А. О. Касьянов1, В. А. Обуховец2
1, 2 Южный федеральный университет (г. Таганрог, Россия)

1 kasyanovao@sfedu.ru

Постановка проблемы. Потребность в недорогих, реконфигурируемых антеннах для формирования луча широко распространена во многих современных и перспективных поколениях беспроводных и сенсорных систем. Разработка остронаправленных или многолучевых антенн имеет весьма большое значение в таких приложениях, как спутниковая и межспутниковая связь, наземная связь типа «точка – точка», радиолокация.

Цель. Рассмотреть принципы построения, технологии реконфигурирования и перспективные направления развития реконфигурируемых отражательных антенных решеток и решеток проходного типа.

Результаты. Проведен аналитический обзор современных достижений и перспективных разработок в области создания реконфигурируемых антенных систем, выполненных на основе отражательных и проходных решеток с электрическим сканированием. Рассмотрены принципы построения антенных решеток с оптическими схемами возбуждения, технологии реконфигурирования таких антенных систем, способы построения реконфигурируемых элементов отражательных решеток, способы управления на основе электронно-перестраиваемых резонаторных переизлучающих элементов и отрезков линий передачи управляемой длины, а также за счет поворота антенных элементов. Определены перспективные подходы к созданию реконфигурируемых отражательных решеток на основе совмещенных и двухполяризационных антенных решеток, а также решеток, обладающих поляризационной гибкостью, и двухдиапазонных решеток с регулировкой рабочей частоты решетки. Представлены активные отражательные антенные решетки и реконфигурируемые решетки-линзы с настраиваемыми рассеивателями и настроечными шлейфами, а также спирафазные решетки-линзы, предназначенные для работы на круговой поляризации. Приведены подходы к расширению полосы пропускания отражательных решеток и решеток проходного типа, смягчению нелинейного характера поведения при перестройке и реализации крупногабаритных апертурных антенн путем создания составных апертур.

Практическая значимость. Проведенный аналитический обзор позволил выявить наиболее перспективные направления дальнейших исследований в области создания реконфигурируемых антенных систем на основе отражательных и проходных решеток с электронным сканированием и может быть полезен специалистам в области радиотехники, антенных систем и телекоммуникаций, а также аспирантам и студентам старших курсов соответствующих специальностей.

Касьянов А.О., Обуховец В.А. Сканирующие отражательные реконфигурируемые антенные решетки и решетки-линзы. Современное состояние и перспективные разработки // Антенны. 2026. № 3. С. 7–26. DOI: https://doi.org/10.18127/ j03209601-202603-02

