Широкополосные отражательные антенные решетки диапазона СВЧ

Введение. Разработка широкополосных отражательных антенных решеток (ОАР) для диапазона СВЧ остается ключевой задачей в контексте растущих требований к телекоммуникационным системам, включая сети 5G/6G и спутниковую связь. Несмотря на значительное количество исследований, посвященных методам расширения полосы рабочих частот, представляет интерес анализ данных экспериментальных исследований разработанных макетов ОАР, подтверждающих эффективность рассмотренных подходов.
Цель работы. Систематизация подходов к проектированию, позволяющих расширить полосу рабочих частот ОАР. Основное внимание уделено экспериментальной проверке рассматриваемых подходов – использованию многослойных структур, пространственного разнесения и геометрической оптимизации элементов – для уточнения их практической применимости.
Материалы и методы. Работа объединяет анализ существующих методик (численное моделирование FI, FEM, электродинамический расчет на основе ячейки Флоке, метод моментов в спектральной области) с экспериментальными исследованиями ОАР на основе различного типа элементов. Измерения проведены для печатных и цельнометаллических ОАР с применением сканера ближнего поля Antest B3-1 и векторного анализатора цепей Agilent N5230A PNA-L. Алгоритмы минимизации фазовых ошибок адаптированы для работы в расширенном частотном диапазоне.
Результаты. Экспериментально подтверждено расширение полосы рабочих частот по уровню снижения коэффициента усиления (КУ) на 3 дБ от максимального значения до 40 % для многослойных печатных ОАР и 19.62 % для уголковых конструкций. Оптимизация геометрии элементов на основе гантельных крестообразных структур обеспечивает относительную полосу 28 % при снижении КУ на 0.5 дБ. Цельнометаллические щелевые ОАР демонстрируют устойчивость к экстремальным условиям, но требуют учета на этапе проектирования возможности возбуждения мод плоскопараллельного волновода, существенно влияющих на их характеристики.
Заключение. Представлены рекомендации по выбору геометрии, конструкции и технологии изготовления различных ОАР на основании опыта теоретических и экспериментальных исследований, проводимых на кафедре теоретических основ радиотехники СПбГЭТУ "ЛЭТИ" в 2010–2025 гг. Приведенные данные формируют основу для проектирования антенн, соответствующих требованиям высокоскоростных телекоммуникационных систем, и указывают направления для дальнейших исследований, включая миниатюризацию, повышение прочности и устойчивости конструкций. 

1. Olwal T. O., Chuku P. N., Lysko A. A. Antenna Research Directions for 6G: A brief overview through sampling literature // 7th Intern. Conf. on Advanced Computing and Communication Systems (ICACCS), Coimbatore, India, 19–20 March 2021. IEEE, 2021. P. 1582–1587. doi: 10.1109/ICACCS51430.2021.9441781

2. High Gain Elliptic Lens Antenna at D-Band for 6G Multi Gbps Data Transmission / S. Chakrabarti, V. K. Singh, A. Kumar, K. G. Thomas, P. H. Rao // IEEE Intern. Symp. on Antennas and Propagation and INC/USNC‐URSI Radio Science Meeting (AP-S/INCUSNC-URSI), Firenze, Italy, 14–19 July 2024. IEEE, 2024. P. 887–888. doi: 10.1109/AP-S/INC-USNC-URSI52054.2024.10686215

3. A Review of Wideband Reflectarray Antennas for 5G Communication Systems / M. H. Dahri, M. H. Jamaluddin, M. I. Abbasi, M. R. Kamarudin // IEEE Access. 2017. Vol. 5. P. 17803–17815. doi: 10.1109/ACCESS.2017.2747844

4. Опыт разработки антенных решеток с квазиоптическим типом питания / С. В. Поленга, Р. О. Рязанцев, Ю. П. Саломатов, В. С. Панько, М. И. Сугак // Журн. СФУ. Техника и технологии. 2011. Т. 4, № 1. С. 40–50.

5. Balanis C. A. Antenna Theory: Analysis and Design. New Jersey: John Wiley & Sons, 2016. 1104 p.

6. Elliott R. S. Antenna Theory and Design. New Jersey: John Wiley & Sons, 2003. 625 p.

7. Light Propagation with Phase Discontinuities: Generalized Laws of Reflection and Refraction / N. Yu, P. Genevet, M. A. Kats. F. Aieta, J.-P. Tetienne, F. Capasso, Z. Gaburro // Science. 2011. Vol. 334. P. 333–337. doi: 10.1126/science.1210713

8. Millimeter-wave waveguide reflectarray / S. V. Polenga, A. V. Stankovsky, R. M. Krylov, A. D. Nemshon, Yu. A. Litinskaya, Yu. P. Salomatov // Intern. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON), Omsk, Russia, 21–23 May 2015. IEEE, 2015. P. 1–4. doi: 10.1109/SIBCON.2015.7147335

