radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2023-26-5-50-62radioelectronics-799Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASАнтенные системы с широкоугольным механоэлектрическим сканированиемAntenna Systems with Wide-Angle Mechanoelectrical Beam Steeringhttps://orcid.org/0009-0001-6059-5638СтанковскийА. В.StankovskyA. V.

Андрей Вадимович Станковский, аспирант по направлению "Антенны, устройства СВЧ и их технологии" (2018), инженер-исследователь, старший преподаватель. Автор 30 научных работ

кафедра радиотехники

Сфера научных интересов – антенны и СВЧ-устройства; сканирующие антенные системы; квазиоптические антенны

660041

пр. Свободный, д. 79

Красноярск

Andrey V. Stankovsky, Postgraduate student in "Antennas, microwave devices and their technologies" (2018), Research Engineer, Senior Lecturer. The author of 30 scientific publications

Radio Engineering Department

Area of expertise: antennas and microwave devices; scanning antenna systems; quasi-optical antennas

Krasnoyarsk

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

Станислав Владимирович Поленга, магистр по направлению "Радиотехника" (2009), старший преподаватель. Автор 50 научных работ

кафедра радиотехники

Сфера научных интересов – антенны и СВЧ-устройства; отражательные антенные решетки; квазиоптические антенны, метаматериалы

660041

пр. Свободный, д. 79

Красноярск

Stanislav V. Polenga, Master’s degree in Radio Engineering (2009), Senior Lecturer. The author of 50 scientific publications

Radio Engineering Department

Area of expertise: antennas and microwave devices; reflectarrays; quasi-optical antennas; metamaterials

660041

79, Svobodny Ave.

Krasnoyarsk

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

Елена Алексеевна Стригова, кандидат технических наук (2022), старший преподаватель. Автор 35 научных работ. Сфера научных интересов –антенны и СВЧ-устройства; спутниковая связь; сканирующие антенны

кафедра радиотехники

660041

пр. Свободный, д. 79

Красноярск

Yelena A. Strigova, Cand. Sci. (Eng.) (2022), Senior Lecturer. The author of 35 scientific publications

Radio Engineering Department

Area of expertise: antennas and microwave devices; satellite communication; scanning antennas

660041

79, Svobodny Ave.

Krasnoyarsk

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

Юрий Петрович Саломатов, кандидат технических наук (1982), профессор (2013). Автор 240 научных работ

Сфера научных интересов – ФАР; ЦФАР; квазиоптические антенны и антенные решетки

660041

пр. Свободный, д. 79

Красноярск

Yury P. Salomatov, Cand. Sci. (Eng.) (1982), Professor (2013). The author of 240 scientific publications

Department of Radio Engineering

Area of expertise: phased arrays; digital phased arrays; quasi-optical antennas and antenna arrays

660041

79, Svobodny Ave.

Krasnoyarsk

ysalomatov@sfu-kras.ruСибирский федеральный университетРоссияSiberian federal universityRussian Federation2023281120232655062Copyright © Станковский А.В., Поленга С.В., Стригова Е.А., Саломатов Ю.П., 20232023Станковский А.В., Поленга С.В., Стригова Е.А., Саломатов Ю.П.Stankovsky A.V., Polenga S.V., Strigova Y.A., 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/799   Введение

   Введение. В связи с активным развитием спутниковых сетей связи возникает потребность и в новых антеннах для наземных терминалов. Федеральная программа "Сфера" предполагает введение в эксплуатацию новых спутниковых группировок для связи и дистанционного зондирования Земли. Спутниковые группировки "Скиф" (предоставление широкополосного доступа в Интернет) и "Экспресс-РВ" (обеспечение Арктики интернетом и связью) не относятся к геостационарным и требуют постоянного слежения за спутником даже для стационарных терминалов. Отклоняющие структуры, работающие по принципу квазиоптического управления диаграммой направленности (ДН), позволяют разрабатывать сканирующие антенные системы (АС) для организации непрерывной спутниковой связи.

   Цель работы

   Цель работы. Исследование различных типов диэлектрических структур для отклонения ДН и сканирующих АС на их основе, а также выявление конфигурации с лучшими характеристиками по сравнению с идеальной структурой в виде диэлектрического клина.

