radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2021-24-5-36-49radioelectronics-553Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASАнтенная решетка на основе резонаторов Фабри–Перо с механоэлектрическим сканированиемAntenna Array Based on Fabry–Perot Cavity with Mechanoelectrical Beam Steeringhttps://orcid.org/0000-0002-4442-8047ЛитинскаяЕ. А.LitinskayaY. A.

Литинская Елена Алексеевна – магистр по направлению «Радиотехника» (2011), аспирантка, старший преподаватель кафедры радиотехники

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041, Россия

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

79 Svobodny Ave., Krasnoyarsk 660041, Russia

ylitinskaya@gmail.comhttps://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, Россия

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

79 Svobodny Ave., Krasnoyarsk 660041, Russia

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

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

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041, Россия

Yury P. Salomatov, Cand. Sci. (Eng.) (1982), Professor (2002), Associate Professor at the Department of Radio Engineering

79 Svobodny Ave., Krasnoyarsk 660041, Russia

ysalomatov@sfu-kras.ruСибирский федеральный университетРоссияSiberian Federal UniversityRussian Federation2021281120212453649Copyright © Литинская Е.А., Поленга С.В., Саломатов Ю.П., 20212021Литинская Е.А., Поленга С.В., Саломатов Ю.П.Litinskaya Y.A., Polenga S.V., Salomatov Y.P.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/553Введение

Введение. Организация сетей спутниковой связи на мобильных объектах в труднодоступных, удаленных местностях является актуальной задачей в рамках развития информационной связанности территорий РФ. Для организации спутниковой связи на транспортных средствах необходимы низкопрофильные эффективные антенные системы (АС) с сохранением характеристик направленности в широком секторе углов сканирования.

Цель работы

Цель работы. Исследование АР на основе резонатора Фабри–Перо с механоэлектрическим сканированием, а также оценка коэффициента усиления и направленности решетки при различных углах сканирования.

Материалы и методы

Материалы и методы. Численные исследования проведены методом конечных элементов (FEM – finite element method) и методом конечных разностей во временной области (FDTD), а также методами постобработки результатов.

Результаты

Результаты. Проведено моделирование подрешетки на основе резонатора Фабри–Перо для АР с механоэлектрическим сканированием. Установлено, что коэффициент усиления (КУ) подрешетки на основе резонатора Фабри–Перо составляет не менее 32.5 дБ в полосе частот от 11.9 до 12.5 ГГц, а апертурный коэффициент использования поверхности (КИП) – не менее 0.65. В ходе исследования разработана и изготовлена АР на основе резонатора Фабри–Перо с механоэлектрическим сканированием. Характеристики АР на основе резонатора Фабри–Перо, полученные электродинамическим моделированием, совпадают с характеристиками, найденными экспериментальным путем. Деградация КУ АР на основе резонаторов Фабри–Перо составляет не более 2.5 дБ в секторе углов сканирования 0…70°. Отмечены преимущества использования антенных элементов на основе резонатора Фабри–Перо и построения на их основе мобильных спутниковых АС с широкоугольным сканированием.

Заключение

Заключение. Применение в качестве излучателя резонатора Фабри–Перо и построение на его основе АР с механоэлектрическим сканированием позволяет достичь апертурного КИП антенны не менее 0.5 и деградации КУ в секторе углов 0…70° не более 2.5 дБ в полосе частот 11.9…12.5 ГГц

Introduction

Introduction. Introduction. Low-profile effective antenna systems (AS) with maintained directional characteristics in a wide sector of scanning angles are required for satellite communication at mobile objects. This article investigates the directional characteristics of a subarray based on a Fabry–Perot cavity and an antenna array with mechanoelectrical beam steering.

Aim

Aim. To investigate a Fabry–Perot based antenna array with mechanoelectrical beam steering and to estimate its gain and directivity at different scanning angles.

Materials and methods

Materials and methods. Computer simulations were carried out using the finite element method (FEM), finite difference time domain (FDTD) method and template based post-processing.

Results

Results. A subarray based on a Fabry–Perot cavity for an antenna array with mechanoelectrical beam steering was simulated. The efficiency of the subarray comprised at least 65 % in the 11.9…12.5 GHz frequency band. An antenna array based on a Fabry–Perot cavity with mechanoelectrical beam steering was developed and investigated. The calculated characteristics of the developed antenna array agreed well with those obtained experimentally. The gain degradation did not exceed 2.5 dB in the 0…70° scanning angle range. The advantages of using antenna elements based on a Fabry–Perot cavity and developing on their basis mobile satellite antenna systems with wide-angle scanning are noted.

Conclusion

Conclusion. The use of a radiator based on a Fabry–Perot cavity and the development on it basis an antenna array with mechanoelectrical beam steering provides an antenna efficiency of no less than 0.5 with a gain degradation of no more than 2.5 dB in the scanning angle range 0…70° from 11.9 to 12.5 GHz.