1. Hum S.V., Perruisseau-Carrier J. Reconfigurable reflectarrays and array lenses for dynamic antenna beam control: A review // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2014. V. 62. № 1. P. 183–198.
2. Обуховец В.А., Касьянов А.О. Микрополосковые отражательные антенные решетки. Методы проектирования и численное моделирование. М.: Радиотехника. 2006.
3. Касьянов А.О., Обуховец В.А. Плоская спирафазная фокусирующая линза // Антенны. 1998. № 1. С. 57–62.
4. Huang J., Pogorzelski R.J. A Ka-band microstrip reflectarray with elements having variable rotation angles // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1998. V. 46. № 5. P. 650–656.
5. Martynyuk A., Martinez Lopez J., Martynyuk N. Spiraphase-type reflectarrays based on loaded ring slot resonators // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2004. V. 52. № 1. P. 142–153.
6. Encinar J.A., Zornoza J.A. Broadband design of three-layer printed reflectarrays // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2003. V. 51. № 7. P. 1662–1664.
7. Chaharmir M., Shaker J., Gagnon N. et al. Design of broadband, single layer dual-band large reflectarray using multi open loop elements // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2010. V. 58. № 9. P. 2875–2883.
8. Kock W.E. Path-length microwave lenses // Proceedings IRE. 1949. V. 37. № 8. P. 852–855.
9. McGrath D. Planar three-dimensional constrained lenses // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1986. V. 34. № 1. P. 46–50.
10. Popovic Z., Mortazawi A. Quasi-optical transmit/receive front ends // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1998. V. 46. № 11. P. 1964–1975.
11. Abbaspour-Tamijani A., Sarabandi K., Rebeiz G.M. Antenna-filter-antenna arrays as a class of bandpass frequency-selective surfaces // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2004. V. 52. № 8. P. 1781–1789.
12. Phillion R., Okoniewski M. Lenses for circular polarization using planar arrays of rotated passive elements // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2011. V. 59. № 4. P. 1217–1227.
13. Ryan C.G.M., Chaharmir M.R., Shaker J. et al. A wideband transmitarray using dual-resonant double square rings // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2010. V. 58. № 5. P. 1486–1493.
14. Chaharmir M., Shaker J., Cuhaci M. et al. Novel photonically-controlled reflectarray antenna // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2006. V. 54. № 4. P. 1134–1141.
15. Carrasco E., Perruisseau-Carrier J. Reflectarray antenna at terahertz using graphene // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2013. V. 12. P. 253–256.
16. Hum S.V., Okoniewski M., Davies R.J. Modeling and design of electronically tunable reflectarrays // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2007. V. 55. № 8. P. 2200–2210.
17. Kamoda H., Iwasaki T., Tsumochi J. et al. 60-GHz electronically reconfigurable large reflectarray using single-bit phase shifters // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2011. V. 59. № 7. P. 2524–2531.
18. Legay H., Pinte B., Charrier M. et al. A steerable reflectarray antenna with MEMS controls // Proceedings of IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. 2003. P. 494–499.
19. Hum S.V., McFeetors G., Okoniewski M. Integrated MEMS reflectarray elements // Proceedings of European Conference on Antennas and Propagation. 2006. P. 1–6.
20. Perruisseau-Carrier J., Skriverviky A. Monolithic MEMS-based reflectarray cell digitally reconfigurable over a 360° phase range // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2008. V. 7. P. 138–141.
21. Romanofsky R. Advances in scanning reflectarray antennas based on ferroelectric thin-film phase shifters for deep-space communications // Proceedings of the IEEE. 2007. V. 95. № 10. P. 1968–1975.
22. Perez-Palomino G., Baine P., Dickie R. et al. Design and experimental validation of liquid crystal-based reconfigurable reflectarray elements with improved bandwidth in F-band // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2013. V. 61. № 4. P. 1704–1713.
23. Carrasco E., Tamagnone M., Perruisseau-Carrier J. Tunable graphene reflective cells for thz reflectarrays and generalized law of reflection // Applied Physics Letters. 2013. V. 102. № 10. P. 104103-1–104103-4.
24. Hum S., Okoniewski M., Davies R. Realizing an electronically tunable reflectarray using varactor diode-tuned elements // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2005. V. 15. № 6. P. 422–424.
25. Riel M., Laurin J. Design of an electronically beam scanning reflectarray using aperture-coupled elements // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2007. V. 55. № 5. P. 1260–1266.
26. Rodriguez-Zamudio J., Martinez-Lopez J., Rodriguez-Cuevas J. et al. Reconfigurable reflectarrays based on optimized spiraphase-type elements // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. V. 60. № 4. P. 1821–1830.
27. Bhartia P., Bahl I.J. Frequency agile microstrip antennas // Microwave Journal. 1982. P. 67–70.
