radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2022-25-5-18-31radioelectronics-674Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASДвухдиапазонная отражательная антенная решетка Ka/Q-диапазонов частотA Dual Ka/Q-Band Reflectarrayhttps://orcid.org/0000-0002-1375-2629ПоленгаС. В.PolengaS. V.

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

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041

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

79, Svobodny Ave., Krasnoyarsk 660041

twinlive@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-7707-8792ЕрохинА. А.ErokhinA. A.

Ерохин Алексей Александрович – кандидат технических наук (2021), старший преподаватель кафедры "Радиотехника"

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041

Aleksey A. Erokhin, Cand. Sci. (Eng.) (2021), senior lecturer of Department of Radio Engineering

79, Svobodny Ave., Krasnoyarsk 660041

aerokhin@sfu-kras.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1747-0917РязанцевР. О.RyazantsevR. O.

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

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041

Roman O. Ryazantsev, Cand. Sci. (Eng.) (2019), Associate Professor at the 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 "Радиотехника"

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041

Roman M. Krylov, engineer on Design and Engineering of Electronic Equipment (2009), engineer at 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 "Радиотехника"

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041

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

79, Svobodny Ave., Krasnoyarsk 660041

ylitinskaya@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-7810-7196ГафаровЕ. Р.GafarovE. R.

Гафаров Евгений Раисович – кандидат технических наук (2021), доцент кафедры "Радиотехника"

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041

Eugeniy R. Gafarov, Cand. Sci. (Eng.) (2021), Assistant Professor of Radio Engineering Department

79, Svobodny Ave., Krasnoyarsk 660041

egafarov@sfu-kras.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8428-5562АлександринА. М.AleksandrinA. M.

Александрин Антон Михайлович – кандидат технических наук (2020), доцент кафедры "Радиотехника"

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041

Anton M. Aleksandrin, Cand. Sci. (Eng.) (2020), Associate Professor of Department of Radio Engineering

79, Svobodny Ave., Krasnoyarsk 660041

aalexandrin@sfu-kras.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4309-226XСаломатовЮ. П.SalomatovYu. P.

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

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041

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

79, Svobodny Ave., Krasnoyarsk 660041

ysalomatov@sfu-kras.ruДаниловИ. Ю.DanilovI. Yu.

Данилов Игорь Юрьевич – кандидат технических наук (2017), начальник отдела разработки и испытаний антенно-фидерных устройств и высокочастотных элементов полезной нагрузки

ул. Ленина, д. 52, Железногорск, 662972

Igor Yu. Danilov, Cand. Sci. (Eng.) (2017), Head of the Department for the Development and Testing of Antenna-Feeder Devices and High-Frequency Payload Elements

52, Lenina St., Zheleznogorsk 662972

danilov@iss-reshetnev.ruСибирский федеральный университетРоссияSiberian Federal UniversityRussian FederationАО «"Информационные спутниковые системы" им. акад. М. Ф. Решетнева»РоссияJSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite SystemsRussian Federation2022271120222551831Copyright © Поленга С.В., Ерохин А.А., Рязанцев Р.О., Полигина А.Д., Крылов Р.М., Литинская Е.А., Гафаров Е.Р., Александрин А.М., Саломатов Ю.П., Данилов И.Ю., 20222022Поленга С.В., Ерохин А.А., Рязанцев Р.О., Полигина А.Д., Крылов Р.М., Литинская Е.А., Гафаров Е.Р., Александрин А.М., Саломатов Ю.П., Данилов И.Ю.Polenga S.V., Erokhin A.A., Ryazantsev R.O., Poligina A.D., Krylov R.M., Litinskaya E.A., Gafarov E.R., Aleksandrin A.M., Salomatov Y.P., Danilov I.Y.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/674Введение

Введение. Для организации дуплексной спутниковой связи, как правило, используются два разнесенных диапазона частот: один – для приема, второй – для передачи сигнала на спутник. Основной задачей антенной системы спутника связи является обеспечение идентичной зоны покрытия во всех задействованных диапазонах частот, что зачастую затруднительно с использованием традиционных параболических зеркальных антенн. Отражательные антенные решетки (ОАР) позволяют осуществлять независимое управление фазой переизлученной волны в разнесенных диапазонах частот, что может быть использовано для создания эффективных многодиапазонных антенных систем современной спутниковой связи.

Цель работы

Цель работы. Разработка фазокорректирующего элемента Ka/Q-диапазонов частот и создание на его основе двухдиапазонной ОАР для работы с ортогональными круговыми поляризациями, обладающей идентичными коэффициентами усиления (КУ) в заданном секторе углов в значительно разнесенных диапазонах частот.

