Проектирование отражательных антенных решеток

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

А. О. КАСЬЯНОВ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ 

АНТЕННЫХ РЕШЕТОК 

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2023

УДК 621.396.67(07)
ББК 32.845я73

К289

Печатается по решению кафедры радиотехнических 

и телекоммуникационных систем Института радиотехнических систем 

и управления Южного федерального университета 

(протокол № 10 от 16 мая 2023 г.)

Рецензенты:

доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры 

радиоэлектроники Донского государственного технического университета

М. Ю. Звездина

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры информатики 
и информационных таможенных технологий Ростовского филиала 

Российской таможенной академии П. Н. Башлы

Касьянов, А. О.

К289
Проектирование отражательных антенных решеток : учебное по-

собие / А. О. Касьянов ; Южный федеральный университет. – Ростов-
на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 
2023. – 170 с.

ISBN 978-5-9275-4532-2
Учебное пособие посвящено вопросам проектирования микрополосковых

отражательных антенных решеток, использующих технологию изготовления объемных 
интегральных микросхем (ОИС) СВЧ. Большинство вопросов, подробно 
рассмотренных в данном пособии, ранее в учебной литературе не рассматривались 
и освещались лишь в периодических изданиях и трудах научных конференций, которые 
были практически недоступны студентам.

Целесообразность издания настоящего пособия, имеющего междисципли-

нарный характер, обусловлена необходимостью обеспечения учебного процесса 
по образовательным программам бакалавриата и специалитета по дисциплинам 
«Электроника» и «Специальные радиоэлектронные устройства».

Пособие предназначено для студентов специальности 11.05.01 «Радиоэлек-

тронные системы и комплексы» и студентов направления подготовки 11.05.02 
«Инфокоммуникационные технологии».

УДК 621.396.67(07)

ББК 32.845я73

ISBN 978-5-9275-4532-2

© Южный федеральный университет, 2023
© Касьянов А. О., 2023
© Оформление. Макет. Издательство

Южного федерального университета, 2023

Содержание

3

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………..
9

1. ПРИНЦИП РАБОТЫ, ОСОБЕННОСТИ 
ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ОАР …………………….
10

1.1. Общие положения ………………………………………………..
10

1.2. Принцип действия микрополосковой ОАР ……………………..
12

1.3. Направленные свойства микрополосковых ОАР ……………….
17

1.4. Диапазонные свойства микрополосковых ОАР ………………...
20

1.5. Достоинства микрополосковых ОАР ……………………………
23

1.6. Перспективы развития технологии печатных ОАР …………….
30

Выводы по разделу 1 ………………………………………………….
41

2. ПРИМЕНЕНИЕ И РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ
СИСТЕМ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ОАР ………
44

2.1. Общие положения ………………………………………………..
44

2.2. Отражательные антенные решетки ……………………………...
45

2.3. Переизлучатель и единичная ячейка ОАР ………………………
49

2.4. Микрополосковый элемент резонаторного типа ……………….
50

2.5. ОАР на основе двухрезонансных микрополосковых элементов в 
виде квадратных пластин, помещенных в центрах печатных рамок …
61

2.6. Проектирование отражательной антенной решетки в целом на 
основе характеристик рассеяния составляющих её элементов …….
66

2.7. Сравнение характеристик рассеяния отражательной антенной 
решетки и проводящего плоского экрана ……………………………
76

2.8. Учет конструкционных элементов крепления облучателя …….
81

2.9. Выявление дефектов конструктивного исполнения антенных 
элементов отражательных решеток и их устранение ……………….
84

Выводы по разделу 2 ………………………………………………….
89

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ 
МИКРОПОЛОСКОВЫХ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ АНТЕННЫХ 
РЕШЕТОК ДЛЯ ИХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ………………………………………………….
91

Содержание

4

3.1. Применение метода интегрального уравнения при разработке 
математической модели отражательной антенной решетки ……….
91

3.2. Пример применения метода ИУ к отысканию тока на прямоугольном 
микрополосковом элементе ОАР …………………………
97

Выводы по разделу 3 ………………………………………………….
106

4. ФАЗОКОРРЕКТИРУЮЩИЙ ПЛОСКИЙ РЕФЛЕКТОР, 
ВЫПОЛНЕННЫЙ В ВИДЕ ПЕЧАТНЫХ КОЛЕЦ ……………….
107

4.1. Общие положения ………………………………………………..
107

4.2. Численный анализ отражательного фазовращателя из соста
ва ОАР …………………………………………………………………
109

4.3. Проектирование рефлектора и результаты экспериментальной 
верификации …………………………………………………………..
116

Выводы по разделу 4 ………………………………………………….
119

5. СПИРАФАЗНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ ФАЗИРОВАННЫХ 
И ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК …………………
120