28. Vendik O., Parnes M. A phase shifter with one tunable component for a reflectarray antenna // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2008. V. 50. № 4. P. 53–65.
29. Boccia L., Amendola G., DiMassa G. Performance improvement for a varactor-loaded reflectarray element // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2010. V. 58. № 2. P. 585–589.
30. Legay H., Cailloce Y., Vendier O. et al. Satellite antennas based on MEMS tunable reflectarrays // Proceedings of European Conference on Antennas and Propagation. 2007. P. 1–6.
31. Rajagopalan H., Rahmat-Samii Y., Imbriale W. RF MEMS actuated reconfigurable reflectarray patch-slot element // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2008. V. 56. № 12. P. 3689–3699.
32. Moessinger A., Marin R., Mueller S. et al. Electronically reconfigurable reflectarrays with nematic liquid crystals // Electronics Letters. 2006. V. 42. № 16. P. 899–900.
33. Hu W., Cahill R., Encinar J. et al. Design and measurement of reconfigurable millimeter wave reflectarray cells with nematic liquid crystal // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2008. V. 56. № 10. P. 3112–3117.
34. Romanofsky R., Bernhard J., Van Keuls F. et al. K-band phased array antennas based on Ba0.60Sr0.40TiO3 thin-film phase shifters // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2000. V. 48. № 12. P. 2504–2510.
35. Sazegar M., Giere A., Zheng Y. et al. Reconfigurable unit cell for reflectarray antenna based on barium-strontium-titanate thick-film ceramic // Proceedings of European Microwave Conference. 2009. P. 598–601.
36. Carrasco E., Barba M., Encinar J. X-band reflectarray antenna with switching-beam using pin diodes and gathered elements // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. V. 60. № 12. P. 5700–5708.
37. Bayraktar O., Civi O., Akin T. Beam switching reflectarray monolithically integrated with RF MEMS switches // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. V. 60. № 2. P. 854–862.
38. Phelan H.R. Spiraphase reflectarray for multitarget radar // Microwave Journal. 1977. V. 20. P. 67.
39. Guclu C., Perruisseau-Carrier J., Civi O. Proof of concept of a dual-band circularly-polarized RF MEMS beam-switching reflectarray // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. V. 60. № 11. P. 5451–5455.
40. Perruisseau-Carrier J. Versatile reconfiguration of radiation patterns, frequency and polarization: A discussion on the potential of controllable reflectarrays for software-defined and cognitive radio systems // Proceedings of IEEE International Microwave Workshop Series on RF Front-ends for Software Defined and Cognitive Radio Solutions. 2010. P. 1–4.
41. Perruisseau-Carrier J., Pardo P. Unit cells for dual-polarized and polarization-flexible reflectarrays with scanning capabilities // Proceedings of European Conference on Antennas and Propagation. 2009. P. 1218–1221.
42. Perruisseau-Carrier J. Dual-polarized and polarization-flexible reflective cells with dynamic phase control // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2010. V. 58. № 5. P. 1494–1502.
43. Carrasco E., Encinar J., Barba M. et al. Dual-polarization reflectarray elements for Ku-band Tx/Rx portable terminal antenna // Proceedings of European Conference on Antennas and Propagation. 2010. P. 1–5.
44. Carrasco E., Mariano B., Encinar J.A. et al. Two-bit reflectarray elements with phase and polarization reconfiguration // Proceedings of IEEE International Symposium on Antennas and Propagation. Orlando, Florida. 2013.
45. Mener S., Gillard R., Sauleau R. et al. Design and characterization of a CPSS-based unit-cell for circularly polarized reflectarray applications // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2013. V. 61. № 4. P. 2313–2318.
46. Rodrigo D., Jofre L., Perruisseau-Carrier J. A frequency reconfigurable cell for beam-scanning reflectarrays // Proceedings of IEEE International Symposium on Antennas and Propagation. Orlando, Florida. 2013.
47. Navarro J.A., Chang K. Integrated active antennas and spatial power combining. John Wiley & Sons. 1996.
48. Kishor K., Hum S. An amplifying reconfigurable reflectarray antenna // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. V. 60. № 1. P. 197–205.
49. Bialkowski M.E., Robinson A.W., Song H.J. Design, development, and testing of X-band amplifying reflectarrays // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2002. V. 50. № 8. P. 1065–1076.
50. Clark R.W., Huff G.H., Bernhard J.T. An integrated active microstrip reflectarray element with an internal amplifier // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2003. V. 51. № 5. P. 993–999.
51. Cabria L., Garcıa J.A., Gutierrez-Rıos J. et al. Active reflectors: Possible solutions based on reflectarrays and Fresnel reflectors // International Journal of Antennas and Propagation. 2009. V. 2009. Article ID 653952.
52. Ruggerini G., Toso G., Angeletti P. A discrete aperiodic active lens for multibeam satellite applications // 2010 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology (ARRAY). 2010. P. 524–528.
