Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2025, № 6 · ELECTRODYNAMICS

Comparative evaluation of methods for antenna arrays electrical characteristics calculating

E.O. Mozharov1, I.Y. Afanas'Ev1, V.Y. Loskutov1, E.S. Litvinov1

1 Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2025.6.10 UDC 621.396.67 EDN WZZGIQ

Abstract

This study examines and compares widely used methods for analyzing spatial electrical characteristics of phased array antennas. A 7x7 broadband low-profile antenna array with hexagonal lattice spacing serves as the primary test case. Loss functions for direct comparison of results from different computational approaches were developed to evaluate radiation pattern accuracy. The paper explores variations of approximate radiation pattern calculation methods based on the array system factor concept. Modifications to rigorous full-wave electromagnetic simulations are discussed, including techniques that model fields for individual radiators or specific radiator groups within the array. A novel computational method is proposed: electromagnetic fields are first calculated for small radiator clusters, then combined into a complete radiation pattern through spherical wave field stitching. This approach significantly reduces computational resource requirements while maintaining accuracy. The analysis highlights key advantages and limitations of each method, providing practical insights for engineers working on antenna array optimization.

  • antenna array
  • phased array antenna
  • antenna element
  • radiation pattern
  • computational method
  • loss function
Аннотация (на русском)

Сравнительная оценка методов расчета электрических характеристик антенных решеток

Исследованы и сравнены наиболее часто применяемые в инженерной и научной среде методы расчета пространственных электрических характеристик антенных решеток на примере фазированной антенной решетки (ФАР) широкополосных низкопрофильных излучателей 7х7 с гексагональной сеткой расположения. Для оценки качества вычисления диаграмм направленностей (ДН) введены функции потерь, позволяющие сравнить диаграммы, полученные различными методами. Рассмотрены вариации приближенных методов расчета ДН ФАР на основе системного множителя антенной решетки. Показаны модификации строго полноволнового электродинамического расчета ФАР, основанного на вычислении электромагнитных полей каждого излучателя или только групп излучателей. Предложен метод расчета антенных решеток на основе вычислении электромагнитных полей излучателей в составе малоэлементных групп с последующим вычислением полновесной ДН антенной системы за счет сшивания полей сферических волн. Предложенный метод позволяет выполнять расчет пространственных характеристик антенных решеток с меньшими требованиями к вычислительным ресурсам. Показаны преимущества и недостатки рассмотренных методов расчета ДН ФАР.

For citation

Mozharov E.O., Afanas'Ev I.Y., Loskutov V.Y., Litvinov E.S. Comparative evaluation of methods for antenna arrays electrical characteristics calculating // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 6. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.6.10