Материалы и методы

Материалы и методы. Численные исследования проведены методом конечных элементов. Характеристики направленности измерялись методом сканирования в ближнем поле антенны.

Результаты

Результаты. Разработан однослойный двухдиапазонный фазокорректирующий элемент ОАР для работы с ортогональными круговыми поляризациями с малыми потерями и слабой зависимостью фазовой характеристики от взаимного расположения элементов. На основе предложенного элемента синтезирована и изготовлена ОАР, состоящая из 24 465 двухчастотных элементов. Разработанный макет однослойной двухдиапазонной ОАР продемонстрировал хорошую эффективность, коэффициент использования поверхности достигает 56 и 36 %, соответственно, в Ka- и Q-диапазонах частот при практически идентичном минимальном КУ в секторе углов ±0.75°.

Заключение

Заключение. Результаты исследований показывают возможность ОАР с успехом замещать традиционные параболические рефлекторы как на современных спутниках связи, так и в составе наземных спутниковых терминалов в миллиметровом диапазоне длин волн.

Introduction

Introduction. Duplex satellite communication is commonly arranged using two spaced frequency bands, with one band receiving and the other band transmitting signals to a satellite. The main task of a communications satellite antenna system consists in providing an identical coverage area across all involved frequency bands, which is often a challenging task for conventional parabolic reflector antennas. Reflectarrays allow an independent control of the reradiated wave phase in spaced frequency bands, which can be used to create efficient multi-band antenna systems for modern communication satellites.

Aim

Aim. To develop a Ka/Q-frequency range phase-correcting element and to create on its basis a dual-band reflectarray for operation with orthogonal circular polarizations and identical gains in a given sector of angles in significantly spaced frequency ranges.

Materials and methods

Materials and methods. Numerical studies were carried out using the finite element analysis method. Radiation patterns were measured using the near field scanning method.

Results

Results. A single-layer dual-band phase-correcting reflectarray element was developed for operation with orthogonal circular polarizations with low losses and a weak dependence of the relative position of the elements on the phase characteristic. On the basis of the proposed element, a reflectarray consisting of 24 465 two-frequency elements was synthesized and manufactured. The developed prototype of a single-layer dual-band reflectarray demonstrated good characteristics, with the efficiency reaching 56 and 36 % in the Ka- and Q-frequency ranges, respectively, and an almost identical minimum gain in the ±0.75° angle sector.

Conclusion

Conclusion. The research results confirm the potential of the developed reflectarray to successfully replace conventional parabolic reflectors installed both on modern communication satellites and as part of ground-based satellite terminals in the millimeter wavelength range.