5.1. Принцип спирафазности в технике ФАР и ОАР ……………….
120

5.2. Пример спирафазной отражательной решетки печатных элементов …………………………………………………………………

120

5.3. Пример плоской спирафазной печатной отражательной решетки, 
выполняющей функции фокусирующей плоской радиолинзы …….
122

5.4. Всенаправленная по азимуту свернутая микрополосковая ОАР
124

5.5. Спирафазные рупорные излучатели кольцевых ФАР фазового 
пеленгатора ……………………………………………………………
129

Выводы по разделу 5 ………………………………………………….
143

6. РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ СРЕДЫ 
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
МИКРОПОЛОСКОВЫХ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ РЕШЕТОК 
ДЛЯ КОНСТРУКТИВНОГО СИНТЕЗА МИКРОВОЛНОВЫХ 
АНТЕННЫХ СИСТЕМ С УЛУЧШЕННЫМИ 
ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ……………………………………………...
146

6.1. Схема построения и краткая характеристика программного 
комплекса в целом …………………………………………………….
146

6.2. Конструктивный синтез микрополосковых ОАР ………………
148

6.3. Численный пример ……………………………………………….
151

Содержание

5

6.4. Экспериментальное исследование макетов зеркальных антенн 
с плоскими ФКР ………………………………………………………
156

Выводы по разделу 6 ………………………………………………….
158

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………...
159

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………..
161

Содержание

6

СПИСОК ПРИНЯТЫХ 

ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

DBS – непосредственное спутниковое телевизионное вещание (direct broad-
cast satellite)
FLAPS – технология конструктивного совмещения солнечных батарей и 
плоских ОАР
HFSS – среда компьютерного электродинамического моделирования на 
СВЧ (High Frequency Structures Simulator)
LC – жидкий кристалл (liquid crystal) 
LMDS – широкополосная система беспроводной связи типа «точка-много-
точка» 
(local multipoint distribution service)
MEMS – микроэлектромеханический переключатель 
NASA – национальное управление по аэронавтике и исследованию космического 
пространства (National Aeronautics and Space Administration)
TM – торговая марка (trade mark)
VSAT – малая спутниковая земная станция (very small abonent terminal)
WR – волноводный облучатель (waveguide radiator)
АР – антенная решетка
АФР – амплитудно-фазовое распределение
ГА – генетический алгоритм
ДЗА – двухзеркальная антенна
ДКА – дискоконусная антенна
ДМ – делитель мощности
ДМВ – дециметровые волны
ДН – диаграмма направленности
ДОР – диаграмма обратного рассеяния
ДОС – диаграммообразующая схема
ДРЧ – диапазон рабочих частот
ЖК – жидкий кристалл
ЗА – зеркальная антенна
ИСЗ – искусственный спутник Земли
ИУ – интегральное уравнение
ИЭ – излучающий элемент

Список принятых обозначений и сокращений

7

КА – космический аппарат
КАР – кольцевая антенная решетка
КЗ – короткое замыкание
КИП – коэффициент использования поверхности
КНД – коэффициент направленного действия
КО – коэффициент отражения
КПД – коэффициент полезного действия
КУ – коэффициент усиления
ЛЗ – линия задержки
ЛП – линия передачи
МАР – микрополосковая антенная решетка
МКА – малый космический аппарат
ММВ – миллиметровые волны
МПА – микрополосковая антенна
МПАР – микрополосковая антенная решетка
МПОАР – микрополосковая отражательная антенная решетка
МПВ – микрополосковый вибратор
МПЛ – микрополосковая линия
МППИ – микрополосковый переизлучатель
МПЭ – микрополосковый элемент
ОАР – отражательная антенная решетка
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство
ПГМ – побочный главный максимум
ПЭ – переизлучающий элемент
САПР – система автоматизированного проектирования
СБ – солнечная батарея
СВЧ – сверхвысокие частоты
СИДУ – система связанных интегродифференциальных уравнений
СЛАУ – система линейных алгебраических уравнений
ТКС – телекоммуникационная система
УБЛ – уровень боковых лепестков
ФАР – фазированная антенная решетка
ФВ – фазовращатель
ФКР – фазокорректирующий рефлектор
ФКТР – фазокорректирующий твист-рефлектор
ФХ – фазовая характеристика

Список принятых обозначений и сокращений

8

ХХ – холостой ход
ЧСП – частотно-селективная поверхность
ЧХ – частотная характеристика
ЭД – электродинамический
ЭДХ – электродинамические характеристики
ЭМВ – электромагнитная волна

Список принятых обозначений и сокращений

9

ВВЕДЕНИЕ

Современные радиофизика и радиоэлектроника неуклонно следуют по 

пути изучения и освоения все более коротковолновых диапазонов электромагнитных 
волн. В последнее десятилетие весьма интенсивно исследуются и технически 
осваиваются диапазоны коротких волн – сантиметровых, миллиметровых, 
сублимированных и световых. Эффективность научного и технического 
освоения и использования в прикладных проблемах достижений радиофизики 
и радиоэлектроники существенно зависит от состояния и возможностей 
элементной базы: источников и приемников излучения, канализирующих, 
излучающих и колебательных систем и других компонентов аппаратуры. 
Особое значение приобретают новые методы построения устройств 
СВЧ, основанные на технологии производства интегральных схем.

