Антенные системы с широкоугольным механоэлектрическим сканированием

   Введение. В связи с активным развитием спутниковых сетей связи возникает потребность и в новых антеннах для наземных терминалов. Федеральная программа "Сфера" предполагает введение в эксплуатацию новых спутниковых группировок для связи и дистанционного зондирования Земли. Спутниковые группировки "Скиф" (предоставление широкополосного доступа в Интернет) и "Экспресс-РВ" (обеспечение Арктики интернетом и связью) не относятся к геостационарным и требуют постоянного слежения за спутником даже для стационарных терминалов. Отклоняющие структуры, работающие по принципу квазиоптического управления диаграммой направленности (ДН), позволяют разрабатывать сканирующие антенные системы (АС) для организации непрерывной спутниковой связи.

   Цель работы. Исследование различных типов диэлектрических структур для отклонения ДН и сканирующих АС на их основе, а также выявление конфигурации с лучшими характеристиками по сравнению с идеальной структурой в виде диэлектрического клина.

   Материалы и методы. Математическое моделирование, электродинамическое моделирование при помощи САПР методом конечных элементов и методом конечного интегрирования, а также экспериментальное исследование макета АС в безэховой камере методами измерения в дальней и ближней зонах антенны.

   Результаты. Проведено электродинамическое моделирование трех типов отклоняющих диэлектрических структур – аналогов диэлектрического клина: структуры, набранной из диэлектриков с различными диэлектрическими проницаемостями; структуры из диэлектрических пластин треугольной формы; структуры из перфорированного диэлектрика, а также сканирующих АС на основе представленных конфигураций. Получены их расчетные ДН. Выявлена структура с лучшими характеристиками, на основе которой изготовлен макет для экспериментального подтверждения результатов электродинамического моделирования. Максимальный угол наклона ДН составил порядка 60°, снижение коэффициента направленного действия (КНД) относительно максимального значения составило 6 дБ, а для углов наклона до 55° деградация КНД не превысила 4 дБ, уровень боковых лепестков не превысил значения –12 дБ (расчетный) и –14 дБ (измеренный).

   Заключение. Результаты исследований различных типов структур квазиоптического управления лучом ДН показывают возможность использования данных конфигураций при создании низкопрофильных АС с широкоугольным механоэлектрическим сканированием для организации спутниковой связи как для мобильных потребителей, так и для стационарных, с использованием средне- и низкоорбитальных космических аппаратов.

1. Low cost Ku-band electronic steerable array antenna for mobile satellite communications / S. Vaccaro, D. Llorens del Río, J. Padilla, R. Baggen // Proc. of the 5^th European Conf. on Antennas and Propagation (EUCAP). Rome, Italy. 11–15 Apr. 2011. IEEE, 2011. P. 471–478.

2. Low-profile scalable phased array antenna at Kuband for mobile satellite communications / K. Y. Kapusuz, Y. Şen, M. Bulut, İ. Karadede, U. Oğuz // 2016 IEEE Intern. Symp. on Phased Array Systems and Technology (PAST). Waltham, USA. 18–21 Oct. 2016. IEEE, 2016. P. 1–4. doi: 10.1109/ARRAY.2016.7832648

3. Panzner B., Joestingmeier A., Omar A. Ka-band dielectric lens antenna for resolution enhancement of a GPR // 2008 8^th Intern. Symp. on Antennas, Propagation and EM Theory. Kunming, China. 02–05 Nov. 2008. IEEE, 2008. P. 31–34. doi: 10.1109/ISAPE.2008.4735132

4. Ravishankar S. Analysis of shaped beam dielectric lens antennas for mobile broadband applications // IWAT 2005. IEEE Intern. Workshop on Antenna Technology: Small Antennas and Novel Metamaterials. Singapore. 07–09 March 2005. IEEE, 2005. P. 539–542. doi: 10.1109/IWAT.2005.1461135

5. Wang Z. X., Dou W. B. Dielectric lens antennas designed for millimeter wave application // 2006 Joint 31^st Intern. Conf. on Infrared Millimeter Waves and 14^th Intern. Conf. on Teraherz Electronics. Shanghai, China. 18–22 Sept. 2006. IEEE, 2006. P. 376. doi: 10.1109/ICIMW.2006.368584

6. Ryazantsev R. O., Salomatov Yu. P., Sugak M. I. Concave spherical feed array for Luneberg lens // 2013 Intern. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON). Krasnoyarsk, Russia. 12–13 Sept. 2013. IEEE, 2013. P. 1–4. doi: 10.1109/SIBCON.2013.6693605

7. Griffiths H. D., Khan M. R. Antenna beam steering technique using dielectric wedges // IEE Proc. H. Microwaves, Antennas and Propagation. 1989. Vol. 136, iss. 2. P. 126–131.

