Design and Modeling of Metamaterial-Based Antenna Arrays for Nanosatellite Communication Systems

Abstract

The design and modeling of compact antenna arrays based on metamaterials for nanosatellitecommunication systems is presented. The main objective is to optimize performance at 2.45 GHz (S-Band). As a first step, a single coaxially fed antenna was designed on a Rogers RO4350B substrate (0.76 mm thick, εᵣ = 3.48). A unit cell with Minkowski fractal geometry was incorporated into the ground plane, and two opposite corners of the patch were truncated to induce right-hand circular polarization. Different antenna arrays were designed in 1×2 (45 × 185 mm), 1×4 (48 × 155 mm), and 2×2 (75 × 85 mm) configurations, all with the same thickness of 0.76 mm. The feeding networks were implemented using Wilkinson power dividers. These arrays enabled an increase in gain to 5.1 dBi, 5.21 dBi, and 5.8 dBi, as well as an improvement in axial ratio, while maintaining efficiencies between 71% and 78%. The useful bandwidths obtained (VSWR < 2, S₁₁ < -10 dB, axialratio < 3 dB) were 22 MHz, 39 MHz and 27 MHz. The compact dimensions allow integration with the structure and subsystems onboard a CubeSat: the 1×2 and 2×2 arrays are with a 1U format, while the 1×4 can be integrated into a 2U format.Se presenta el diseño y modelado de arreglos de antenas patch compacta basada en metamateriales, destinada a sistemas de comunicación para nanosatélites. El objetivo principal es optimizar el desempeño a una frecuencia de 2.45 GHz (Banda S). Como primer paso, se diseñó una antena individual con alimentación coaxial sobre un sustrato Rogers RO4350B (espesor de 0.76 mm, εᵣ = 3.48). En el plano de tierra se incorporó una celda unitaria con geometría fractal tipo Minkowski, y se truncaron dos esquinas opuestas del parche para inducir polarización circular derecha. Se diseñaron diferentes arreglos de antenas en configuraciones 1×2 (45 × 85 mm), 1×4 (48 × 155 mm) y 2×2 (75 × 85 mm), todos con el mismo espesor de 0.76 mm. La alimentación se realizó mediante divisores de potencia tipo Wilkinson. Estos arreglos permitieron aumentar la ganancia a 5.1 dBi, 5.2 dBi y 5.8 dBi, y mejorar la relación axial, manteniendo eficiencias entre el 71% y el 78%. Los anchos de banda útiles obtenidos (ROE < 2, S₁₁ < -10 dB, relación axial <3 dB) fueron de 22 MHz, 39 MHz y 27 MHz. Las dimensiones compactas permiten su integración con la estructura y los subsistemas a bordo de un CubeSat: los arreglos 1×2 y 2×2 son compatibles con un formato de 1U, mientras que el 1×4 puede integrarse en un formato de 2U.