сканирующая антенная решеткарезонатор Фабри–Перочастотно-селективная поверхностьспутниковая связьscanning antenna arrayFabry–Perot cavityselective surfacesatellite communicationИсследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-37-90003The reported study was funded by RFBR, project no. 19-37-90003ReferencesLetavin D. A., Konovalov A. L. Antenna for mobile communication of the 5th generation // Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT), М., 13–15 Mar. 2018 / Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc. М., 2018. P. 1–4. doi: 10.1109/MWENT.2018.8337280Letavin D. A., Konovalov A. L. Antenna for mobile communication of the 5th generation. 2018 Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT). M., RUS, 13–15 Mar. 2018. M., Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2018, pp. 1–4. doi: 10.1109/MWENT.2018.8337280Jung Y., Shishlov A. V., Park S. Cassegrain Antenna With Hybrid Beam Steering Scheme for Mobile Satellite Communications // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2009. Vol. 57, № 5. P. 1367–1372. doi: 10.1109/TAP.2009.2016706Jung Y., Shishlov A. V., Park S. Cassegrain Antenna With Hybrid Beam Steering Scheme for Mobile Satellite Communications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2009, vol. 57, no. 5, pp. 1367–1372. doi: 10.1109/TAP.2009.2016706Dual-band Parabolic Antenna for High Capacity Backhauls and Fronthauls / H. R. D. Filgueiras, M. C. Melo, T. H. Brandão, S. Arismar Cerqueira // SBMO/IEEE MTT-S Intern. Microwave and Optoelectronics Conf. (IMOC), Aveiro, 10–14 Nov. 2019. Aveiro: IEEE, 2019. P. 1–3. doi: 10.1109/IMOC43827.2019.9317627Filgueiras H. R. D., Melo M. C., Brandão T. H., Arismar Cerqueira S. Dual-band Parabolic Antenna for High Capacity Backhauls and Fronthauls. 2019 SBMO/IEEE MTT-S Intern. Microwave and Optoelectronics Conf. (IMOC). Aveiro, Spain, 10–14 Nov. 2019. Aveiro, IEEE, 2019, pp. 1–3. doi: 10.1109/IMOC43827.2019.9317627Design 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 // Proceedings of the Fourth European Conf. on Antennas and Propagation, Barcelona, 12–16 April 2010. Barcelona: IEEE, 2010. P. 1–5.Manrique R., Torres R., Domínguez C., Tiezzi F., Mosig J. R. Design and prototyping of a microstrip transmit-receive array antenna for mobile Ku-band satellite terminals. Proceedings of the Fourth European Conf. on Antennas and Propagation. Barcelona, Spain, 12–16 April 2010. Barcelona, IEEE, 2010, pp. 1–5.Jung Y.-B., Jeon S.-I., Kim Ch.-J. A APAA system for Ku-band mobile multimedia service via satellite // IEEE Antennas and Propagation Society Intern. Symp., Albuquerque, NM, 9–14 July 2006. Albuquerque: IEEE, 2006. P. 3123–3126. doi: 10.1109/APS.2006.1711271Jung Y.-B., Jeon S.-I., Kim Ch.-J. A APAA system for Ku-band mobile multimedia service via satellite. IEEE An tennas and Propagation Society Intern. Symp. Albuquerque, NM, USA, 9–14 July 2006. Albuquerque, IEEE, 2006, pp. 3123–3126. doi: 10.1109/APS.2006.1711271Yang 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.2021.3057062ФАР с механоэлектрическим сканированием / Е. А. Литинская, В. С. Панько, С. В. Поленга, Ю. П. Саломатов // Успехи современной радиоэлектроники. 2015. № 1. С. 24–27.Litinskaya Y. A., Panko V. S., Polenga S. V., Saloma tov Yu. P. Phased antenna array with mechanical and electrical beam steering. Uspekhi sovremennoi radioel ektroniki [Advances in modern radio electronics]. 2015, no. 1, pp. 24–27.A Ku-Band Low-Profile Wide-Angle Scanning Antenna Array with Combined Beam Steering / Y. A. Litinskaya, S. V. Polenga, A. V. Stankovsky, Yu. P. Salomatov // XIV Intern. Sci.-Tech. Conf. on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE), Novosibirsk, 2018. Novosibirsk: IEEE, 2018. P. 238–242. doi: 10.1109/APEIE.2018.8546218Litinskaya Y. A., Polenga S. V., Stankovsky A. V., Sa lomatov Yu. P. A Ku-Band Low-Profile Wide-Angle Scan ning Antenna Array with Combined Beam Steering. XIV Intern. Sci.