отражательная антенная решеткадвухдиапазонная антеннамикрополосковый элементкруговая поляризацияQ-диапазонreflectarraydual-band antennamicrostrip elementcircular polarizationQ-bandИсследование 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 no. 20-47-240003.ReferencesОтражательная 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. 39–43.Polenga S. V., Litinskaya E. A., Salomatov Yu. P., Krylov R. M. Reflectarray Antenna for Bidirectional VSAT Satellite Communication Networks. Achievements of Modern Radioelectronics. 2012, no. 9, pp. 39–42.Совмещенный облучатель Ku/Ka-диапазонов частот для земных станций спутниковой связи / С. В. Поленга, А. М. Александрин, Ю. П. Саломатов, К. В. Лемберг, А. А. Попович // Успехи современной радиоэлектроники. 2016. № 11. С. 43–47.Polenga S. V., Alexandrin A. M., Salomatov Yu. P., Lemberg K. V., Popovich A. A. Dual Ku/Ka-Band Feed Horn for Satellite Ground Stations. Achievements of modern radioelectronics. 2016, no. 11, pp. 43–47.Dual polarized reflectarray antenna to generate independent beams in Ku and Ka bands / E. Martinezde-Rioja, J. A. Encinar, R. Florencio, R. R. Boix // 10th European Conf. on Antennas and Propagation, Davos, Switzerland, 10–15 Apr. 2016. Piscataway: IEEE, 2016. P. 1–5. doi: 10.1109/EuCAP.2016.7481439Martinez-de-Rioja E., Encinar J. A., Florencio R., Boix R. R. Dual Polarized Reflectarray Antenna to Generate Independent Beams in Ku and Ka Bands. 10th European Conf. on Antennas and Propagation, Davos, Switzerland, 10–15 April 2016. Piscataway, IEEE, 2016, pp. 1–5. doi: 10.1109/EuCAP.2016.7481439Design of bifocal dual reflectarray antennas in Ka-band to generate a multi-spot coverage from geostationary satellites / E. Martinez-de-Rioja, J. A. Encinar, A. Pino, B. Gonzalez-Valdes // 13th European Conf. on Antennas and Propagation. Krakow, Poland, 31 March – 5 Apr. 2019. Piscataway: IEEE, 2019. P. 1–5.Martinez-de-Rioja E., Encinar J. A., Pino A., Gonzalez-Valdes B. Design of Bifocal Dual Reflectarray Antennas in Ka-Band to Generate a Multi-Spot Coverage from Geostationary Satellites. 13th European Conf. on Antennas and Propagation, Krakow, Poland, 31 March 2019 – 5 April 2019. Piscataway, IEEE, 2019, pp. 1–5.Arrebola M., Encinar J. A., Barba M. Multifed Printed Reflectarray with three simultaneous shaped beams for LMDS central station antenna // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2001. Vol. 56, № 6. P. 1518–1527. doi: 10.1109/TAP.2008.923360Arrebola M., Encinar J. A., Barba M. Multifed Printed Reflectarray with Three Simultaneous Shaped Beams for LMDS Central Station Antenna. IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2001, vol. 56, no. 6, pp. 1518–1527. doi: 10.1109/TAP.2008.923360Single-layer dual-frequency reflectarray for Kaband antennas / M. Abdollahvand, J. A. Encinar, K. Forooraghi, Z. Atlasbaf, M. Barba // 10th European Conf. on Antennas and Propagation, Davos, Switzerland, 10–15 Apr. 2016. Piscataway: IEEE, 2016. P. 1–4. doi: 10.1109/EuCAP.2016.7481879.Abdollahvand M., Encinar J. A., Forooraghi K., Atlasbaf Z., Barba M. Single-Layer Dual-Frequency Reflectarray for Ka-Band Antennas. 10th European Conf. on Antennas and Propagation. Davos, Switzerland, 10–15 April 2016. Piscataway, IEEE, 2016, pp. 1–4. doi: 10.1109/EuCAP.2016.7481879Design of wideband reflectarray antennas / Y. G. Antonov, M. I. Sugak, S. V. Ballandovich, G. A. Kostikov, L. M. Liubina // 14th European Conf. on Antennas and Propagation, Copenhagen, Denmark, 15–20 March 2020. Piscataway: IEEE, 2020. P. 1–5. doi: 10.23919/EuCAP48036.2020.9135649Antonov Y. G., Sugak M. I., Ballandovich S. V., Kostikov G. A., Liubina L. M. Design of Wideband Reflectarray Antennas. 14th European Conf. on Antennas and Propagation. Copenhagen, Denmark, 15–20 March 2020. Piscataway, IEEE, 2020, pp. 1–5. doi: 10.23919/EuCAP48036.2020.9135649Ballandovich S. V., Liubina L. M., Sugak M. I. Non-planar full-metal slot reflectarray antenna // 23rd Intern. Microwave and Radar Conf., Warsaw, Poland, 5–8 Oct. 2020. Piscataway: IEEE, 2019. P. 338–341. doi: 10.23919/MIKON48703.2020.9253864Ballandovich S. V., Liubina L. M., Sugak M. I. Non-Planar Full-Metal Slot Reflectarray Antenna. 23rd Intern. Microwave and Radar Conf. Warsaw, Poland, 5–8 Oct. 2020. Piscataway, IEEE, 2019, pp. 338–341. doi: 10.23919/MIKON48703.2020.9253864Gao Q., Wang J. Bandwidth enhancement element for linearly polarized reflectarray design in Kuband // 7th IEEE Intern. Symp. on Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies, Xi'an, China, 24– 27 Oct. 2017. Piscataway: IEEE, 2017. P. 34–36. doi: 10.1109/MAPE.2017.8250789Gao Q., Wang J. Bandwidth Enhancement Element for Linearly Polarized Reflectarray Design in Kuband. 