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

Introduction. Reflectarrays have a number of design and functional advantages over their closest analogue - reflector antennas (RA). Although microstrip elements are the most preferred reflectarray elements, single-layer microstrip elements do not allow accurate phase control due to the limited phase adjustment range and a high phase slope. The use of multilayer elements significantly complicates the antenna design and increases its cost. The development of a single-layer element that allows more than 360° phase adjustment and a low phase curve slope is urgent.Aim. To develop a single-layer microstrip phase-correcting element with a phase adjustment range of more than 360° and to design a reflectarray on its basis for operation in satellite communication networks.Materials and methods. Numerical studies were carried out using finite element analysis and the finite-difference time-domain method. Radiation patterns were measured using the near-field scanning method in an anechoic chamber.Results. A phase-correcting element based on a single-layer Maltese cross-shaped microstrip element with close to linear dependence of element size on the phase of the reradiated wave and more than 360° phase adjustment range was developed. On the basis of the investigated element, a foldable reflectarray was designed. The reflector consists of four subarrays, which provide its compact folding for transportation. The results of experimental studies confirmed a high efficiency of the reflectarray, the gain of which is 1.5 dB lower than that of an identical overall dimensions RA in a 7 % operating frequency band. The operating frequency band of the reflectarray in 1 dB gain zone was 11 %.Conclusion. On the basis of a Maltese cross microstrip element, it is possible to implement a single-layer reflectarray with a more than 10 % frequency band. The developed prototype showed the possibility of creating highly efficient foldable reflectarrays for operation in satellite communication and television terminals.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

Двухдиапазонная отражательная антенная решетка Ka/Q-диапазонов частот

Introduction. Duplex satellite communication is commonly arranged using two spaced frequency bands, with one band receiving and the other band transmitting signals to a satellite. The main task of a communications satellite antenna system consists in providing an identical coverage area across all involved frequency bands, which is often a challenging task for conventional parabolic reflector antennas. Reflectarrays allow an independent control of the reradiated wave phase in spaced frequency bands, which can be used to create efficient multi-band antenna systems for modern communication satellites.Aim. To develop a Ka/Q-frequency range phase-correcting element and to create on its basis a dual-band reflectarray for operation with orthogonal circular polarizations and identical gains in a given sector of angles in significantly spaced frequency ranges.Materials and methods. Numerical studies were carried out using the finite element analysis method. Radiation patterns were measured using the near field scanning method.Results. A single-layer dual-band phase-correcting reflectarray element was developed for operation with orthogonal circular polarizations with low losses and a weak dependence of the relative position of the elements on the phase characteristic. On the basis of the proposed element, a reflectarray consisting of 24 465 two-frequency elements was synthesized and manufactured. The developed prototype of a single-layer dual-band reflectarray demonstrated good characteristics, with the efficiency reaching 56 and 36 % in the Ka- and Q-frequency ranges, respectively, and an almost identical minimum gain in the ±0.75° angle sector.Conclusion. The research results confirm the potential of the developed reflectarray to successfully replace conventional parabolic reflectors installed both on modern communication satellites and as part of ground-based satellite terminals in the millimeter wavelength range.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