   Материалы и методы

   Материалы и методы. Математическое моделирование, электродинамическое моделирование при помощи САПР методом конечных элементов и методом конечного интегрирования, а также экспериментальное исследование макета АС в безэховой камере методами измерения в дальней и ближней зонах антенны.

   Результаты

   Результаты. Проведено электродинамическое моделирование трех типов отклоняющих диэлектрических структур – аналогов диэлектрического клина: структуры, набранной из диэлектриков с различными диэлектрическими проницаемостями; структуры из диэлектрических пластин треугольной формы; структуры из перфорированного диэлектрика, а также сканирующих АС на основе представленных конфигураций. Получены их расчетные ДН. Выявлена структура с лучшими характеристиками, на основе которой изготовлен макет для экспериментального подтверждения результатов электродинамического моделирования. Максимальный угол наклона ДН составил порядка 60°, снижение коэффициента направленного действия (КНД) относительно максимального значения составило 6 дБ, а для углов наклона до 55° деградация КНД не превысила 4 дБ, уровень боковых лепестков не превысил значения –12 дБ (расчетный) и –14 дБ (измеренный).

   Заключение

   Заключение. Результаты исследований различных типов структур квазиоптического управления лучом ДН показывают возможность использования данных конфигураций при создании низкопрофильных АС с широкоугольным механоэлектрическим сканированием для организации спутниковой связи как для мобильных потребителей, так и для стационарных, с использованием средне- и низкоорбитальных космических аппаратов.

   Introduction

   Introduction. The active development of satellite communication networks determines the need for new antenna systems for ground terminals. The Sphere Federal program implies the commissioning of new satellite constellations for communication and remote sensing of the Earth. The Skif (providing broadband Internet access) and Express-RV (providing the Internet and communications for Arctic) satellite constellations are not geostationary, thus requiring constant satellite tracking even for stationary terminals. Deflecting structures operating on the principle of quasi-optical beam control make it possible to develop scanning antenna systems for organizing continuous satellite communications.

   Aim

   Aim. Investigation of various types of dielectric structures for radiation pattern deflection and scanning antenna systems on their basis, as well as identification of a configuration with improved characteristics compared to the ideal structure in the shape of a dielectric wedge.

   Materials and methods

   Materials and methods. Mathematical modeling, electrodynamic modeling using CAD by the finite element method and the finite integration method, as well as an experimental study of an antenna system prototype in an anechoicchamber by measuring methods in the far-field and near-field of the antenna.

   Results

   Results. Electrodynamic simulation was carried out for three types of dielectric structures, analogues of a dielectric wedge, including a structure assembled from various dielectrics of fixed sizes with different dielectric constants; a structure of triangular dielectric plates; and a perforated dielectric structure. In addition, scanning antenna systems based on the presented configurations were analyzed. Radiation patterns were obtained for all structural types for various rotation angles of the deflecting systems. The structure assembled from various dielectrics of fixed sizes with different dielectric constants was found to possess the most optimal characteristics. This structure was used to develop a model for experimental confirmation of the conducted electrodynamic simulation. The maximum tilt angle of the radiation pattern was about 60°, the decrease in the directivity relative to the maximum value was 6 dB; for tilt angles up to 55°, the directivity degradation did not exceed 4 dB, the level of the side lobes did not exceed –12 dB (calculated) and –14 dB (measured).

   Conclusion

   Conclusion. The results of studies into various types of structures for quasi-optical beam control of the radiation pattern show the possibility of using these configurations when creating low-profile antenna systems with wide-angle mechanoelectric scanning for organizing satellite communications for both mobile and stationary consumers using medium earth orbit spacecrafts.