53. 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. V. 58. № 12. P. 4033–4041.
54. Lau J., Hum S. Analysis and characterization of a multipole reconfigurable transmitarray element // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2011. V. 59. № 1. P. 70–79.
55. Clemente A., Dussopt L., Sauleau R. et al. 1-bit reconfigurable unit cell based on PIN diodes for transmit-array applications in-band // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. V. 60. № 5. P. 2260–2269.
56. Iturri-Hinojosa A., Martinez-Lopez J., Martynyuk A. Analysis and design of E-plane scanning grid arrays // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2010. V. 58. № 7. P. 2266–2274.
57. Boccia L., Russo I., Amendola G. et al. Preliminary results on tunable frequency selective surface for beam steering transmit-array applications // Proceedings of the 5th European Conference on Antennas and Propagation. 2011. P. 1002–1005.
58. Lau J.Y., Hum S.V. A wideband reconfigurable transmitarray element // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. V. 60. № 3.
59. Jiang T., Wang Z., Li D. et al. Low-DC voltage-controlled steering-antenna radome utilizing tunable active metamaterial // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2012. V. 60. № 1. P. 170–178.
60. Padilla P., Munoz-Acevedo A., Sierra-Castaner M. et al. Electronically reconfigurable transmitarray at Ku band for microwave applications // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2010. V. 58. № 8. P. 2571–2579.
61. Lau J., Hum S. A wideband reconfigurable transmitarray element // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. V. 60. № 3. P. 1303–1311.
62. Cheng C.-C., Lakshminarayanan B., Abbaspour-Tamijani A. A programmable lens-array antenna with monolithically integrated MEMS switches // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2009. V. 57. № 8. P. 1874–1884.
63. O’Kane S., Fusco V. Circularly polarized curl antenna lens with manual tilt properties // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2009. V. 57. № 12. P. 3984–3987.
64. Euler M., Fusco V. Frequency selective surface using nested split ring slot elements as a lens with mechanically reconfigurable beam steering capability // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2010. V. 58. № 10. P. 3417–3421.
65. Kaouach H., Dussopt L., Lanteri J. et al. Wideband low-loss linear and circular polarization transmit-arrays in V-band // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2011. V. 59. № 7. P. 2513–2523.
66. Liu C., Hum S. An electronically tunable single-layer reflectarray antenna element with improved bandwidth // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2010. V. 9. P. 1241–1244.
67. Perez-Palomino G., Encinar J., Barba M. et al. Design and evaluation of multi-resonant unit cells based on liquid crystals for reconfigurable reflectarrays // IEE Proceedings on Microwaves, Antennas and Propagation. 2012. V. 6. № 3. P. 348–354.
68. Carrasco E., Barba M., Encinar J. Reflectarray element based on aperture-coupled patches with slots and lines of variable length // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2007. V. 55. № 3. P. 820–825.
69. Carrasco E., Barba M., Encinar J. Design and validation of gathered elements for steerable-beam reflectarrays based on patches aperture-coupled to delay lines // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2011. V. 59. № 5. P. 1756–1761.
70. Sorrentino R., Gatti R., Marcaccioli L. Recent advances on millimetre wave reconfigurable reflectarrays // Proceedings of European Conference on Antennas and Propagation. 2009. P. 2527–2531.
71. Rajagopalan H., Xu S., Rahmat-Samii Y. Reflector antenna distortion compensation using subreflectarrays: Simulations and experimental demonstration [AMTA corner] // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2012. V. 54. № 3. P. 235–246.
72. Tienda C., Arrebola M., Encinar J. et al. Analysis of a dual-reflectarray antenna // IEE Proceedings on Microwaves, Antennas and Propagation. 2011. V. 5. № 13. P. 1636–1645.
73. Hu W., Arrebola M., Cahill R. et al. 94 GHz dual-reflector antenna with reflectarray subreflector // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2009. V. 57. № 10. P. 3043–3050.
74. Касьянов А.О., Касьянова А.Н. Электродинамический анализ и разработка САПР-ориентированных математических моделей печатных антенных решеток: Монография. Таганрог – ЮФУ: Издательство Южного федерального университета. 2017.
75. Касьянов А.О. Апертурные антенны в печатном исполнении. Методы проектирования и области применения. Ростов-на-Дону, Таганрог: Издательство Южного федерального университета. 2021.
76. Касьянов А.О. Реконфигурируемые антенные решетки и интеллектуальные радиоэлектронные покрытия. Методы проектирования и области применения: Монография. Ростов-на-Дону, Таганрог – ЮФУ: Издательство Южного федерального университета. 2024.
77. Касьянов А.О. Антенны наземных терминалов систем подвижной спутниковой связи и навигации: Монография. Ростов-на-Дону, Таганрог – ЮФУ: Издательство Южного федерального университета. 2025.