Optimization of Modern Space Systems by Wide-Band Spoof Surface Plasmon Polaritons Planar Antennas

Siasifar, Mehdi; Keshtkar, Asghar; Amiri, Shervin

doi:10.22034/jsst.2026.1606

Optimization of Modern Space Systems by Wide-Band Spoof Surface Plasmon Polaritons Planar Antennas

Document Type : Original Research Paper

Authors

Mehdi Siasifar ¹

Asghar Keshtkar ¹

Shervin Amiri ²

¹ Faculty of Technical and Engineering, Imam Khomeini International University (IKIU), Qazvin, Iran

² Department of Electrical Engineering and Information Technology, Iranian Research Organization for Science and Technology (IROST), Tehran, Iran

10.22034/jsst.2026.1606

Abstract

The proliferation of satellites in modern space systems has driven the development of launch vehicles capable of deploying multiple satellites in a single mission. The advent of high-throughput geosynchronous and non-geosynchronous satellites (HTS), as well as the development of non-geosynchronous satellite constellations and the need for antennas with multiple spot beams, has challenged the feasibility of using traditional parabolic antennas in multi-satellite launch systems. The traditional design of antennas with multiple spot coverages using one or more parabolic reflectors fed by multiple feeds is very bulky, limiting the number of satellites that can be launched with a launch vehicle. To build satellites that can be placed in multi-satellite launch vehicles, the antennas of modern space systems must be replaced with a suitable planar antenna. One of the proposed new technologies for this purpose is the spoof surface plasmon polariton (SSPP) satellite planar antenna technology. After introducing the general properties and design optimization method of this type of antenna, this paper describes the results obtained from the implementation of a satellite SSPP antenna in the Ku band (12.2 - 11.7 GHz). The impedance bandwidth, maximum antenna gain, and frequency scanning angle of the constructed antenna are 0.98 GHz, 30.18 dB, and 3.6 degrees, respectively, which have a much better performance than other antennas constructed with this technology. To the best of our knowledge, this paper presents two significant developments in SSPP antenna design: an innovative inverted ground-plane for enhanced radiation performance and a standing-wave waveguide feeding methodology for reduced horizontal dimensions.

Keywords

Spoof surface plasmon polaritons

Planar satellite antennas

Leaky-wave antennas

Plasmonic

Metamaterial

Subjects

Electrical Engineering, Telecommunications

Article Title Persian

بهینه سازی سامانه های فضایی نوین با استفاده از آنتن های مسطح پهن باند پلاریتون های پلاسمون سطحی مجازی

Authors Persian

مهدی سیاسی فر ¹

اصغر کشت کار ¹

شروین امیری ²

¹ دانشجوی دکتری، گروه مهندسی برق، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی، قزوین، ایران

² استاد، گروه مهندسی برق، پژوهشکده برق و فناوری اطلاعات، سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران، تهران، ایران