9. An integrated 2‐bit metasurface array antenna with broadband lowradar cross‐section covering large incident angle space / Zh. Zhang, T. Liu, X. Cao, H. Yang, L. Jidi, Ju. Gao // IET Microwaves, Antennas & Propagation. 2022. Vol. 16, № 6. P. 367–377. doi: 10.1049/mia2.12251

10. Emerging Metallic Systems for Additive Manufacturing : In-Situ Alloying and Multi-Metal Processing in Laser Powder Bed Fusion / S. L. Sing, S. Huang, G. D. Goh, G. L. Goh, C. F. Tey, J. H. K. Tan, W. Y. Yeong // Progress in Materials Science. 2021. Vol. 119. Art. № 100795. doi: 10.1016/J.PMATSCI.2021.100795

11. Synthesis of Mask-Constrained Pattern-Reconfigurable Nonuniformly Spaced Linear Arrays Using Artificial Neural Networks / C. Cui, W. T. Li, X. T. Ye, Y. Q. Hei, P. Rocca, X. W. Shi // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2022. Vol. 70, № 6. P. 4355–4368. doi: 10.1109/TAP.2022.3140214

12. A Novel Metasurface Inverse Design Based on Back Propagation Neural Network / T. Qin, S. Wen, X. Q. Lin, Y. Cao, Y. Cai, P. Mei // 18th European Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP), Glasgow, United Kingdom, 17–22 March 2024. IEEE, 2024. P. 1–5. doi: 10.23919/EuCAP60739.2024.10501758

13. Обуховец В. А., Касьянов А. О. Микрополосковые отражательные антенные решетки. Методы проектирования и численное моделирование. М.: Радиотехника, 2006. 240 с.

14. Advanced Metasurface-Based Antennas: A Review / W. Yang, J. Li, D. Chen, Y. Cao, Q. Xue, W. Che // IEEE Open J. of Antennas and Propagation. 2025. Vol. 6, № 1. P. 6–24. doi: 10.1109/OJAP.2024.3465513

15. Single-Layer Four-Band, Dual Linear Polarization Reflective Metasurface / X. Kai, F. Li, J. Feng, S. Xu // 6th Intern. Conf. on Information Communication and Signal Processing (ICICSP), Xi'an, China, 23– 25 Sept. 2023. IEEE, 2023. P. 805–809. doi: 10.1109/ICICSP59554.2023.10390627

16. Балландович С. В. Проектирование двухчастотных печатных отражательных антенных решеток с помощью модифицированной ячейки Флоке // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2015. № 1. С. 17–20.

17. Chaharmir M. R., Shaker J., Legay H. Broadband design of a single layer large reflectarray using multi cross loop elements // IEEE Trans. Antennas Propag. 2009. Vol. 57, № 10. P. 3363–3366. doi: 10.1109/TAP.2009.2029600

18. Increasing bandwidth of full-metal slot reflectarray antennas / M. I. Sugak, S. V. Ballandovich, G. A. Kostikov, L. M. Liubina, Y. G. Antonov // ITM Web Conf. 2019. Vol. 30. Art. № 05023. doi: 10.1051/itmconf/20193005023

19. MM-Band Reflectarray with Extended Bandwidth / S. V. Ballandovich, L. M. Liubina, G. A. Kostikov, Yu. G. Antonov // Seminar on Fields, Waves, Photonics and Electro-optics: Theory and Practical Applications (FWPE), Saint Petersburg, Russia, 21 Nov. 2023. IEEE, 2023. P. 4–7. doi: 10.1109/FWPE60445.2023.10368549

20. Design and Analysis of a Reflectarray Using Slot Antenna Elements for Ka-band SatCom / Qi Luo, S. Gao, Ch. Zhang, D. Zhou, T. Chaloun, W. Menzel // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2015. Vol. 63, № 4. P. 1365–1374. doi: 10.1109/TAP.2015.2401393

21. Bhattacharyya A., Fordham O., Liu Ya. Analysis of stripline-fed slot-coupled patch antennas with vias for parallel-plate mode suppression // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1998. Vol. 46, № 4. P. 538–545. doi: 10.1109/8.664118

22. Parallel-Plate Modes in Slot Reflectarray Antennas / S. V. Ballandovich, M. I. Sugak, G. A. Kostikov, L. M. Liubina, Yu. G. Antonov // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2021. Vol. 69, № 6. P. 3303–3311. doi: 10.1109/TAP.2020.3048501.

23. Характеристики плоских отражательных антенных решеток, выполненных на основе фрезерованных композитных панелей / Ю. Г. Антонов, С. В. Балландович, Г. А. Костиков, М. И. Сугак // Антенны. 2010. № 10 (161). С. 5–10.