Межспутниковая линия связи ММВ диапазона Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

4. Ведерников В. М., Кирьянов В. П., Лебедев Г. А. Применение лазерного интерферометра для контроля и юстировки измерительных систем тяжелых станков // Станки и инструмент. 1978. № 4. C. 21-23.

5. Wang C. Laser vector measurement technique for the determination and compensation of volumetric positioning errors. P. 1: Basic theory // Review of Scientific Instruments. 2000. Vol. 71, No 10. P. 39333937.

References

1. Batshev V. I., Badunova E. A., Pol'shchikova O. V. Nauka i obrazovanie. 2013, no. 12, p. 515-526.

2. Semenov A. P., Abdulkadyrov M. A., Patrikeev V. E., Vorob'ev A. S. Modern interferential inspection methods of surfaces form for large-size aspherical articles [Sovremennie interferencionnie metodi kontrolya formi poverkhnostei krupnogabaritnih asfericheskih detalei]. Trudy 9 Mezhdunarodnoi konferencii "Prikladnaya

optika - 2010" (Proc. 9th Int. Conf. "Applied optics -2010"). St.-Petersburg, 2010, t. 1 (2), p. 55-59.

3. Bazin V. S., Verkhoglyad A. G., Vykhristyuk I. A., Kastorskii L. B., Kiryanov V. P., Kokarev S. A., Prots V. I., Sysoev E. V. Multifunctional precision laser technological system for processing large-scale articles with an arbitrary topology. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. 2005, 41 (6), p. 89-94.

4. Vedernikov V. M., Kiryanov V. P., Lebedev G. A. Stanki i instrument. 1978, no. 4, p. 21-23.

5. Wang C. Laser vector measurement technique for the determination and compensation of volumetric positioning errors. Part 1: Basic theory, Review of Scientific Instruments, 2000, 71 (10), p. 3933-3937. Cited 30 times.

© Верхогляд А. Г., Михалкин В. М., Куклин В. А., Халиманович В. И., Чугуй Ю. В., 2014

УДК 621.396.677

МЕЖСПУТНИКОВАЯ ЛИНИЯ СВЯЗИ ММВ ДИАПАЗОНА

В. А. Вечтомов

Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана Российская Федерация, 105005, г. Москва, 2-я Бауманская, 5. E-mail: [email protected]

Представлен вариант построения межспутниковой линии связи в диапазоне 54,5...61,5 ГГц между космическими аппаратами, базирующимися на геостационарной орбите. Предложены оригинальные технические и конструктивные решения по реализации системы связи на элементной базе миллиметрового диапазона волн.

Ключевые слова: антенна, космический аппарат, линия связи.

INTER-SATELLITE LINK IIM RANGE V. Vecytomov

Bauman Moscow State Technical University (BMSTU, Bauman MSTU) 5, the 2nd Baumanskaja, Moscow, 105005, Russian Federation. E-mail: [email protected]

A version of the construction of the inter-satellite link in the range of 56...61 GHz between the spacecraft, based in the geostationary orbit is presented. Ingenious engineering and design solutions for the implementation of a communication system for cell-based millimeter-wave are proposed.

Keywords: antenna, spacecraft, link.

В современных условиях системы спутниковой связи (ССС) должны обеспечивать непрерывную и устойчивую передачу высококачественных радиовещательных услуг и каналов спутникового телевидения индивидуального и коллективного пользования, широкополосного доступа в Интернет, цифровой телефонной связи. Дальнейшее повышение эффективности ССС возможно путем широкого использования в бортовых спутниковых ретрансляторах (РТР) многолучевых антенн, бортовых цифровых платформ и межспутниковой линии связи (МЛС).

Задачей МЛС является обеспечение радиообмена между земными станциями (ЗС), не находящимися в прямой видимости с одного КА, для чего необходи-

ма передача информации между КА, находящимися как на одной, например, геостационарной орбите (ГСО), так и на разных орбитах. Применение МЛС существенно повышает эффективность коммерческих и специальных спутниковых линий связи [1], а именно:

- увеличивается протяженность спутниковых линий связи;

- сокращается время распространения сигнала за счет исключения «двойного скачка» на линии спутниковой связи;

- сокращается загрузка спутниковых каналов связи;

- повышается надежность и устойчивость спутниковых линий связи;

Решетневскуе чтения. 2014

- обеспечивается скрытность передач информации между КА через МЛС.

Применение МЛС является одним из важнейших направлений совершенствования ССС. Наиболее перспективным для построения МЛС считается диапазон 60 ГГц, выделенный МККР для линий связи между КА [2]. Большое затухание в атмосфере Земли в этом диапазоне практически полностью исключает радиоперехват сообщений с МЛС, в тоже время не создает помехи ЗС. Создание МЛС в этом диапазоне представляет важную государственную задачу, являясь исключительно а к ту альной.

Сложность создания системы МЛС в У-диапазоне объясняется отсутствием, прежде всего, усилителей мощности и элементов фидерного тракта.

Анализ имеющихся усилителей мощности на диапазон 60 ГГц [3-6] показал, что в настоящее время только ваАБ псевдоморфные монолитные СВЧ интегральные схемы с высокой подвижностью электронов могут удовлетворить потребности в СВЧ-усилителях большой мощности на частотах 60 ГГц и 90 ГГц [6].