References

  1. Гринев А.Ю. Численные методы решения прикладных задач электродинамики // Радиотехника. - 2012.
  2. Курушин А.А., Банков С.Е., Грибанов А.Н. Электродинамическое моделирование антенных и СВЧ структур с использованием FEKO. - М.: Солон-пресс. - 2017.
  3. Алексейчик Л.В., Курушин А.А. Комплексное моделирование в программе CST SUITE. - М.: Солон-Пресс. - 2021.
  4. Курушин А.А., Банков С.Е. Моделирование антенн и СВЧ-структур с помощью HFSS. - М.: Солон-Пресс. - 2019.
  5. Воскресенский Д.И. Проектирование фазированных антенных решеток. - М.: Радиотехника. - 2003. - Т. 3.
  6. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высшая школа. - 1988.
  7. Бахрах Л.Д., Воскресенский Д.И. Проблемы антенной техники. - М.: Радио и связь. - 1989.
  8. Balanis C.A. Advanced Engineering Electromagnetics 3rd Edition. Wiley. - 2023.
  9. Амитей Н., Галиндо В., Ву Ч. Теория и анализ фазированных антенных решеток - М.: Мир. - 1974. - 457 с.
  10. Сазонов Д.М. Многоэлементные антенные системы. Матричный подход. - М.: Радиотехника. - 2015.
  11. Haupt R.L. Antenna arrays: a computational approach. John Wiley & Sons. - 2010.
  12. Крехтунов В.М., Будкин А.А., Комиссарова Е.В. Расчет диаграмм направленности волноводно-диэлектрических излучателей с учетом взаимного влияния в антенной решетке // Радиолокация, навигация, связь. - 2014. - С. 680-686.
  13. Эминов С.И., Сочилин А.В. Численно-аналитический метод расчета фазированных антенных решеток // Вестник Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. - 2022. - №. 3 (128). - С. 111-113. https://doi.org/10.34680/2076-8052.2022.3(128).111-113
  14. Craeye C.A. fast impedance and pattern computation scheme for finite antenna arrays // IEEE transactions on antennas and propagation. - 2006. - Т. 54. - №. 10. - С. 3030-3034. https://doi.org/10.1109/TAP.2006.882202
  15. Propastin A., Prokhorenko V. Determining the DOA of jamming signals using root-music and MVDR algorithms for planar elliptical digital antenna array // 2023 5th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE). - IEEE, 2023. - Т. 5. - С. 1-6. https://doi.org/10.1109/REEPE57272.2023.10086894
  16. Propastin A.A. Synthesis of the Radiation Pattern of a Conformal Antenna Array Under Conditions of Strong Mutual Coupling of Radiators // 2024 IEEE 9th All-Russian Microwave Conference (RMC). - IEEE, 2024. - С. 298-302. https://doi.org/10.1109/rmc62880.2024.10846902
  17. Ponomarev L.I., Vasin A.A., Krekhtunov V.M.; Terekhin O.V., Komissarova E.V. Onboard phased array antenna of the millimeter wave range // Journal of Communications Technology and Electronics. - 2023. - Т. 68. - №. 8. - С. 857-866. https://doi.org/10.1134/S1064226923080107
  18. Садыков А.Р. Излучающий элемент для малоэлементных антенных решеток / А.Р. Садыков, Ю.Е. Седельников, А.В. Петров [и др.] // Международный научно-исследовательский журнал. - 2024. - №9 (147).
  19. Rutschlin M., Wittig T., Iluz Z. Phased antenna array design with CST STUDIO SUITE // 2016 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). - IEEE, 2016. - С. 1-5. https://doi.org/10.1109/EuCAP.2016.7481530
  20. Lesur B. et al. A large antenna array for Ka-band satcom-on-the-move applications - Accurate modeling and experimental characterization // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2018. - Т. 66. - №. 9. - С. 4586-4595. https://doi.org/10.1109/TAP.2018.2851296
  21. Виленский А.Р. и др. Широкополосный печатный элемент антенной решетки с воздушной полостью в экране // Антенны. - 2017. - №. 9. - С. 241.
  22. Люлюкин К.В., Литун В.И., Рогозин А.А. Широкополосный печатный излучатель фазированной антенной решетки с полостью в металлическом основании // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо'2015). - 2015. - С. 457-458.
  23. Люлюкин К.В. и др. Низкопрофильный излучатель широкополосной антенной решетки с пониженными межэлементными связями // Антенны и распространение радиоволн. - 2018. - С. 22-25.
  24. Vilenskiy A.R., Litun V.I., Lyulyukin K.V. Wideband beam steering antenna array of printed cavity-backed elements with integrated EBG structure // IEEE antennas and wireless propagation letters. - 2018. - Т. 18. - №. 2. - С. 245-249. https://doi.org/10.1109/lawp.2018.2888487
  25. Туральчук П.А., Вендик О.Г., Вендик И.Б. Расширение главного луча решетки Дольфа-Чебышева с использованием разложения по функциям Котельникова // Электроника и микроэлектроника СВЧ. - 2018. - Т. 1. - С. 213-216.
  26. Valle P. et al. The design, modeling and development of WRAS antenna for GALILEOSAT // Proc 26th ESA Antenna Technology Workshop, Noordwijk. - 2003. - URL: http://www.idscompany.it/upload7/File/design__modelling.pdf
  27. Русов Ю.С., Пропастин А.А. Применение нечетных функций Матье для синтеза секторной диаграммы направленности многоэлементного излучателя // Радиостроение. - 2021. - №. 3. - С. 1-12.
  28. Mitrokhin V.N., Propastin A.A. Synthesis of the radiating system forming the flat-topped radiation pattern with the most flat top // 2017 Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW). - IEEE, 2017. - С. 319-322.
  29. Маничев А.О., Кондратьев А.С., Балагуровский В.А. Методы фазового формирования расширенных глубоких нулей в диаграмме направленности ФАР со случайными искажениями амплитудно-фазового распределения // Антенны. - 2009. - №. 9. - С. 12-28.
  30. Митрохин В.Н., Можаров Э.О. Способы формирования и методы оценки сфокусированного поля в микроволновой технике // Антенны. - 2015. - №. 3. - С. 39-46.
  31. Голубева Н.С., Митрохин В.Н. Основы радиоэлектроники сверхвысоких частот. - МГТУ им. Н. Э. Баумана. - 2008. 488 с.
  32. Serhir M., Besnier P., Drissi M. Antenna modeling based on a multiple spherical wave expansion method: Application to an antenna array // IEEE transactions on antennas and propagation. - 2009. - Т. 58. - №. 1. - С. 51-58. https://doi.org/10.1109/TAP.2009.2036284