Применение интегральной технологии позволяет с успехом решать за-

дачи по созданию антенно-фидерных устройств при весьма жестких и противоречивых 
требованиях к электродинамическим, аэродинамическим, габаритным, 
весовым, стоимостным, конструктивным и другим параметрам. 
В особенности это относится к бортовым антенно-фидерным устройствам, 
где нередко предельные возможности радиоэлектронной аппаратуры определяются 
инженерно-техническим уровнем разработки антенной структуры. 
Очевидно, что выполнить многочисленные и жесткие требования к антенно-
фидерным устройствам можно при наличии печатных конформных структур 
малой толщины. Следовательно, разработка методов проектирования печатных 
антенн является совершенно необходимой.

В настоящее время отдельные сведения по расчету и проектированию 

микрополосковых антенн имеются в основном в журнальных статьях и излагаются 
в форме, доступной лишь специалисту. Настоящее пособие ставит 
целью систематическое изложение основных принципов проектирования 
микрополосковых антенн, которые находят широкое практическое применение, 
а также принципов расчета решеток из микрополосковых излучателей.

По объему и содержанию пособие содержит все сведения, необходи-

мые для проведения курсового проектирования. Разделы пособия написаны 
в соответствии с учебными программам и бакалавриата, специалитета и магистратуры 
направлений подготовки: «Радиотехника» и «Информационные 
и телекоммуникационные технологии».

1. Принцип работы, особенности проектирования и применения ОАР

10

1. ПРИНЦИП РАБОТЫ, ОСОБЕННОСТИ 
ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 

ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

1.1. Общие положения

В первую очередь рассмотрим возможности применения ОАР при со-

здании телекоммуникационных систем (ТКС). Наибольшее распространение 
ОАР получили в системах спутниковой персональной подвижной радиосвязи. 
В большинстве стран мира, ведущих разработки в области спутниковых 
телекоммуникационных систем, в настоящее время разрабатываются
технологии малых космических аппаратов, как для околоземной спутниковой 
радиосвязи, так и для будущих миссий в дальний космос. Как известно, 
одним из наиболее перспективных направлений улучшения характеристик 
спутниковых систем радиосвязи является повышение их энергетического потенциала, 
позволяющего создавать малогабаритные, энергетически эффективные 
и недорогие космические аппараты. Для малого космического аппарата (
МКА), имеющего размеры порядка полуметра, требуется создавать 
компоненты малые как по размеру, так и по массе. Антенны с высоким коэффициентом 
усиления являются частью телекоммуникационного оборудования 
МКА, требующего особого внимания разработчиков спутниковых 
ТКС, поскольку остронаправленные антенны обладают высоким коэффициентом 
усиления (КУ), поэтому их использование как в бортовой, так и в 
наземной аппаратуре спутниковых ТКС позволяет существенно повысить их 
энергетический потенциал. При этом чаще всего используются традиционные 
параболические антенны, поскольку они обладают высоким коэффициентом 
усиления – G. Несмотря на то, что параболические антенны до сих пор
представляют собой наиболее эффективные с точки зрения высокой направленности 
излучатели, они имеют большие габариты и массу, а также содержат 
такие достаточно сложные с конструктивной точки зрения элементы, как 
криволинейные (параболические) рефлекторы. Одним из альтернативных параболическим 
антеннам способов достижения высокой направленности являются 
зеркальные антенны с плоским рефлектором. В том случае, когда плоский 
рефлектор выполняется печатным способом, такую антенну называют 
микрополосковой отражательной антенной решеткой [1, 2]. Известно, что 

1.1. Общие положения

11

для достижения необходимого КУ антенны на заданной частоте требуется 
обеспечить определенный размер апертуры её излучающей системы, который 
вне зависимости от типа антенны остается примерно одинаковым. Единственное 
существенное уменьшение размера антенны, которого можно добиться, –
это толщина ее профиля. Плоская микрополосковая отражательная антенная 
решетка обладает таким преимуществом, как уменьшение размера профиля 
по сравнению с обычным параболическим зеркалом.

