Аннотация результатов, полученных в 2024 году
С увеличением частоты характерная дальность распространения радиоволн в атмосфере падает, и как следствие этого, количество ячеек-ретрансляторов в сети должно увеличиваться. Это приводит к тому, что нас уже не вполне устраивают решения, использующие «всенаправленные» антенны. Например, в 5G MIMO-ретрансляторах большое распространение получили магнитоэлектрические дипольные антенны, обладающие широкой (~30%) рабочей полосой частот, высоким коэффициентом усиления и возможностью конфигурации под круговую поляризацию. Такие антенны эффективно работаю за счёт одновременного использования магнитной и электрической дипольных компонент системы. Если же говорить о системах типа «умный дом», устройства в которых имеют большое количество датчиков и потому должны объединяться в сеть для обмена большими массивами данных с высокой скоростью, то вместе с требованиями к компактности и конформности радиопередающей системы опять-таки возникает ограничение на направления распространения. До сих пор задачи связи форматов «точка-точка» и «точка-многоточка» в рамках одного помещения решались введением дополнительных ретрансляторов в местах ослабления сигнала и использованием антенн с дипольной диаграммой направленности, и в таком случае большая часть энергии излучалась буквально в пустое пространство. Используя прежние по мощности источники энергии и переходя на более высокие частоты, становится нерационально применять аналогичные подходы, и следовательно, возникает задача формирования селективных диаграмм направленности. Каждая задача начинает требовать индивидуального решения, однако алгоритм решения таких задач хочется поставить на поток. Удобным форматом для выхода из складывающейся ситуации может стать алгоритм, позволяющий радиоинженеру или сотруднику телекоммуникационной компании буквально вручную отрисовывать необходимые лучи, линии связи между устройствами и таким образом проектировать будущую сетку устройств внутри какого-либо помещения. За первый год ведения проекта нами был разработан такой алгоритм и подготовлено программное обеспечение, позволяющее учёным-радиофизикам и инженерам получать информацию о внутреннем модовом составе антенны, основываясь только на данных о диаграмме её направленности. Фактически, стало возможно вручную отрисовать диаграмму с требуемыми распределениями направленности и поляризации для того, чтобы узнать, из каких компонентов возможно конструирование требуемой антенны. Контролируя параметры алгоритма, возможно изменять модовый состав таким образом, чтобы итоговая система конформно собиралась из элементов, запитанных с различными фазами и амплитудами. Данное решение представляет собой альтернативу привычным фазированным антенным решёткам (ФАР), где также требуется создавать распределение амплитуды и фазы. Однако в отличие от ФАР, алгоритм предполагает в своём завершении изготовление точечного излучателя, не занимающего большую площадь.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В течение 2025 года проводились фундаментальные исследования, направленные на решение одной из ключевых задач современной антенной техники — воспроизведение антенн с произвольно заданной селективной диаграммой направленности. Эта технология способна кардинально изменить подходы к проектированию систем спутниковой связи, радаров и управляемых антенных решёток, где требуется точное формирование луча с заданными поляризационными характеристиками. Центральная гипотеза проекта заключалась в том, что излучатели, полученные методом обратного синтеза в рамках предыдущих этапов работы, могут стать универсальной элементарной ячейкой для построения электрически больших антенных систем, таких как активные фазированные антенные решётки (АФАР) и метаповерхности. Для апробации этой идеи и анализа взаимного влияния элементов в плотных решётках был применён метод мультипольного разложения диаграммы направленности на ортонормированный базис сферических функций. Этот подход позволил количественно оценить вклады высших мультиполей и выявить паразитные эффекты в электрически больших структурах. Особое внимание уделено Ku-диапазонной антенной решётке (10.7–14.5 ГГц), предназначенной для спутниковой связи — одного из наиболее перспективных применений, где селективность диаграммы критически важна для минимизации помех и повышения пропускной способности. В качестве базового излучателя выбрана микрополосковая патч-антенна на диэлектрической подложке Rogers RO4003C (εr = 3.38), эквивалентно представляемая парой магнитных стенок с круговой поляризацией. Моделирование проведено в полноволновом пакете (CST Studio), с классификацией конфигураций: одиночный элемент, элемент с паразитным директором, с резонатором и их гибрид. Дополнительно проанализированы сценарии с приближением ближайшего соседа (свободное рассеяние сзади) и граничными условиями электрического типа, ограничивающими диаграмму верхней полусферой. Карты ближнего и дальнего полей решётки выявили характерные эффекты мутации мод при плотной упаковке. Параллельно с решётками исследовались плоские печатные метаповерхности как альтернатива объёмным АФАР. Ключевой инновацией стала динамическая отстройка резонансных мод за счёт регулируемой диэлектрической проницаемости подложки на основе жидких кристаллов (ЖК). Проведены ab initio расчёты нормальной и тангенциальной компонент проницаемости ЖК в ячейках метаповерхности с помощью открытого пакета Quantum Espresso. Получена зависимость от электрического поля управления, позволившая определить диапазон эффективной частотной отстройки (до 15–20% от резонанса). Значительным достижением стала модификация алгоритма мультипольного разложения, расширившая его на неосесимметричные диаграммы с произвольной пространственной ориентацией. Ранее метод ограничивался осевым максимумом вдоль Z-оси сферических базисных функций; новая итеративная схема вычисляет вклады повёрнутых по эйлеровым углам гармоник, минимизируя функционал ошибки восстановления поля на каждой итерации методом наименьших квадратов. Это обеспечивает сходимость даже для сложных, «случайных» паттернов. Результатом работ стал интегрированный структурный алгоритм, принимающий на вход две графические карты: амплитудно-угловую (относительная мощность по направлениям, т. е. фактически диаграмма направленности) и поляризационную (карту распределения осевого соотношения). Алгоритм автоматически разлагает вход на мультипольные коэффициенты, затем итеративно прогоняет базу известных антенных элементов (с их разложениями для всех угловых позиций), минимизируя энергетический вклад остаточных мод. На выходе получается оптимизированный список: типы элементов, эйлеровы углы их поворота, амплитуды/фазы на входах для точного воспроизведения желаемой диаграммы. Универсальность алгоритма подчёркивает демонстрация на трёх примерах: многолучевой паттерн (4 луча с чередующимися ЛКП/ПКП — для MIMO-систем); трансформатор поляризации, принимающий ЛКП с одного азимута и излучающий ПКП в противоположном — для полнодуплексных линкеров; обуженная всенаправленная антенна с круговой поляризацией с сужением до 60° — для IoT/дронов. Помимо прочего, литературный обзор подтвердил преимущество магнитоэлектрических (турникетных) антенн среди субволновых по комбинации ширины полосы (30–50%) и коэффициента усиления (около 6 дБи). Синтезирована геометрия: два скрещённых диполя над отражателем, запитанные длинным виа в многослойной плате. Широкая полоса позволила интегрировать приём/передачу на едином стеке с полосковым диплексером (фильтрация >30 дБ). Предложены топологии 10- и 12-слойных приёмопередающих АФАР с магнитоэлектрическими элементами, решающие задачу мягкого межспутникового хэндовера путём формирования нескольких лучей полотном решётки (beam handover с перекрытием >20%).