Разборная отражательная антенная решетка Ku-диапазона частот на основе микрополоскового элемента в виде мальтийского креста

Введение. Отражательные антенные решетки (ОАР) обладают рядом конструктивных и функциональных преимуществ относительно ближайшего аналога – зеркальных антенн (ЗА). Наиболее предпочтительными элементами ОАР являются микрополосковые, однако однослойные микрополосковые элементы зачастую не позволяют точно скорректировать фазу в ОАР из-за ограниченного диапазона фазовой регулировки и высокой крутизны фазовой кривой. Использование многослойных элементов заметно усложняет и удорожает конструкцию антенны. В связи с этим актуален поиск однослойных элементов, обеспечивающих фазовую регулировку более 360° с малой крутизной фазовой кривой.
Цель работы. Разработка однослойного микрополоскового фазокорректирующего элемента отражательного типа с диапазоном регулировки более 360° и создание на его основе ОАР для работы в сетях спутниковой связи.
Материалы и методы. Численные исследования проведены методом конечных элементов и методом конечных разностей во временно́й области. Характеристики направленности измерялись сканированием ближнего поля в безэховой камере.
Результаты. Разработан фазокорректирующий элемент на основе однослойного микрополоскового резонатора в виде мальтийского креста с близкой к линейной зависимостью фазы отраженной волны от размера элемента, обеспечивающий диапазон фазовой регулировки более 360°. На основе исследованного элемента разработана и изготовлена разборная конструкция ОАР, в которой рефлектор состоит из четырех подрешеток, что обеспечивает компактное свертывание ОАР для транспортировки. Результаты экспериментальных исследований показали высокую эффективность ОАР, коэффициент усиления (КУ) которой на 1.5 дБ ниже КУ ЗА идентичных габаритных размеров в относительной полосе рабочих частот (ОПРЧ) 7 %. ОПРЧ ОАР по уровню снижения КУ на 1 дБ составила 11 %.
Заключение. На основе элемента в виде мальтийского креста возможна реализация однослойных ОАР с ОПРЧ более 10 %. Разработанный макет показал возможность создания высокоэффективных сворачиваемых ОАР для работы в составе терминалов спутниковой связи и телевидения.

1. A Ku-band foldable reflectarray / S. V. Polenga, A. V. Stankovsky, Y. A. Litinskaya, R. M. Krylov, A. M. Alexandrin, Y. P. Salomatov // XIV Intern. Scientific-Technical Conf. on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE), Novosibirsk, Russia, 2–6 Oct. 2018. Piscataway: IEEE, 2018. Acc. № 18303692. doi: 10.1109/APEIE.2018.8545456

2. Chen Y. S., Wu Y. H., Chung C. C. Solar–powered active integrated antennas backed by a transparent reflectarray for cubesat applications // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 137934–137946. doi: 10.1109/ACCESS.2020.3012133

3. A Ka–band high–efficiency transparent reflectarray antenna integrated with solar cells / W. An, L. Xiong, S. Xu, F. Yang, H. Fu, J. Ma // IEEE Access. 2018. Vol. 6. P. 60843– 60851. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2875359

4. Отражательная 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. 39–42.

5. Ballandovich S. V., Liubina L. M., Sugak M. I. Investigation of slot reflectarray antennas // Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT), Moscow, Russia, 14–16 March 2018. Piscataway: IEEE, 2018. Acс. № 17715494. doi: 10.1109/MWENT.2018.8337282

6. 3D printed reflectarray antenna at 60 GHz / B. Chen, H. Yi, K. B. Ng, S. Qu, C. H. Chan // Intern. Symp. on Antennas and Propagation (ISAP), Okinawa, Japan, 24–28 Oct. 2016. Piscataway: IEEE, 2016. Acc. № 16602081.

7. Wideband 3D–printed reflectarray of closed–volume elements / Y. Antonov, S. Ballandovich, G. Kostikov, L. Liubina, M. Sugak // 10th Intern. Congress on ultra modern telecommunications and control systems and workshops (ICUMT), Moscow, Russia, 5–9 Nov. 2018. Piscataway: IEEE, 2018. Acc. № 18439590. doi: 10.1109/ICUMT.2018.8631236

8. A Ka–band shaped–beam circularly polarized reflectarray antenna / S. V. Polenga, A. A. Erokhin, R. M. Krylov, A. V. Stankovsky, Y. A. Litinskaya, A. D. Hudonogova, I. Y. Danilov, Yu. P. Salomatov // Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW), Divnomorskoe, Russia, 24–28 June 2019. Piscataway: IEEE, 2019. Acc. № 18904513. doi: 10.1109/RSEMW.2019.8792697

9. Zhao G., Jiao Y., Zhang F. Broadband design of a shaped beam reflectarray with China coverage pattern // Proc. of the 9th Intern. Symp. on Antennas, Propagation and EM Theory, Guangzhou, China, 29 Nov.– 2 Dec. 2010. Piscataway: IEEE, 2010. Acc. № 11772827. doi: 10.1109/ISAPE.2010.5696447

10. Analysis of multi–faceted reflectarray antenna for spatial bandwidth improvement / V. Patel, P. Mevada, D. Pujara, S. Chakrabarty, M. Mahajan // IEEE Intern. Symp. on Antennas and Propagation and North American Radio Science Meeting, Montreal, Canada, 5–10 July 2020. Piscataway: IEEE, 2020. Acc. № 20465479. doi: 10.1109/IEEECONF35879.2020.9329895

11. Impact of feed position on the operating band of broadband reflectarray antenna / M. Mohammadirad, N. Komjani, M. R. Chaharmir, J. Shaker, A. R. Sebak // IEEE Antennas and Wireless Propagation Lett. 2012. Vol. 11. P. 1104–1107. doi: 10.1109/LAWP.2012.2218563

12. Carrasco E., Encinar J. A., Barba M. Bandwidth improvement in large reflectarrays by using true-time delay // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2008. Vol. 56, № 8. P. 2496–2503. doi: 10.1109/TAP.2008.927559

13. Encinar J. A. Design of two-layer printed reflectarrays using patches of variable size // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2001. Vol. 49, № 10. P. 1403–1410. doi: 10.1109/8.954929

14. ANN characterization of multi-layer reflectarray elements for contoured-beam space antennas in the Kuband / P. Robustillo, J. Zapata, J. A. Encinar, J. Rubio // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2012. Vol. 60, № 7. P. 3205–3214. doi: 10.1109/TAP.2012.2196941

15. Study on three-layer refelectarray microstrip patches with polarisation transform / H.–H. Chen, W.–X. Zhang, Z.–H. Wu, H.–L. Sun // First Europ. Conf. on Antennas and Propagation, Nice, France, 6–10 Nov. 2006. Piscataway: IEEE, 2018. Acc. № 10152828. doi: 10.1109 /EUCAP.2006.4584622

16. Capacitive loading effect of dual element reconfigurable reflectarray unit cell / M. A. Daud, N. Misran, M. F. Mansor, M. Y. Ismail // IEEE 14th Malaysia Intern. Conf. on Communication (MICC), Selangor, Malaysia, 2–4 Dec. 2019. Piscataway: IEEE, 2019. Acc. № 19471408. doi: 10.1109/MICC48337.2019.9037584

17. A design of a broadband single layer polarization beam splitting reflectarray using varying-sized cross dipoles / S. Yu, H. Zhang, S. Liu, B. Bian // Progress In Electromagnetics Research Symposium – Spring (PIERS), St Petersburg, Russia, 22–25 May 2017. Piscataway: IEEE, 2017. Acc. № 17521116. doi: 10.1109/PIERS.2017.8261835