Synthesis Method and Experimental Research of Ku-band Antennas Based on Tensorial Metasurfaces

Антенны на основе тензорных метаповерхностей – это сравнительно новый тип антенн, появившийся в последнее десятилетие. Они отличаются простой конструкцией, но сложной процедурой синтеза, которая может быть основана на анализе свойств волн в периодических структурах или на основе интерпретации антенны как фазовой голограммы. В связи с новизной этого типа антенн представляет интерес исследование различных методик их синтеза, получение новых экспериментальных результатов и оценка на их основе реально достижимых характеристик таких антенн. Целью работы являлось экспериментальное исследование антенн на основе тензорных метаповерхностей c модулированным поверхностным импедансом, синтезированных по предложенной авторами методике. Для проведения исследований было использовано математическое моделирование, электродинамическое моделирование и измерения макетов антенн в ближней зоне излучения. В результате работы экспериментально подтверждено, что предложенная методика синтеза антенн на основе тензорных метаповерхностей позволяет получать антенны с заданными направлением излучения и поляризацией, которые обладают апертурной эффективностью до 50 %, шириной полосы рабочих частот до 8 % и уровнем кросс-поляризации ниже минус 20 дБ. Результаты измерений антенн хорошо согласуются с электродинамическим расчетом и заданными при синтезе параметрами. Описанный в работе тип антенн и приведенная методика их синтеза перспективны для ряда применений, например в спутниковой и мобильной связиAntennas based on metasurfaces with tensorial impedance is a relatively new type of antennas appeared in the last decade. They have a simple design, but a complex synthesis procedure. The synthesis procedure can be based on analysis of the properties of waves in periodic structures or on representing the antenna as a phase hologram. Due to the novelty of this type of antennas, researching of various synthesis methods, obtaining new experimental results and on their basis assessment of realistically achievable characteristics is of interest. The purpose of the work was an experimental research of antennas based on metasurfaces with tensorial surface impedance, synthesized according to the method proposed by the authors. To carry out the research, mathematical modeling, electrodynamic modeling, and nearfield measurements of antenna prototypes were used. As a result, it was experimentally confirmed that the proposed tensorial metasurface antennas synthesis method makes it possible to obtain antennas with a given radiation direction and polarization, which have an aperture efficiency of up to 50 %, a bandwidth of up to 8 %, and a cross-polarization level below minus 20 dB. The results of measurements are in a good agreement with the electrodynamic calculation and the parameters specified during the synthesis. The type of antennas described in the work and the given synthesis method, according to the authors, are promising for various applications, for example, in satellite and mobile communication