CC BY
48УДК 621.396.67
В. А. Вечтомов, Л. И. Пономарёв, А. С. Милосердов, Р. Х. Воронов
БОРТОВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ИЗ КРУПНОАПЕРТУРНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ С ГЛОБАЛЬНЫМ ОБСЛУЖИВАНИЕМ С ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ ОРБИТЫ
Рассмотрен вариант построения бортовой антенной решетки для космического аппарата на геостационарной орбите из круп-ноапертурных излучателей. Показаны ее преимущества по сравнению с традиционными гибридно-зеркальными многолучевыми антеннами. Приведен вариант выполнения антенной решетки из крупноапертурных излучателей.
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: антенная решетка, геостационарная орбита, круп-
ноапертурный излучатель, космический аппарат.
Технические характеристики бортовых антенных систем космических аппаратов (КА) полностью определяются задачами, стоящими перед системой спутниковой связи (ССС), выделяемыми под них ресурсами: масса, габариты, энергопотребление и энерговыделение.
Системы спутниковой связи Taicom-4 и Anik-F2 решают задачу расширения сферы услуг системы связи для индивидуальных потребителей и увеличение ее пропускной способности, используя многолучевые антенны в виде гибридно-зеркальных антенн [1].
Даже в случае создания региональной ССС (Anik-F2 обслуживает Северную Америку, Taicom-4 — Азиатско-Тихоокеанский регион) габариты и масса таких антенных систем оказываются значительными. Так, масса КА Anik-F2 составляет около 5 950 кг, а масса полезной нагрузки (ретранслятор) — 3 805 кг [2]. Taicom-4, один из самых тяжелых КА, базирующихся на геостационарной орбите (ГСО), имеет массу около 6 500 кг.
Кроме того, антенны ССС являются крупногабаритными [3] в силу специфики гибридно-зеркальных антенн и выполняются трансформируемыми для размещения под обтекателем ракеты-носителя (рис. 1).
В некоторых случаях требуется создание ССС с глобальной зоной обслуживания (17,4°х17,4°) с ГСО, например, для обеспечения связи с морскими и трансконтинентальными воздушными судами, осуществления мгновенной связи с любой точкой Земли, где произошла катастрофа или стихийное бедствие, координаты которой
априори неизвестны. Фактически, такая система имеет очень большое сходство с подвижной спутниковой связью (ПСС), способной обслуживать глобальную зону обзора (17,4°х17,4°) узконаправленным лучом (1,0...2,0°) при малых потерях коэффициента усиления (КУ) на краях сектора обзора.
а б
Рис. 1. Приемо-передающая антенная система RF компании TRW & Electronics:
а — в транспортном положении; б — в рабочем положении
Широкоугольное электрическое сканирование обеспечивают антенны, построенные по принципу фазированных антенных решеток (ФАР). Однако ФАР для формирования узкого луча с высоким КУ требуют большого количества дорогостоящих излучателей и фазовращателей, управляемых делителей мощности и т. п., что увеличивает стоимость бортовой аппаратуры, ее сложность и массу. В то же время при базировании КА на ГСО сектор сканирования ФАР должен составлять не более ±8,7°. В связи с этим применение ФАР оправдано только в случае их многоцелевого использования.
Поэтому построение бортовой антенны, сочетающей в себе малую стоимость, сравнительно небольшую массу и осесимметричное электрическое сканирование лучом в небольших пределах (±8,7°) является актуальной задачей.
Решением, близким к поставленной задаче является построение бортовой антенной решетки (АР) из крупноапертурных излучателей (КАИ), сочетающей в себе преимущества как ФАР, так и гибридно-зеркальных антенн (ГЗА) [4, 5].
В работе [4] рассмотрена оптимизация КАИ на основе ГЗА, позволяющего (КАИ) создать бортовую антенную решетку с характеристиками, близкими к оптимальным для обслуживания глобальной зоны обзора с ГСО.
Задачей оптимизации КАИ [4] являлась разработка отдельного излучателя бортовой АР, при котором обеспечивается минимальное ко-
личество излучателей в антенне при сохранении рельефа КУ на требуемом уровне в заданном секторе обзора. При этом излучатель должен быть конструктивно выполним и многофункционален, например, по обеспечению оптимальной поляризации или возможности использования его в адаптивных антеннах. Диаграмма направленности (ДН) излучателя должна быть такой, чтобы подавлять все главные побочные максимумы АР из КАИ до 25...28 дБ. Пример оптимизированной ДН КАИ, полученной в работе [4], приведен на рис. 2.
Рис. 2. Диаграмма направленности зеркального излучателя с облучателем
Ширина ДН по уровню половинной мощности, а следовательно, и КУ, в силу специфики построения АР из КАИ при заданных рабочей полосе и секторе сканирования, имеют ярко выраженный дискретный характер. Иллюстрацией этого служит таблица, в которой приведены соотношения между геометрическими параметрами и электрическими характеристиками АР с КАИ, содержащими семь излучателей для частоты Х-диапазона.
