Двухдиапазонная отражательная антенная решетка Ka/Q-диапазонов частот

Введение. Для организации дуплексной спутниковой связи, как правило, используются два разнесенных диапазона частот: один – для приема, второй – для передачи сигнала на спутник. Основной задачей антенной системы спутника связи является обеспечение идентичной зоны покрытия во всех задействованных диапазонах частот, что зачастую затруднительно с использованием традиционных параболических зеркальных антенн. Отражательные антенные решетки (ОАР) позволяют осуществлять независимое управление фазой переизлученной волны в разнесенных диапазонах частот, что может быть использовано для создания эффективных многодиапазонных антенных систем современной спутниковой связи.

Цель работы. Разработка фазокорректирующего элемента Ka/Q-диапазонов частот и создание на его основе двухдиапазонной ОАР для работы с ортогональными круговыми поляризациями, обладающей идентичными коэффициентами усиления (КУ) в заданном секторе углов в значительно разнесенных диапазонах частот.

Материалы и методы. Численные исследования проведены методом конечных элементов. Характеристики направленности измерялись методом сканирования в ближнем поле антенны.

Результаты. Разработан однослойный двухдиапазонный фазокорректирующий элемент ОАР для работы с ортогональными круговыми поляризациями с малыми потерями и слабой зависимостью фазовой характеристики от взаимного расположения элементов. На основе предложенного элемента синтезирована и изготовлена ОАР, состоящая из 24 465 двухчастотных элементов. Разработанный макет однослойной двухдиапазонной ОАР продемонстрировал хорошую эффективность, коэффициент использования поверхности достигает 56 и 36 %, соответственно, в Ka- и Q-диапазонах частот при практически идентичном минимальном КУ в секторе углов ±0.75°.

Заключение. Результаты исследований показывают возможность ОАР с успехом замещать традиционные параболические рефлекторы как на современных спутниках связи, так и в составе наземных спутниковых терминалов в миллиметровом диапазоне длин волн.

1. 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. 39–43.

2. Совмещенный облучатель Ku/Ka-диапазонов частот для земных станций спутниковой связи / С. В. Поленга, А. М. Александрин, Ю. П. Саломатов, К. В. Лемберг, А. А. Попович // Успехи современной радиоэлектроники. 2016. № 11. С. 43–47.

3. Dual polarized reflectarray antenna to generate independent beams in Ku and Ka bands / E. Martinezde-Rioja, J. A. Encinar, R. Florencio, R. R. Boix // 10th European Conf. on Antennas and Propagation, Davos, Switzerland, 10–15 Apr. 2016. Piscataway: IEEE, 2016. P. 1–5. doi: 10.1109/EuCAP.2016.7481439

4. Design of bifocal dual reflectarray antennas in Ka-band to generate a multi-spot coverage from geostationary satellites / E. Martinez-de-Rioja, J. A. Encinar, A. Pino, B. Gonzalez-Valdes // 13th European Conf. on Antennas and Propagation. Krakow, Poland, 31 March – 5 Apr. 2019. Piscataway: IEEE, 2019. P. 1–5.

5. Arrebola M., Encinar J. A., Barba M. Multifed Printed Reflectarray with three simultaneous shaped beams for LMDS central station antenna // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2001. Vol. 56, № 6. P. 1518–1527. doi: 10.1109/TAP.2008.923360

6. Single-layer dual-frequency reflectarray for Kaband antennas / M. Abdollahvand, J. A. Encinar, K. Forooraghi, Z. Atlasbaf, M. Barba // 10th European Conf. on Antennas and Propagation, Davos, Switzerland, 10–15 Apr. 2016. Piscataway: IEEE, 2016. P. 1–4. doi: 10.1109/EuCAP.2016.7481879.

7. Design of wideband reflectarray antennas / Y. G. Antonov, M. I. Sugak, S. V. Ballandovich, G. A. Kostikov, L. M. Liubina // 14th European Conf. on Antennas and Propagation, Copenhagen, Denmark, 15–20 March 2020. Piscataway: IEEE, 2020. P. 1–5. doi: 10.23919/EuCAP48036.2020.9135649

8. Ballandovich S. V., Liubina L. M., Sugak M. I. Non-planar full-metal slot reflectarray antenna // 23rd Intern. Microwave and Radar Conf., Warsaw, Poland, 5–8 Oct. 2020. Piscataway: IEEE, 2019. P. 338–341. doi: 10.23919/MIKON48703.2020.9253864

9. Gao Q., Wang J. Bandwidth enhancement element for linearly polarized reflectarray design in Kuband // 7th IEEE Intern. Symp. on Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies, Xi'an, China, 24– 27 Oct. 2017. Piscataway: IEEE, 2017. P. 34–36. doi: 10.1109/MAPE.2017.8250789

10. Hamzavi-Zarghani Z., Atlasbaf Z. A new broadband single-layer dual-band reflectarray antenna in X- and Ku-Bands // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2015. Vol. 14. P. 602–605. doi: 10.1109/LAWP.2014.2374351

11. A Ka-band shaped-beam circularly polarized reflectarray antenna / S. V. Polenga, A. A. Erokhin, R. M. Krylov, A. V. Stankovsky, E. A. Litinskaya, A. D. Hudonogova, I. Yu., Danilov, Yu. P. Salomatov // Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves, Divnomorskoe, Russia, 24–28 June, 2019. Piscataway: IEEE, 2019. P. 281–284. doi: 10.1109/RSEMW.2019.8792697.

12. Pozar D. M., Targonski S. D., Pokuls R. A shaped-beam microstrip patch reflectarray // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1999. Vol. 47, № 7. P. 1167–1173. doi: 10.1109/8.785748

13. Reflectarray antennas for dual polarization and broadband telecom satellite applications / R. Florencio, J. A. Encinar, R. R. Boix, V. Losada, G. Toso // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2015. Vol. 63, № 4. P. 1234–1246. doi: 10.1109/TAP.2015.2391279

14. Shamsaee Malfajani R., Abbasi Arand B. Dualband orthogonally polarized single-layer reflectarray antenna // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2017. Vol. 65, № 11. P. 6145–6150. doi: 10.1109/TAP.2017.2754459

15. Hasani H., Kamyab M., Mirkamali A. Low cross-polarization reflectarray antenna // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2011. Vol. 59, № 5. P. 1752–1756. doi: 10.1109/TAP.2011.2123071

16. Malfajani R. S., Atlasbaf Z. Design and implementation of a broadband single-layer reflectarray antenna with large-range linear phase elements // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2012. Vol. 11. P. 1442– 1445. doi: 10.1109/LAWP.2012.2228147

17. Pozar D. M., Schaubert D. H. Analysis of an infinite array of rectangular microstrip patches with idealized probe feeds // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1984. Vol. 32. P. 1101–1107. doi: 10.1109/TAP.1984.1143211

18. Pozar D. M. Analysis of an infinite phased array of aperture coupled microstrip patches // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1989. Vol. 37. P. 418–425. doi: 10.1109/8.24161.

19. Implementation 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. Omsk, Russia, 21–23 May 2015. Piscataway: IEEE, 2015. P. 1–3. doi: 10.1109/SIBCON.2015.7147334