антенная системамехано-электрическое сканированиеквазиоптическое управлениеantenna systemmechanoelectrical beam steeringquasi-optical beam controlИсследование выполнено в рамках государственного задания ФГАОУ ВО "Сибирский федеральный университет" (номер FSRZ-2023-0008)The study was carried out as part of the state task of the Siberian Federal University (number FSRZ-2023-0008)ReferencesLow cost Ku-band electronic steerable array antenna for mobile satellite communications / S. Vaccaro, D. Llorens del Río, J. Padilla, R. Baggen // Proc. of the 5<sup>th</sup> European Conf. on Antennas and Propagation (EUCAP). Rome, Italy. 11–15 Apr. 2011. IEEE, 2011. P. 471–478.Low cost Ku-band electronic steerable array antenna for mobile satellite communications / S. Vaccaro, D. Llorens del Río, J. Padilla, R. Baggen // Proc. of the 5<sup>th</sup> European Conf. on Antennas and Propagation (EUCAP). Rome, Italy. 11–15 Apr. 2011. IEEE, 2011. P. 471–478.Low-profile scalable phased array antenna at Kuband for mobile satellite communications / K. Y. Kapusuz, Y. Şen, M. Bulut, İ. Karadede, U. Oğuz // 2016 IEEE Intern. Symp. on Phased Array Systems and Technology (PAST). Waltham, USA. 18–21 Oct. 2016. IEEE, 2016. P. 1–4. doi: 10.1109/ARRAY.2016.7832648Low-profile scalable phased array antenna at Kuband for mobile satellite communications / K. Y. Kapusuz, Y. Şen, M. Bulut, İ. Karadede, U. Oğuz // 2016 IEEE Intern. Symp. on Phased Array Systems and Technology (PAST). Waltham, USA. 18–21 Oct. 2016. IEEE, 2016. P. 1–4. doi: 10.1109/ARRAY.2016.7832648Panzner B., Joestingmeier A., Omar A. Ka-band dielectric lens antenna for resolution enhancement of a GPR // 2008 8<sup>th</sup> Intern. Symp. on Antennas, Propagation and EM Theory. Kunming, China. 02–05 Nov. 2008. IEEE, 2008. P. 31–34. doi: 10.1109/ISAPE.2008.4735132Panzner B., Joestingmeier A., Omar A. Ka-band dielectric lens antenna for resolution enhancement of a GPR // 2008 8<sup>th</sup> Intern. Symp. on Antennas, Propagation and EM Theory. Kunming, China. 02–05 Nov. 2008. IEEE, 2008. P. 31–34. doi: 10.1109/ISAPE.2008.4735132Ravishankar S. Analysis of shaped beam dielectric lens antennas for mobile broadband applications // IWAT 2005. IEEE Intern. Workshop on Antenna Technology: Small Antennas and Novel Metamaterials. Singapore. 07–09 March 2005. IEEE, 2005. P. 539–542. doi: 10.1109/IWAT.2005.1461135Ravishankar S. Analysis of shaped beam dielectric lens antennas for mobile broadband applications // IWAT 2005. IEEE Intern. Workshop on Antenna Technology: Small Antennas and Novel Metamaterials. Singapore. 07–09 March 2005. IEEE, 2005. P. 539–542. doi: 10.1109/IWAT.2005.1461135Wang Z. X., Dou W. B. Dielectric lens antennas designed for millimeter wave application // 2006 Joint 31<sup>st</sup> Intern. Conf. on Infrared Millimeter Waves and 14<sup>th</sup> 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 // 2006 Joint 31<sup>st</sup> Intern. Conf. on Infrared Millimeter Waves and 14<sup>th</sup> Intern. Conf. on Teraherz Electronics. Shanghai, China. 18–22 Sept. 2006. IEEE, 2006. P. 376. doi: 10.1109/ICIMW.2006.368584Ryazantsev R. O., Salomatov Yu. P., Sugak M. I. Concave spherical feed array for Luneberg lens // 2013 Intern. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON). Krasnoyarsk, Russia. 12–13 Sept. 2013. IEEE, 2013. P. 1–4. doi: 10.1109/SIBCON.2013.6693605Ryazantsev R. O., Salomatov Yu. P., Sugak M. I. Concave spherical feed array for Luneberg lens // 2013 Intern. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON). Krasnoyarsk, Russia. 