflectarrays by using true-time delay. IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2008, vol. 56, no. 8, pp. 2496–2503. doi: 10.1109/TAP.2008.927559Encinar J. A. Design of two-layer printed reflectarrays using patches of variable size // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2001. Vol. 49, № 10. P. 1403–1410. doi: 10.1109/8.954929Encinar J. A. Design of two-layer printed reflectarrays using patches of variable size. IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2001, vol. 49, no. 10, pp. 1403–1410. doi: 10.1109/8.954929ANN characterization of multi-layer reflectarray elements for contoured-beam space antennas in the Kuband / P. Robustillo, J. Zapata, J. A. Encinar, J. Rubio // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2012. Vol. 60, № 7. P. 3205–3214. doi: 10.1109/TAP.2012.2196941Robustillo P., Zapata J., Encinar J. A., Rubio J. ANN characterization of multi-layer reflectarray elements for contoured-beam space antennas in the Ku-band. IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2012, vol. 60, no. 7, pp. 3205–3214. doi: 10.1109/TAP.2012.2196941Study on three-layer refelectarray microstrip patches with polarisation transform / H.–H. Chen, W.–X. Zhang, Z.–H. Wu, H.–L. Sun // First Europ. Conf. on Antennas and Propagation, Nice, France, 6–10 Nov. 2006. Piscataway: IEEE, 2018. Acc. № 10152828. doi: 10.1109 /EUCAP.2006.4584622Chen H.–H., Zhang W.–X., Wu Z.–H., Sun H.–L. Study on three-layer refelectarray microstrip patches with polarisation transform. First Europ. Conf. on Antennas and Propagation. Nice, France, 6–10 Nov. 2006. Piscataway, IEEE, 2018, acc. no. 10152828. doi: 10.1109/EUCAP.2006.4584622Capacitive loading effect of dual element reconfigurable reflectarray unit cell / M. A. Daud, N. Misran, M. F. Mansor, M. Y. Ismail // IEEE 14th Malaysia Intern. Conf. on Communication (MICC), Selangor, Malaysia, 2–4 Dec. 2019. Piscataway: IEEE, 2019. Acc. № 19471408. doi: 10.1109/MICC48337.2019.9037584Daud M. A., Misran N., Mansor M. F., Ismail M. Y. Capacitive loading effect of dual element reconfigurable reflectarray unit cell. IEEE 14th Malaysia Intern. Conf. on Communication (MICC). Selangor, Malaysia, 2–4 Dec. 2019. Piscataway, IEEE, 2019, acc. no. 19471408. doi: 10.1109/MICC48337.2019.9037584A design of a broadband single layer polarization beam splitting reflectarray using varying-sized cross dipoles / S. Yu, H. Zhang, S. Liu, B. Bian // Progress In Electromagnetics Research Symposium – Spring (PIERS), St Petersburg, Russia, 22–25 May 2017. Piscataway: IEEE, 2017. Acc. № 17521116. doi: 10.1109/PIERS.2017.8261835S. Yu, H. Zhang, S. Liu, B. Bian A design of a broadband single layer polarization beam splitting reflectarray using varying-sized cross dipoles./ Progress In Electromagnetics Research Symposium – Spring (PIERS). St Petersburg, Russia, 22–25 May 2017. Piscataway, IEEE, 2017, acc. no. 17521116. doi: 10.1109/PIERS.2017.8261835

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