8. Ghate P., Bredow J. Quasi-Optical Beamforming using Horizontal Dielectric Wedges // 2021 IEEE Intern. Symp. on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting (APS/URSI). IEEE, 2021. P. 505–506. doi: 10.1109/APS/URSI47566.2021.9704172

9. Дисковая антенна с широкоугольным механо-электрическим сканированием / А. В. Станковский, А. Д. Немшон, С. В. Поленга, Ю. П. Саломатов // Электронные средства и системы управления : материалы докл. Междунар. науч.-практ. конф. Томск, 2014. № 1. С. 149–153.

10. Gagnon N., Petosa A. Using Rotatable Planar Phase Shifting Surfaces to Steer a High-Gain Beam // IEEE transactions on antennas and propagation. 2013. Vol. 61, iss. 6. P. 3086–3092. doi: 10.1109/TAP.2013.2253298

11. Beam-Scanning Antenna Based on Near-Electric Field Phase Transformation and Refraction of Electromagnetic Wave Through Dielectric Structures / M. U. Afzal, L. Matekovits, K. P. Esselle, A. Lalbakhsh // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 199242–199253. doi: 10.1109/ACCESS.2020.3033284

12. Alexandrin A. M., Ryazantsev R. O., Salomatov Yu. P. Numerical optimization of the discrete Mikaelian lens // 2016 Intern. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON). IEEE, 2016. P. 1–3. doi: 10.1109/SIBCON.2016.7491859

13. Gagnon N., Petosa A., McNamara D. A. Thin microwave quasi-transparent phase-shifting surface (PSS) // IEEE transactions on antennas and propagation. 2010. Vol. 58, iss. 4. P. 1193–1201. doi: 10.1109/TAP.2010.2041150

14. Array of hexagonal Fresnel zone plate lens antennas / A. Petosa, S. Thirakoune, I. V. Minin, O. V. Minin // Electron. Lett. 2006. Vol. 42, № 15. P. 834–836. doi: 10.1049/el:20061258

15. Khalaj-Amirhosseini M. Microwave Filters using Waveguides Filled by Multi-Layer Dielectric // 2006 7^th Intern. Symp. on Antennas, Propagation & EM Theory. Guilin, China. 26–29 Oct. 2006. IEEE, 2006. P. 1–3. doi: 10.1109/ISAPE.2006.353299

16. AlAjmi A. R., Saed M. A. Perforated dielectric surface wave antenna with directive radiation pattern // 2016 IEEE Conf. on Antenna Measurements & Applications (CAMA). Syracuse, USA. 23–27 Oct. 2016. IEEE, 2016. P. 1–3. doi: 10.1109/CAMA.2016.7815763

17. Mrnka M., Raida Z. An Effective Permittivity Tensor of Cylindrically Perforated Dielectrics // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2018. Vol. 17, iss. 1. P. 66–69. doi: 10.1109/LAWP.2017.2774448

18. 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 (SIBCON). Omsk, Russia. 21–23 May 2015. IEEE, 2015. P. 1–3. doi: 10.1109/SIBCON.2015.7147334

19. Munk B. A. Frequency Selective Surfaces: Theory and Design. New York: Wiley-Interscience, 2000. 440 p.

20. AL-Joumayly M. A., Behdad N. A generalized method for synthesizing low-profile, band-pass frequency selective surfaces with non-resonant constituting elements // IEEE transactions on antennas and propagation. 2010. Vol. 58, iss. 12. P. 4033–4041. doi: 10.1109/TAP.2010.2078474

21. White C. R., Ebling J. P., Rebeiz G. A wide-scan printed planar K-band microwave lens // 2005 IEEE Antennas and Propagation Society Intern. Symp. 2005. Washington, USA, 03–08 July 2005. IEEE, 2005. Vol. 4. P. 313–316. doi: 10.1109/APS.2005.1552652

22. Singh N., Choure K. K., Kumari M. A Survey on Free-Standing Phase Correcting gain enhancement Devices // Intern. J. of Scientific & Engineering Research. 2013. Vol. 4, iss. 7. P. 109–115.