Abstract Persian

تعدد ماهواره‌ها در سامانه‌های فضایی جدید، منجر به روی‌آوری به ماهواره‌برهایی با قابلیت حمل چندین ماهواره در یک پرتاب شده است. فراگیر شدن ماهواره‌های زمین‌آهنگ و غیر زمین‌آهنگ با نرخ داده بالا (HTS) و ظهور کهکشان‌های ماهواره‌ای غیر زمین‌آهنگ و نیاز این فناوری‌ها به آنتن‌هایی با پوشش‌های موضعی متعدد، امکان استفاده از آنتن‌های سهموی متداول با چندین فید و انعکاس‌گر را در سامانه‎های پرتاب چندگانه، دچار چالش کرده است. طراحی سنتی آنتن‌های دارای پوشش‌های موضعی متعدد با استفاده از یک یا چند انعکاس‌گر سهموی تغذیه شده با چند فید، بسیار حجیم بوده، تعداد ماهواره‌های قابل پرتاب با یک ماهواره‌بر را محدود می‌کند. برای ساخت ماهواره‌هایی که بتوانند در ماهواره‌برهای با قابلیت حمل چندگانه جای بگیرند، آنتن‌های سامانه‌های فضایی نوین باید با آنتن‌های مسطح جایگزین شوند. یکی از فناوری‌های پیشنهادی نوین، فناوری آنتن‌های مسطح ماهواره‌ای پلاریتون‌‌های پلاسمون سطحی مجازی (SSPP) است. این مقاله پس از معرفی خواص کلی و روش بهینه‌سازی طراحی این نوع آنتن‌ها، نتایج بدست آمده از ساخت یک آنتن مسطح ماهواره‌ای در باندKu (2/12 – 7/11 گیگاهرتز) را تشریح می‌کند. پهنای باند امپدانسی، حداکثر بهره آنتن و زاویه اسکن فرکانسی آنتن ساخته شده به ترتیب 98/0 گیگاهرتز، 18/30 دسی‌بل و 6/3 درجه است که عملکرد بسیار بهتری نسبت به دیگر آنتن‌های ساخته شده با این فناوری دارد. در این مقاله برای اولین بار از دو ابتکار تغذیه آنتن SSPP با روش موجبر موج ایستا جهت کاهش ابعاد افقی آنتن و آرایش زمینِ معکوس برای افزایش بهره استفاده شده است.

Keywords Persian

پلاریتون‌‌های پلاسمون سطحی مجازی

آنتن های ماهواره ای مسطح

آنتن های موج نشتی

پلاسمونیک

متامتریال

[1] B. Palacin et al., “Multibeam antennas for very high throughput satellites in Europe: Technologies and trends,” in 2017 11th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), Paris, France, 2017, pp. 2413–2417, https://doi.org/10.23919/EuCAP.2017.7928493.

[2] M. Schneider, C. Hartwanger, and H. Wolf, “Antennas for multiple spot beam satellites,” CEAS Space Journal, vol. 2, no. 1, pp. 59–66, 2011, https://doi.org/10.1007/s12567-011-0012-z.

[3] G. Minelli, “Mobile CubeSat command and control (MC3) ground network cubesat flight opportunities," Naval Postgraduate School, Monterey, CA, USA, https://www.nasa.gov/wpcontent/uploads/2023/10/naval-postgraduate-school-ground-network-and-cubesat-program.pdf

[4] D. F. Guan, P. You, Q. Zhang, Z. H. Lu, S. W. Yong, and K. Xiao, “A wide-angle and circularly polarized beam-scanning antenna based on microstrip spoof surface plasmon polariton transmission line,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 16, no. July, pp. 2538–2541, 2017, https://doi.org/10.1109/LAWP.2017.2731877.

[5] O. Quevedo-Teruel, M. Ebrahimpouri, and F. Ghasemifard, “Lens antennas for 5G communications systems,” IEEE Communications Magazine, vol. 56, no. 7, pp. 36–41, 2018, https://doi.org/10.1109/MCOM.2018.1700977.

[6] T. Driscoll et al., “Performance of a three-dimensional transformation-optical-flattened Lüneburg lens,” Opt. Express, vol. 20, no. 12, pp. 13262-13273, 2012, https://doi.org/10.1364/OE.20.013262

[7] S. A. Maier, Plasmonics: Fundamentals and Applications, 1st ed., New York, NY, USA: Springer, 2007, https://doi.org/10.1007/0-387-37825-1.

[8] J. B. Pendry, L. Martín-Moreno, and F. J. Garcia-Vidal, “Mimicking surface plasmons with structured surfaces,” Science, vol. 305, no. 5685, pp. 847–848, 2004, https://doi.org/10.1126/science.1098999.

[9] R. S. Anwar, H. Ning, and L. Mao, “Recent advancements in surface plasmon polaritons-plasmonics in subwavelength structures in microwave and terahertz regimes,” Digital Communications and Networks, vol. 4, no. 4, pp. 244–257, 2018, https://doi.org/10.1016/j.dcan.2017.08.004.

