Антенная решетка на основе резонаторов Фабри–Перо с механоэлектрическим сканированием

Введение. Организация сетей спутниковой связи на мобильных объектах в труднодоступных, удаленных местностях является актуальной задачей в рамках развития информационной связанности территорий РФ. Для организации спутниковой связи на транспортных средствах необходимы низкопрофильные эффективные антенные системы (АС) с сохранением характеристик направленности в широком секторе углов сканирования.

Цель работы. Исследование АР на основе резонатора Фабри–Перо с механоэлектрическим сканированием, а также оценка коэффициента усиления и направленности решетки при различных углах сканирования.

Материалы и методы. Численные исследования проведены методом конечных элементов (FEM – finite element method) и методом конечных разностей во временной области (FDTD), а также методами постобработки результатов.

Результаты. Проведено моделирование подрешетки на основе резонатора Фабри–Перо для АР с механоэлектрическим сканированием. Установлено, что коэффициент усиления (КУ) подрешетки на основе резонатора Фабри–Перо составляет не менее 32.5 дБ в полосе частот от 11.9 до 12.5 ГГц, а апертурный коэффициент использования поверхности (КИП) – не менее 0.65. В ходе исследования разработана и изготовлена АР на основе резонатора Фабри–Перо с механоэлектрическим сканированием. Характеристики АР на основе резонатора Фабри–Перо, полученные электродинамическим моделированием, совпадают с характеристиками, найденными экспериментальным путем. Деградация КУ АР на основе резонаторов Фабри–Перо составляет не более 2.5 дБ в секторе углов сканирования 0…70°. Отмечены преимущества использования антенных элементов на основе резонатора Фабри–Перо и построения на их основе мобильных спутниковых АС с широкоугольным сканированием.

Заключение. Применение в качестве излучателя резонатора Фабри–Перо и построение на его основе АР с механоэлектрическим сканированием позволяет достичь апертурного КИП антенны не менее 0.5 и деградации КУ в секторе углов 0…70° не более 2.5 дБ в полосе частот 11.9…12.5 ГГц

1. Letavin D. A., Konovalov A. L. Antenna for mobile communication of the 5th generation // Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT), М., 13–15 Mar. 2018 / Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc. М., 2018. P. 1–4. doi: 10.1109/MWENT.2018.8337280

2. Jung Y., Shishlov A. V., Park S. Cassegrain Antenna With Hybrid Beam Steering Scheme for Mobile Satellite Communications // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2009. Vol. 57, № 5. P. 1367–1372. doi: 10.1109/TAP.2009.2016706

3. Dual-band Parabolic Antenna for High Capacity Backhauls and Fronthauls / H. R. D. Filgueiras, M. C. Melo, T. H. Brandão, S. Arismar Cerqueira // SBMO/IEEE MTT-S Intern. Microwave and Optoelectronics Conf. (IMOC), Aveiro, 10–14 Nov. 2019. Aveiro: IEEE, 2019. P. 1–3. doi: 10.1109/IMOC43827.2019.9317627

4. 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 // Proceedings of the Fourth European Conf. on Antennas and Propagation, Barcelona, 12–16 April 2010. Barcelona: IEEE, 2010. P. 1–5.

5. Jung Y.-B., Jeon S.-I., Kim Ch.-J. A APAA system for Ku-band mobile multimedia service via satellite // IEEE Antennas and Propagation Society Intern. Symp., Albuquerque, NM, 9–14 July 2006. Albuquerque: IEEE, 2006. P. 3123–3126. doi: 10.1109/APS.2006.1711271

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

8. A Ku-Band Low-Profile Wide-Angle Scanning Antenna Array with Combined Beam Steering / Y. A. Litinskaya, S. V. Polenga, A. V. Stankovsky, Yu. P. Salomatov // XIV Intern. Sci.-Tech. Conf. on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE), Novosibirsk, 2018. Novosibirsk: IEEE, 2018. P. 238–242. doi: 10.1109/APEIE.2018.8546218

9. Konstantinidis K., Feresidis A. P., Hall P. S. Multilayer Partially Reflective Surfaces for Broadband FabryPerot Cavity Antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2014. Vol. 62, № 7. P. 3474–3481. doi: 10.1109/TAP.2014.2320755

10. Ge Y., Esselle K. P., Bird T. S. The Use of Simple Thin Partially Reflective Surfaces with Positive Reflection Phase Gradients to Design Wideband, Low-Profile EBG Resonator Antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. Vol. 60, № 2. P. 743–750. doi: 10.1109/TAP.2011.2173113

11. Ku-band antenna array element based on FabryPerot cavity / A. M. Alexandrin, S. V. Polenga, A. V. Stankovsky, A. D. Nemshon, Y. A. Litinskaya, A. D. Hudonogova, Yu. P. Salomatov // Asia-Pacific Microwave Conf. (APMC), New Delhi, 5–9 Dec. 2016. New Delhi: IEEE, 2016. P. 1–4. doi: 10.1109/APMC.2016.7931338

12. Carluccio G., Mazzinghi A., Freni A. Design and Manufacture of Cosecant-Squared Complementary Reflectarrays for Low-Cost Application // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2017. Vol. 65, № 10. P. 5220–5227. doi: 10.1109/TAP.2017.2743743

13. True-Time-Delay Mechanical Phase Shifter in Gap Waveguide Technology for Slotted Waveguide Arrays in KaBand / D. Sánchez-Escuderos, J. I. Herranz-Herruzo, M. Ferrando-Rocher, A. Valero-Nogueira // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2021. Vol. 69, № 5. P. 2727–2740. doi: 10.1109/TAP.2020.3030993

14. On-the-move antenna systems for broad-band satellite communications / M. Gachev, V. Boyanov, S. Kamenopolsky, V. Peshlov, B. Marinov, P. Dankov // The 8th European Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP 2014), Hague, 6–11 April 2014. The Hague: IEEE, 2014. P. 2445–2449. doi: 10.1109/EuCAP.2014.6902312

15. High-Throughput Satellite Connectivity for the Constant Contact Vehicle / R. A. Stevenson, D. Fotheringham, T. Freeman, T. Noel, T. Mason, S. Shafie // 48th European Microwave Conf. (EuMC), Madrid, 23–27 Sept. 2018. Madrid: IEEE, 2018. P. 316–319. doi: 10.23919/EuMC.2018.8541456