Число КАИ Диаметр антенны, см КУ, дБ Ширина ДН по уровню «-» 3 дБ
7 1163 36...34 2
19 1956 40...38 1,17
37 2709 43.41 0,84
61 3499 45.43 0,65
91 4251 47.45 0,54
Один из вариантов конструктивного исполнения бортовой антенной решетки из семи КАИ с семью облучателями приведен на рис. 3. Антенна представляет собой семь гибридно-линзовых антенн (ГЛА), каждая из которых формирует семь лучей, полностью перекрывающих требуемый сектор обзора ±8,7°. В пределах каждого из этих лучей путем взаимной фазировки антенна может формировать узконаправленные лучи шириной 2° каждый. При изменении фазировки конфигурация узких лучей может перемещаться в пределах 17,4°х17,4° с минимальными потерями на краю зоны обслуживания (менее 2 дБ).
Рис. 3. АФАР на основе КАИ из гибридно-линзовых антенн
Наиболее эффективной может оказаться бортовая АР из оптимизированных КАИ при цифровом формировании ДН [6]. Ориентировочные проработки показывают возможность обеспечения такой антенной глобальной зоны обслуживания путем формирования нескольких десятков узких парциальных высокоэнергетических лучей шириной порядка 2°. Кроме того, возможна работа антенны в режиме расширенного луча 5,8°.
Важной особенностью конструкции бортовой АР из КАИ является ее существенно меньший продольный размер по сравнению с традиционными ГЛА и, особенно, зеркальными. Это позволяет отказаться от необходимости трансформирования ее в транспортное положе-
ние, что существенно упрощает конструкцию, повышает надежность и уменьшает вес полезной нагрузки КА.
Конструктивные элементы АР из КАИ (см. рис. 3) предлагается изготавливать из композитного материала на основе углепластика. Удельный вес такого композитного материала не превышает 1,6 г/см3. При этом обеспечивается размеростабильность элементов конструкции в условиях ее эксплуатации, а также гарантируется необходимая прочность и жесткость элементов конструкции при отсутствии собственных частот колебаний в заданной рабочей полосе на этапе выведения ретранслятора в точку базирования.
Волноводные линзы АР из КАИ представляют собой совокупность тонкостенных цилиндрических волноводов толщиной 0,1 мм, которые могут быть выполнены из меди, латуни, алюминиевого сплава (АМг6 и Д16) или из титана.
Требование минимизации массы антенны предполагает выполнение волноводов из алюминиевого сплава. Проведенные расчеты волноводов на воздействие температур ±130 °С показали, что предпочтительным является применение алюминиевого сплава Д16.
Таким образом, вариант построения бортовой антенны для КА на ГСО типа АФАР из КАИ имеет ряд преимуществ перед многолучевыми антеннами на основе ГЗА:
• возможность обеспечения глобальной зоны обзора одной антенной узким высокоэнергетическим лучом;
• существенное уменьшение числа излучателей по сравнению с традиционными АФАР;
• существенно меньший продольный размер по сравнению с обычными гибридно-зеркальными или линзовыми антеннами. Это позволяет отказаться от трансформирования ее в транспортное положение, что упрощает конструкцию АФАР, повышает ее надежность и уменьшает вес полезной нагрузки КА.
Все это подтверждает перспективность разработки многолучевой АР для ССС на основе КАИ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бортовая многолучевая антенна космического ретранслятора / Н.А. Бей,
B.А. Вечтомов, Е.Н. Гуркин и др. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер.
Приборостроение. - 2009. - С. 8-17.
2. Симонов М. М. Спутники — новые возможности в Азии // Приложение к
журналу «Технологии и средства связи». Спец. вып. - 2006. - № 5 (50).-
C. 28-33.
3. Chandler C., Hoey L., Hixon D., et al. Ka-band communications Satellite Antenna technology. // TRW Space & Electronics, One Space Park, Redondo
Beach, California 90278, USA. email: chuck.Chandler @trw.com.
4. Пономарев Л. И., Вечтомов В. А., Милосердов А. С. Многолучевая антенная решетка для системы спутниковой связи // Антенны. - 2012. -Вып. 5 (180). - С. 52-63.
5. William C. Cummings. An Adaptive Nulling Antenna for Military Satellite Communications // The Lincoln Laboratory Journal. - 1992. - Vol. 5. - №. 2. -Р. 173-193.
6. Кауфман Г. В., Синани А. И., Белый Ю. И. Особенности построения радиолокационных систем воздушного и наземного базирования на базе АФАР с цифровым диаграммообразованием // НТК : «Радиооптические технологии в приборостроении». 2-8 сентября, 2012 г., п. Небуг, Краснодарский край.
Статья поступила в редакцию 07.09.2012
