Низкопрофильная сканирующая антенная решетка с использованием механически управляемых фазовращателей

Введение. В связи с активным развитием спутниковых систем с использованием низкоорбитальных, среднеорбитальных и высокоэллиптических космических аппаратов важной задачей является обеспечение непрерывных приема-передачи сигналов антенными системами (АС) как для мобильных, так и для стационарных наземных терминалов связи. Как правило, в наземных терминалах таких систем используются сканирующие АС. В наши дни получили развитие АС с механоэлектрическим сканированием (МЭС), ввиду того что в подобных системах достигается высокая направленность в широком секторе углов при сохранении малых габаритов антенны и ее невысокой стоимости. Одним из возможных элементов управления лучом являются волноводные фазовращатели в связи с их простой реализацией, малыми потерями и невысокой стоимостью.
Цель работы. Разработка сканирующей антенной решетки (АР) с МЭС, способной обеспечить перестройку луча в пределах ±60°.
Материалы и методы. Численные исследования проведены методом конечных элементов во временной области. Результаты. Разработан широкополосный микрополосковый излучающий элемент, работающий в диапазоне частот 10.7…14.5 ГГц, и на его основе построена сканирующая АР, элементом управления которой выступает предложенный фазовращатель на gap-волноводе, обеспечивающий фазовую регулировку более 360°. По результатам электродинамического моделирования АР продемонстрировала возможность сканирования в пределах ±60° с деградацией коэффициента направленного действия менее 3 дБ во всем рабочем частотном диапазоне.
Заключение. В статье рассмотрена разработка АС с МЭС с механическим фазовращателем в качестве элемента управления лучом. Разработанная антенная решетка позволяет обеспечить сканирование в секторе углов ±60°.

1. A fast and accurate LEO satellite-based direct position determination assisted by TDOA measurements / S. Li, Q. Zhang, B. Deng, B. Wu, Y. Gao // China Communications. 2022. Vol. 19, № 1. P. 92–103. doi: 10.23919/JCC.2022.01.008

2. Architectures and Key Technical Challenges for 5G Systems Incorporating Satellites / A. Guidotti, A. Vanelli-Coralli, M. Conti, S. Andrenacci, S. Chatzinotas, N. Maturo // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2019. Vol. 68, № 3. P. 2624–2639. doi: 10.1109/TVT.2019.2895263

3. Satellite Communications in the New Space Era: A Survey and Future Challenges / O. Kodheli, E. Lagunas, N. Maturo, Sh. K. Sharma, B. Shankar, J. F. M. Montoya // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2021. Vol. 23, № 1. P. 70–109. doi: 10.1109/COMST.2020.3028247

4. Laniewski D., Lanfer E., Aschenbruck N. Measuring Mobile Starlink Performance: A Comprehensive Look // IEEE Open J. of the Communications Society. 2025. Vol. 6. P. 1266–1283. doi: 10.1109/OJCOMS.2025.3539836

5. Design 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 // Proc. of the 4th European Conf. on Antennas and Propagation, Barcelona, Spain, 12–16 Apr. 2010. IEEE, 2010. P. 1–5.

6. Yang 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.2021.3057062

7. Wang Z. X., Dou W. B. Dielectric Lens Antennas Designed for Millimeter Wave Application // Joint 31st Intern. Conf. on Infrared Millimeter Waves and 14th Intern. Conf. on Teraherz Electronics. Shanghai, China, 18–22 Sept. 2006. IEEE, 2006. P. 376. doi: 10.1109/ICIMW.2006.368584

8. ФАР с механоэлектрическим сканированием / Е. А. Литинская, В. С. Панько, С. В. Поленга, Ю. П. Саломатов // Успехи современной радиоэлектроники. 2015. № 1. С. 24–27.

9. Lin H. S., Mou L. W., Cheng Y. J. High-Efficiency Wide-Angle Scanning Mechanoelectrical Hybrid Phased Array Antenna with Mechanically Reconfigurable Element Pattern // IEEE Antennas and Wireless Propagation Let. 2023. Vol. 22, № 7. P. 1567–1571. doi: 10.1109/LAWP.2023.3251439

10. Разработка и исследование планарной антенны с широкоугольным механическим сканированием / Ю. Г. Пастернак, В. А. Пендюрин, Д. К. Проскурин, Н. Б. Смольянов // Радиолокация, навигация, связь : сб. тр. XXX Междунар. науч.-техн. конф.: в 5 т., Воронеж, 16–18 апр. 2024. Воронеж: Издательский дом ВГУ, 2024. С. 225–230.

11. A New Design of K/Ka Dual-Band Aperture Coupled Antenna / Z. Lai, J. Jiang, F. Zhu, Y. Chen // 12th Int. Conf. on communication software and networks (ICCSN), Chongqing, China, 12–15 June 2020. IEEE, 2020. P. 182–185. doi: 10.1109/ICCSN49894.2020.9139121

12. Wideband Aperture Coupled Line Feeding Microstrip Patch Antenna Design Using Different Shaped Patches / M. Abdullah-Al-Mamun, M. S. Anower, M. R. Billah, S. Datto // Int. Conf. on computer communication and informatics, Coimbatore, India, 27–29 Jan. 2021. IEEE, 2021. P. 1–6. doi: 10.1109/ICCCI50826.2021.9402296

13. Механически управляемый фазовращатель Ku-диапазона / А. Д. Полигина, С. В. Поленга, Е. А. Стригова, Р. О. Рязанцев // Письма в ЖТФ. 2024. Т. 50, вып. 13. С. 47–50. doi: 10.61011/PJTF.2024.13.58169.19881

14. Полигина А. Д., Поленга С. В., Стригова Е. А. Механически управляемый фазовращатель на основе gap-волновода // Письма в ЖТФ. 2024. Т. 50, вып. 3. С. 44–46. doi: 10.61011/PJTF.2024.03.57044.19748

15. Gap waveguide PMC packaging for improved isolation of circuit components in highfrequency microwave modules / A. U Zaman, M. Alexanderson, T. Vukusic, P. S. Kildal // IEEE Trans. Components, Packaging and Manufacturing Technol. 2014. Vol. 4, iss. 1. P. 16–25. doi:10.1109/TCPMT.2013.2271651