12–13 Sept. 2013. IEEE, 2013. P. 1–4. doi: 10.1109/SIBCON.2013.6693605Griffiths H. D., Khan M. R. Antenna beam steering technique using dielectric wedges // IEE Proc. H. Microwaves, Antennas and Propagation. 1989. Vol. 136, iss. 2. P. 126–131.Griffiths H. D., Khan M. R. Antenna beam steering technique using dielectric wedges // IEE Proc. H. Microwaves, Antennas and Propagation. 1989. Vol. 136, iss. 2. P. 126–131.Ghate P., Bredow J. Quasi-Optical Beamforming using Horizontal Dielectric Wedges // 2021 IEEE Intern. Symp. on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting (APS/URSI). IEEE, 2021. P. 505–506. doi: 10.1109/APS/URSI47566.2021.9704172Ghate P., Bredow J. Quasi-Optical Beamforming using Horizontal Dielectric Wedges // 2021 IEEE Intern. Symp. on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting (APS/URSI). IEEE, 2021. P. 505–506. doi: 10.1109/APS/URSI47566.2021.9704172Дисковая антенна с широкоугольным механо-электрическим сканированием / А. В. Станковский, А. Д. Немшон, С. В. Поленга, Ю. П. Саломатов // Электронные средства и системы управления : материалы докл. Междунар. науч.-практ. конф. Томск, 2014. № 1. С. 149–153.Stankovsky A. V., Nemshon A. D., Polenga S. V. Salomatov Yu. P. Disk Antenna with a Wide-Angle Mechanoelectrical Beam Steering. Intern. Scientific Conf. on Electronic Devices and Control Systems (EDCS 2014). Tomsk, 2014, no. 1, pp. 149–153. (In Russ.)Gagnon N., Petosa A. Using Rotatable Planar Phase Shifting Surfaces to Steer a High-Gain Beam // IEEE transactions on antennas and propagation. 2013. Vol. 61, iss. 6. P. 3086–3092. doi: 10.1109/TAP.2013.2253298Gagnon N., Petosa A. Using Rotatable Planar Phase Shifting Surfaces to Steer a High-Gain Beam // IEEE transactions on antennas and propagation. 2013. Vol. 61, iss. 6. P. 3086–3092. doi: 10.1109/TAP.2013.2253298Beam-Scanning Antenna Based on Near-Electric Field Phase Transformation and Refraction of Electromagnetic Wave Through Dielectric Structures / M. U. Afzal, L. Matekovits, K. P. Esselle, A. Lalbakhsh // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 199242–199253. doi: 10.1109/ACCESS.2020.3033284Beam-Scanning Antenna Based on Near-Electric Field Phase Transformation and Refraction of Electromagnetic Wave Through Dielectric Structures / M. U. Afzal, L. Matekovits, K. P. Esselle, A. Lalbakhsh // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 199242–199253. doi: 10.1109/ACCESS.2020.3033284Alexandrin A. M., Ryazantsev R. O., Salomatov Yu. P. Numerical optimization of the discrete Mikaelian lens // 2016 Intern. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON). IEEE, 2016. P. 1–3. doi: 10.1109/SIBCON.2016.7491859Alexandrin A. M., Ryazantsev R. O., Salomatov Yu. P. Numerical optimization of the discrete Mikaelian lens // 2016 Intern. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON). IEEE, 2016. P. 1–3. doi: 10.1109/SIBCON.2016.7491859Gagnon N., Petosa A., McNamara D. A. Thin microwave quasi-transparent phase-shifting surface (PSS) // IEEE transactions on antennas and propagation. 2010. Vol. 58, iss. 4. P. 1193–1201. doi: 10.1109/TAP.2010.2041150Gagnon N., Petosa A., McNamara D. A. Thin microwave quasi-transparent phase-shifting surface (PSS) // IEEE transactions on antennas and propagation. 