Принцип действия отражательной антенной решетки показан на 

рис. 1.1. В общем случае он представляет собой технологию ещё середины 
прошлого века [3]. В то же время концепция создания низкопрофильных
печатных отражательных антенных решеток является довольно новой и 
весьма перспективной. Микрополосковая отражательная решетка, являющаяся 
одной из технологий печатных низкопрофильных антенн, состоит из 
очень тонкой плоской отражающей поверхности и возбуждающего её облучателя, 
как показано на рис. 1.2. 

а
б

Рис. 1.1. Схематическое изображение ОАР: 

а – пространственное изображение; б – продольная проекция

Как видно из рис. 1.2, на поверхности плоского рефлектора имеется 

множество изолированных микрополосковых пластинчатых элементов без 
какой-либо сосредоточенной распределительной системы, как в обычных 
антенных решетках.

При этом к каждому микрополосковому элементу ОАР подключен 

короткий отрезок фазорегулирующей линии передачи, служащий для 

1. Принцип работы, особенности проектирования и применения ОАР

12

компенсации фазовой задержки возбуждающей МПЭ волны на пути ее 
распространения от облучателя до переизлучателя. Благодаря имеющейся 
возможности регулировки фазы коэффициентов отражения отдельных печатных 
элементов ОАР, поверхность такого рефлектора может быть выполнена 
плоской или конформной в зависимости от конструктива, на который 
предполагается ее монтировать, при условии синфазности переизлучающей 
апертуры. Ниже приводится более детальное описание этой 
концепции антенны, а также ее преимуществ.

Рис. 1.2. Микрополосковая антенная решетка, составленная 

из идентичных МПЭ, к каждому из которых подключены шлейфы 

на основе МПЛ различной длины, зависящей от местоположения МПЭ

1.2. Принцип действия микрополосковой 

отражательной антенной решетки

Пусть на поверхности плоской апертуры в узлах периодической сетки 

располагается множество антенных элементов, к каждому из которых подключен 
разомкнутый или короткозамкнутый шлейф. Возбудим описанную 
дифракционную решетку полем, создаваемым точечным облучателем, как 
показано на рис. 1.2. Микрополосковые элементы переизлучают падающие 
на них волны в обратном направлении в окружающее ОАР пространство. 

1.2. Принцип действия микрополосковой отражательной антенной решетки

13

Если все элементы и примыкающие к ним шлейфы идентичны, полное 
поле, переизлученное такой решеткой, не сформирует направленное излучение, 
так как АФР в её апертуре будет несинфазным. Это связано с разностью 
длин путей, проходимых волнами от фазового центра облучателя до 
расположенных на разном удалении от центра: S1; S2; … ; Sn, как показано 
на рис. 1.1 б, что приводит к тому, что поля, переизлученные МПЭ, находящимися 
на разном удалении от центра, имеют разные фазы.

Однако, если фазы полей, переизлученных по-разному расположен-

ными печатными элементами, отрегулировать для компенсации этих различных 
длин путей, полное переизлученное поле, формируемое решеткой,
можно сделать синфазным и сфокусировать в требуемом направлении. Антенная 
решетка (АР), построенная в соответствии с описанной выше концепцией, 
впервые была представлена в работе [3], где и получила наименование 
отражательной АР. В качестве элементарных переизлучателей в ней 
выступали рупорные антенны, вибраторы, антенны в виде открытых концов 
волноводов и т.д. Первые ОАР работали в длинноволновой области микроволнового 
диапазона и их переизлучающие элементы имели большие массу 
и габариты. В то же время, ОАР может быть достаточно эффективной
только в том случае, когда является многоэлементной. Поэтому первые отражательные 
антенные решетки были тяжелыми и громоздкими. 

В дальнейшем, благодаря развитию технологии изготовления легких 

и низкопрофильных печатных антенн, концепция микрополосковой отражательной 
антенной решетки стала физически реализуемой и более привлекательной. 
В настоящее время уже реализовано множество подходов к 
построению таких антенн. Рассмотрим основные из них. В первую очередь 
рассмотрим подход к построению печатной ОАР, когда составляющие её 
микрополосковые элементы идентичны между собой, а подключенные к 
ним микрополосковые линии передачи МПЛ имеют разную длину. Схематически 
данная концепция показана на рис. 2.2.

Другой подход к построению печатных отражательных решеток [8] 

основан на использовании в качестве переизлучающих элементов только 
микрополосковых вибраторов (МПВ) разной длины без использования 
дополнительных линий передачи, обеспечивающих требуемую фазовую 
задержку. При этом требуемые фазовые задержки, позволяющие компенсировать 
разность хода лучей, возникающих между переизлучателями,