[10] G. S. Kong, H. F. Ma, B. G. Cai, and T. J. Cui, “Continuous leaky-wave scanning using periodically modulated spoof plasmonic waveguide,” Scientific Reports, vol. 6, 2016, Art. no. 29600, https://doi.org/10.1038/srep29600.

[11] H. W. Yu, Y. C. Jiao, C. Zhang, and Z. Bin Weng, “Dual-linearly polarized leaky-wave patch array with low cross-polarization levels using symmetrical spoof surface plasmon polariton lines,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 69, no. 3, pp. 1781–1786, 2021, https://doi.org/10.1109/TAP.2020.3015059.

[12] S. Da Xu et al., “A hybrid substrate integrated waveguide and spoof surface plasmon polariton leaky-wave antenna with open stopband suppressed,” International Journal of RF and Microwave Computer‐Aided Engineering, vol. 32, no. 11, 2022, https://doi.org/10.1002/mmce.22413.

[13] K. Da Xu, F. Zhang, Y. Guo, L. Ye, and Y. Liu, “Spoof Surface Plasmon Polaritons Based on Balanced Coplanar Stripline Waveguides,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 1, pp. 55–58, 2020, https://doi.org/10.1109/LPT.2019.2957059.

[14] S. Sun, Q. He, S. Xiao, Q. Xu, X. Li, and L. Zhou, “Gradient-index meta-surfaces as a bridge linking propagating waves and surface waves,” Nat. Mater., vol. 11, no. 5, pp. 426–431, 2012, https://doi.org/10.1038/nmat3292.

[15] J. Wang, L. Zhao, Z. C. Hao, and T. J. Cui, “An ultra-thin coplanar waveguide filter based on the spoof surface plasmon polaritons,” Applied Physics Letters, vol. 113, no. 7, 2018, Art. no. 071101, https://doi.org/10.1063/1.5045069.

[16] M. Siasifar, A. Keshtkar, and S. Amiri, “Optimum patch selection for wideband planar spoof surface plasmon polaritons ku-band satellite receive antenna,” in 2024 11th International Symposium on Telecommunications (IST), 2024, pp. 135–140, https://doi.org/10.1109/IST64061.2024.10843596.

[17] V. Rabinovich and N. Alexandrov, Antenna Arrays And Automotive Applications, New York, 2013. doi: https://doi.org/10.1007/978-1-4614-1074-4.

[18] K. A. Abdalmalak et al., “Standing-wave feeding for high-gain linear dielectric resonator antenna (DRA) array,” Sensors, vol. 22, no. 8, 2022, Art. no. 3089, https://doi.org/10.3390/s22083089.

[19] M. Siasifar, A. Keshtkar, and S. Amiri, “A novel power divider network with momentum matching for feeding arrays of arbitrary spoof surface plasmon polaritons antennas,” Tabriz Journal of Electrical Engineering, early access, 2026, https://doi.org/10.22034/tjee.2026.69036.5080.

[20] J. Wang, K. Xu, X. Kong, R. Xu, and L. Zhao, “Wide-angle beam-scanning leaky-wave antenna array based on hole array SSPPs,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 22, no. 7, pp. 1731–1735, 2023, https://doi.org/10.1109/LAWP.2023.3262567.

[21] L. Ye, Z. Wang, J. Zhuo, F. Han, W. Li, and Q. H. Liu, “A back-fire to forward wide-angle beam steering leaky-wave antenna based on SSPPs,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 70, no. 5, pp. 3237–3247, 2022, https://doi.org/10.1109/TAP.2021.3137241.

[22] Z. C. Hao, J. Zhang, and L. Zhao, “A compact leaky-wave antenna using a planar spoof surface plasmon polariton structure,” International Journal of RF and Microwave Computer‐Aided Engineering, vol. 29, no. 5, 2019, Art. no. e21617, https://doi.org/10.1002/mmce.21617.