2010. Vol. 58, iss. 4. P. 1193–1201. doi: 10.1109/TAP.2010.2041150Array of hexagonal Fresnel zone plate lens antennas / A. Petosa, S. Thirakoune, I. V. Minin, O. V. Minin // Electron. Lett. 2006. Vol. 42, № 15. P. 834–836. doi: 10.1049/el:20061258Array of hexagonal Fresnel zone plate lens antennas / A. Petosa, S. Thirakoune, I. V. Minin, O. V. Minin // Electron. Lett. 2006. Vol. 42, № 15. P. 834–836. doi: 10.1049/el:20061258Khalaj-Amirhosseini M. Microwave Filters using Waveguides Filled by Multi-Layer Dielectric // 2006 7<sup>th</sup> Intern. Symp. on Antennas, Propagation & EM Theory. Guilin, China. 26–29 Oct. 2006. IEEE, 2006. P. 1–3. doi: 10.1109/ISAPE.2006.353299Khalaj-Amirhosseini M. Microwave Filters using Waveguides Filled by Multi-Layer Dielectric // 2006 7<sup>th</sup> Intern. Symp. on Antennas, Propagation & EM Theory. Guilin, China. 26–29 Oct. 2006. IEEE, 2006. P. 1–3. doi: 10.1109/ISAPE.2006.353299AlAjmi A. R., Saed M. A. Perforated dielectric surface wave antenna with directive radiation pattern // 2016 IEEE Conf. on Antenna Measurements & Applications (CAMA). Syracuse, USA. 23–27 Oct. 2016. IEEE, 2016. P. 1–3. doi: 10.1109/CAMA.2016.7815763AlAjmi A. R., Saed M. A. Perforated dielectric surface wave antenna with directive radiation pattern // 2016 IEEE Conf. on Antenna Measurements & Applications (CAMA). Syracuse, USA. 23–27 Oct. 2016. IEEE, 2016. P. 1–3. doi: 10.1109/CAMA.2016.7815763Mrnka M., Raida Z. An Effective Permittivity Tensor of Cylindrically Perforated Dielectrics // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2018. Vol. 17, iss. 1. P. 66–69. doi: 10.1109/LAWP.2017.2774448Mrnka M., Raida Z. An Effective Permittivity Tensor of Cylindrically Perforated Dielectrics // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2018. Vol. 17, iss. 1. P. 66–69. doi: 10.1109/LAWP.2017.2774448Implementation 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 (SIBCON). Omsk, Russia. 21–23 May 2015. IEEE, 2015. P. 1–3. doi: 10.1109/SIBCON.2015.7147334Implementation 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 (SIBCON). Omsk, Russia. 21–23 May 2015. IEEE, 2015. P. 1–3. doi: 10.1109/SIBCON.2015.7147334Munk B. A. Frequency Selective Surfaces: Theory and Design. New York: Wiley-Interscience, 2000. 440 p.Munk B. A. Frequency Selective Surfaces: Theory and Design. New York: Wiley-Interscience, 2000. 440 p.AL-Joumayly M. A., Behdad N. A generalized method for synthesizing low-profile, band-pass frequency selective surfaces with non-resonant constituting elements // IEEE transactions on antennas and propagation. 2010. Vol. 58, iss. 12. P. 4033–4041. doi: 10.1109/TAP.2010.2078474AL-Joumayly M. A., Behdad N. A generalized method for synthesizing low-profile, band-pass frequency selective surfaces with non-resonant constituting elements // IEEE transactions on antennas and propagation. 2010. Vol. 58, iss. 12. P. 4033–4041. doi: 10.1109/TAP.2010.2078474White C. R., Ebling J. P., Rebeiz G. A wide-scan printed planar K-band microwave lens // 2005 IEEE Antennas and Propagation Society Intern. Symp. 2005. Washington, USA, 03–08 July 2005. IEEE, 2005. Vol. 4. P. 313–316. doi: 10.1109/APS.2005.1552652White C. R., Ebling J. P., Rebeiz G. A wide-scan printed planar K-band microwave lens // 2005 IEEE Antennas and Propagation Society Intern. Symp. 2005. Washington, USA, 03–08 July 2005. IEEE, 2005. Vol. 4. P. 313–316. doi: 10.1109/APS.2005.1552652Singh N., Choure K. K., Kumari M. A Survey on Free-Standing Phase Correcting gain enhancement Devices // Intern. J. of Scientific & Engineering Research. 2013. Vol. 4, iss. 7. P. 109–115.Singh N., Choure K. K., Kumari M. A Survey on Free-Standing Phase Correcting gain enhancement Devices // Intern. J. of Scientific & Engineering Research. 2013. Vol. 4, iss. 7. P. 109–115.

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