-Tech. Conf. on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). Novosibirsk, RUS, 2–6 Oct. 2018. Novosibirsk, IEEE, 2018, pp. 238–242. doi: 10.1109/APEIE.2018.8546218Konstantinidis K., Feresidis A. P., Hall P. S. Multilayer Partially Reflective Surfaces for Broadband FabryPerot Cavity Antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2014. Vol. 62, № 7. P. 3474–3481. doi: 10.1109/TAP.2014.2320755Konstantinidis K., Feresidis A. P., Hall P. S. Multi layer Partially Reflective Surfaces for Broadband Fabry Perot Cavity Antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2014, vol. 62, no. 7, pp. 3474–3481. doi: 10.1109/TAP.2014.2320755Ge Y., Esselle K. P., Bird T. S. The Use of Simple Thin Partially Reflective Surfaces with Positive Reflection Phase Gradients to Design Wideband, Low-Profile EBG Resonator Antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. Vol. 60, № 2. P. 743–750. doi: 10.1109/TAP.2011.2173113Ge Y., Esselle K. P., Bird T. S. The Use of Simple Thin Partially Reflective Surfaces with Positive Reflection Phase Gradients to Design Wideband, Low-Profile EBG Resonator Antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012, vol. 60, no. 2, pp. 743–750. doi: 10.1109/TAP.2011.2173113Ku-band antenna array element based on FabryPerot cavity / A. M. Alexandrin, S. V. Polenga, A. V. Stankovsky, A. D. Nemshon, Y. A. Litinskaya, A. D. Hudonogova, Yu. P. Salomatov // Asia-Pacific Microwave Conf. (APMC), New Delhi, 5–9 Dec. 2016. New Delhi: IEEE, 2016. P. 1–4. doi: 10.1109/APMC.2016.7931338Alexandrin A. M., Polenga S. V., Stankovsky A. V., Nemshon A. D., Litinskaya Y. A., Hudonogova A. D., Sa lomatov Yu. P. Ku-band antenna array element based on Fabry-Perot cavity. 2016 Asia-Pacific Microwave Conf. (APMC). New Delhi, Indiam 5–9 Dec. 2016. New Delhi, IEEE, 2016, pp. 1–4. doi: 10.1109/APMC.2016.7931338Carluccio G., Mazzinghi A., Freni A. Design and Manufacture of Cosecant-Squared Complementary Reflectarrays for Low-Cost Application // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2017. Vol. 65, № 10. P. 5220–5227. doi: 10.1109/TAP.2017.2743743Carluccio G., Mazzinghi A., Freni A. Design and Manufacture of Cosecant-Squared Complementary Re flectarrays for Low-Cost Application. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2017, vol. 65, no. 10, pp. 5220–5227. doi: 10.1109/TAP.2017.2743743True-Time-Delay Mechanical Phase Shifter in Gap Waveguide Technology for Slotted Waveguide Arrays in KaBand / D. Sánchez-Escuderos, J. I. Herranz-Herruzo, M. Ferrando-Rocher, A. Valero-Nogueira // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2021. Vol. 69, № 5. P. 2727–2740. doi: 10.1109/TAP.2020.3030993Sánchez-Escuderos D., Herranz-Herruzo J. I., Fer rando-Rocher M., Valero-Nogueira A. True-Time-Delay Mechanical Phase Shifter in Gap Waveguide Technology for Slotted Waveguide Arrays in Ka-Band. IEEE Transac tions on Antennas and Propagation. 2021, vol. 69, no. 5, pp. 2727–2740. doi: 10.1109/TAP.2020.3030993On-the-move antenna systems for broad-band satellite communications / M. Gachev, V. Boyanov, S. Kamenopolsky, V. Peshlov, B. Marinov, P. Dankov // The 8th European Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP 2014), Hague, 6–11 April 2014. The Hague: IEEE, 2014. P. 2445–2449. doi: 10.1109/EuCAP.2014.6902312Gachev M., Boyanov V., Kamenopolsky S., Peshlov V., Marinov B. and Dankov P. On-the-move an tenna systems for broad-band satellite communications. The 8th European Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP 2014). The Hague, Netherlands, 6-11 April 2014. The Hague, IEEE, 2014, pp. 2445–2449. doi: 10.1109/EuCAP.2014.6902312High-Throughput Satellite Connectivity for the Constant Contact Vehicle / R. A. Stevenson, D. Fotheringham, T. Freeman, T. Noel, T. Mason, S. Shafie // 48th European Microwave Conf. (EuMC), Madrid, 23–27 Sept. 2018. Madrid: IEEE, 2018. P. 316–319. doi: 10.23919/EuMC.2018.8541456Stevenson R. A., Fotheringham D., Freeman T., Noel T., Mason T. and Shafie S. High- Throughput Satellite Connectivity for the Constant Contact Vehicle. 48th Euro pean Microwave Conference (EuMC), 2018, pp. 316-319. doi: 10.23919/EuMC.2018.8541456

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