7th IEEE Intern. Symp. on Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies. Xi'an, China, 24– 27 Oct. 2017. Piscataway, IEEE, 2017, pp. 34–36. doi: 10.1109/MAPE.2017.8250789Hamzavi-Zarghani Z., Atlasbaf Z. A new broadband single-layer dual-band reflectarray antenna in X- and Ku-Bands // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2015. Vol. 14. P. 602–605. doi: 10.1109/LAWP.2014.2374351Hamzavi-Zarghani Z., Atlasbaf Z. A New Broadband Single-Layer Dual-Band Reflectarray Antenna in X- and Ku-Bands. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2015, vol. 14, pp. 602–605. doi: 10.1109/LAWP.2014.2374351A Ka-band shaped-beam circularly polarized reflectarray antenna / S. V. Polenga, A. A. Erokhin, R. M. Krylov, A. V. Stankovsky, E. A. Litinskaya, A. D. Hudonogova, I. Yu., Danilov, Yu. P. Salomatov // Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves, Divnomorskoe, Russia, 24–28 June, 2019. Piscataway: IEEE, 2019. P. 281–284. doi: 10.1109/RSEMW.2019.8792697.Polenga S. V., Erokhin A. A., Krylov R. M., Stankovsky A. V., Litinskaya E. 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, Divnomorskoe, Russia, 24–28 June 2019. Piscataway, IEEE, 2019, pp. 281– 284. doi: 10.1109/RSEMW.2019.8792697Pozar D. M., Targonski S. D., Pokuls R. A shaped-beam microstrip patch reflectarray // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1999. Vol. 47, № 7. P. 1167–1173. doi: 10.1109/8.785748Pozar D. M., Targonski S. D., Pokuls R. A Shaped-Beam Microstrip Patch Reflectarray. IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1999, vol. 47, no. 7, pp. 1167–1173. doi: 10.1109/8.785748Reflectarray antennas for dual polarization and broadband telecom satellite applications / R. Florencio, J. A. Encinar, R. R. Boix, V. Losada, G. Toso // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2015. Vol. 63, № 4. P. 1234–1246. doi: 10.1109/TAP.2015.2391279Florencio R., Encinar J. A., Boix R. R., Losada V., Toso G. Reflectarray Antennas for Dual Polarization and Broadband Telecom Satellite Applications. IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2015, vol. 63, no. 4, pp. 1234–1246. doi: 10.1109/TAP.2015.2391279Shamsaee Malfajani R., Abbasi Arand B. Dualband orthogonally polarized single-layer reflectarray antenna // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2017. Vol. 65, № 11. P. 6145–6150. doi: 10.1109/TAP.2017.2754459Shamsaee Malfajani R., Abbasi Arand B. Dualband Orthogonally Polarized Single-Layer Reflectarray Antenna. IEEE Trans. on Antennas and Propagation.2017, vol. 65, no. 11, pp. 6145–6150. doi: 10.1109/TAP.2017.2754459Hasani H., Kamyab M., Mirkamali A. Low cross-polarization reflectarray antenna // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2011. Vol. 59, № 5. P. 1752–1756. doi: 10.1109/TAP.2011.2123071Hasani H., Kamyab M., Mirkamali A. Low Cross-Polarization Reflectarray Antenna. IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2011, vol. 59, no. 5, pp. 1752–1756. doi: 10.1109/TAP.2011.2123071Malfajani R. S., Atlasbaf Z. Design and implementation of a broadband single-layer reflectarray antenna with large-range linear phase elements // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2012. Vol. 11. P. 1442– 1445. doi: 10.1109/LAWP.2012.2228147Malfajani R. S., Atlasbaf Z. Design and Implementation of Broadband Single-Layer Reflectarray Antenna with Large-Range Linear Phase Elements. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2012, vol. 11, pp. 1442–1445. doi: 10.1109/LAWP.2012.2228147Pozar D. M., Schaubert D. H. Analysis of an infinite array of rectangular microstrip patches with idealized probe feeds // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1984. Vol. 32. P. 1101–1107. doi: 10.1109/TAP.1984.1143211Pozar D. M., Schaubert D. H. Analysis of an Infinite Array of Rectangular Microstrip Patches with Idealized Probe Feeds. IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1984, vol. 32, pp. 1101–1107. doi: 10.1109/TAP.1984.1143211Pozar D. M. Analysis of an infinite phased array of aperture coupled microstrip patches // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1989. Vol. 37. P. 418–425. doi: 10.1109/8.24161.Pozar D. M. Analysis of an Infinite Phased Array of Aperture Coupled Microstrip Patches. IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1989, vol. 37, pp. 418–425. doi: 10.1109/8.24161Implementation of antenna near-field scanning without using probe position sensors / A. S. Ivanov, K. V. Lemberg, S. V. Polenga, R. M. Krylov, Yu. P. Salomatov // Intern. Siberian Conf. on Control and Communications. Omsk, Russia, 21–23 May 2015. Piscataway: IEEE, 2015. P. 1–3. doi: 10.1109/SIBCON.2015.7147334Ivanov A. S., Lemberg K. V., Polenga S. V., Krylov R. M., Salomatov Yu. P. Implementation of Antenna Near-Field Scanning without Using Probe Position Sensors. Intern. Siberian Conf. on Control and Communications, Omsk, Russia, 21–23 May 2015. Piscataway, IEEE, 2015, pp. 1–3. doi: 10.1109/SIBCON.2015.7147334.

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