Design, Fabrication and Measurements of a Single-Layer X-Band Miniaturized Patch Antenna with Metasurface for 0.5U and 1U CubeSat Missions

Abstract

Для задоволення потреб найменшого кубічного супутникового блоку з майже незначним опором повітря на висоті, ми в цьому дослідженні конструюємо, зменшуємо в розмірах і оптимізуємо інноваційну одношарову метаповерхневу антену. Однією з основних цілей цього дослідження є покращення роботи антени та, відповідно, зменшення часу прийому даних протягом дня при використанні високоефективної енергетичної системи. Для досягнення всього цього була обрана нова форма патч-антени, яка була зроблена якомога меншою, зберігаючи при цьому хороші експлуатаційні характеристики відповідно до всіх попередніх цілей. Це усунуло необхідність процедури розгортання антени після виходу супутника на орбіту. Щоб ще більше покращити характеристики остаточної антени в X-діапазоні та, відповідно, загальну ефективність завершеного кубічного супутника, була обрана і оптимізована абсолютно нова форма одиничної клітини для створення метаповерхні, яка інтегрована в той же шар, що й розроблена патч-антена. Створена метаповерхня-інтегрована патч-антена показала хороші виміряні результати в Xдіапазоні для зв'язку CubeSat після виготовлення та валідації в безехо-камері та за допомогою векторного мережевого аналізатора. Вона має надширокий діапазон частот від 7.55 до 9.93 ГГц (– 10 дБ BW 2.38 ГГц), односторонній радіаційний малюнок, є легковажною і має адекватний реалізований підйом близько 7.0 дБ на 8.4 ГГц. Загальні обчислені та виміряні результати, а також зменшені розміри та об'єм демонструють, що геометричні, механічні та електричні критерії місій CubeSat 0.5U та 1U в X-діапазоні задовольняються цією новою одношаровою широкосмуговою метаповерхневою антеною.

In order to satisfy the needs of the smallest cube satellite unit with nearly insignificant air drag altitude, we construct, reduce in size, and optimize an innovative single-layer metasurface antenna in this research. One of the primary goals of this research is to improve antenna performance and therefore enhance data reception time throughout the day while applying a highly efficient energy system. In order to achieve all of this, a new patch antenna shape was chosen, and it was made as small as possible while still maintaining good operating characteristics in line with all of the earlier goals. This eliminated the need for an antenna deployment procedure once the satellite was in orbit. To further improve the final X-band antenna characteristics and, consequently, the overall efficiency of the accomplished cube satellite, a completely new unit cell shape was chosen and optimized to create the metasurface, which is integrated in the same layer as the developed patch antenna. The created metasurface-integrated patch antenna yielded good measured results in X-band for CubeSat communication after being manufactured and validated in an anechoic chamber and with a vector network analyzer. It has an ultrawide bandwidth of 7.55 to 9.93 GHz (– 10 dB BW of 2.38 GHz), a unidirectional radiation pattern, is lightweight, and has an adequate realized gain of around 7.0 dBi at 8.4 GHz. The total computed and measured findings, and the reduced dimensions and volume demonstrate that the geometrical, mechanical, and electrical criteria of the 0.5U and 1U CubeSat missions at X-band are satisfied by this new single-layer wide-band metasurface antenna.