Следующей проблемой является передача СВЧ-сигнала от приемо-передающего блока к бортовой цифровой платформе КА. Если приемо-передающий блок разместить на задней стороне зеркала антенны МЛС, то тракт можно выполнить с использованием двух взаимно-перпендикулярных вращающихся сочленений, работающих на видеочастоте (1,8 ГГц с полосой 400 МГц). Это позволит, с одной стороны, минимизировать потери в фидерной системе, с другой -обеспечить наведение остронаправленного луча антенны МЛС в верхней полусфере. Проектирование МЛС проводилось со следующими параметрами: ско-

рость передачи информации 36 Мбит/сек; диапазон рабочих частот 54,5...62,5 ГГц; сектор сканирования -верхняя полусфера.

На рис. 1, а приведена 3Б-модель антенны Кассег-рена (2) с двумя вращающимися сочленениями (4), оборудованными двигателями, работающими по командам блока управления КА и обеспечивающими её вращение в верхней полусфере. На задней стороне большого зеркала расположен приемо-передающий блок (1) с селектором поляризации (рис. 1, в). Малое зеркало антенны Кассегрена обозначено позицией 3.

МЛС рассчитывалась для произвольно взятых 4-х точек стояния КА на ГСО: 25° з. д., 35° в.д., 85° в. д. и 170° з. д. Расчет бюджета радиолинии при максимальной трассе 80 412 км показал, что при ЭИИМ » 64 дБВт и диаметре большого зеркала в один метр достаточно мощности передатчика порядка 10 Вт.

Следует отметить, что при орбитальных маневрах КА дальность трассы МЛС может изменяться от максимальной (80 тыс. км) км до минимальной (50.150 км). Это приводит к тому, что приемный тракт ствола МЛС работает в динамическом диапазоне сигнала не менее 50 дБ, который реализовать только в приемном блоке практически невозможно. Следовательно, необходима регулировка выходной мощности передатчика ствола МЛС.

В [6] опубликована информация о разработке твердотельного усилителя, развивающего СВЧ-мощность в V-диапазоне порядка 12,8 Вт с КПД 31 %. Эта СВЧ-мощность получается путем сложений мощности большого числа когерентных каскадных предварительных и оконечных усилителей (рис. 2, а).

Рис. 2. СВЧ интегральная схема на основе GaAs (а); частотно-поляризационный селектор (б)

Усилители идентичны, всего их 32 шт. Каждый усилитель представляет собой псевдоморфную монолитную СВЧ интегральную схему на основе арсенида галлия (GaAs) на полевых транзисторах с высокой подвижностью электронов и шириной затвора 0,15 мкм и энергией активации электронов 1,6 эВ при температуре канала 125°С. СВЧ интегральная схема выполнена по HEMT (PHEMT) (PHEMT - Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor) технологии.

Минимизации излучения (приема) бортовой антенны МЛС в направлениях на смежные КА до уровня «минус» 50 дБ и получена путем разработки антенны с низким уровнем боковых лепестков и создания частотно-поляризационного селектора с переходным затуханием более 35 дБ (рис. 1, б). Частотно-поляризационный план МЛС разбит на две полосы частот: 54,5...56,5 ГГц; 59,5...62,5 ГГц. Прием и передача между смежными КА ведутся на взаимно перпендикулярных поляризациях.

Антенна (рисунок 1б) выполнена из композиционного материала [7]. Малое зеркало облучается рупором с изломом конической образующей (рис. 2, б). Расчет ДН антенны произведен в программной среде MatLab.

Важным вопросом проектирования антенных систем является размещение её под обтекателем модуля полезной нагрузки. Несмотря на сравнительно малые размеры антенны, размеры системы МЛС в развернутом рабочем положении существенно превышают габариты под обтекателем. Предложенные технические решения позволяют отказаться от разработки специальной системы разворачивания и фиксации в рабочем положении антенной системы МЛС. Её роль выполняют все те же электродвигатели с вращающимися сочленениями фидерного тракта (рис. 3).

Рис. 3. Транспортное положение антенной системы МЛС

Масса АС МЛС ориентировочно 7,9 кг. В том числе: зеркала с креплениями - 4 кг; облучатель - 0,7 кг; частотно-поляризационный селектор - 0,2 кг; корпус (вес приемо-передающего блока не учтена) - 1 кг; вращающиеся сочленения - 2 кг.

Потребляемая мощность: менее 40 Вт. Вес изделия дан ориентировочно. Не учтены веса и потребление электромоторов. Следует учесть, что время работы электромоторов ограничено наведением антенны на связь с соседним КА.

Библиографические ссылки

1. Procceeding of SPIE. 1993. Jan. Vol. 1866; 1997. Vol. Febr. 2990.

2. Камнев В. Е., Черкасов В. В., Чечин Г. В. Спутниковые сети связи. М. : Альпина Паблишер, 2004. 536 с.

3. Reynolds S., Floyd B., Pfeiffer U., Beukema T., Grzyb J., Haymes C., Gaucher B. and Soyuer M. A silicon 60-GHz receiver and transmitter chipset for broadband communications // IEEE J. solid-state circuits. 2006. Vol. 41, no. 12. P. 2820-2831.

4. Karnfelt C., Hallbjorner P., Zirath H., Alping A. High gain active microstrip antenna for 60 GHz WLAN/WPAN applications, Chalmels Univ. of technology.

5. Valdes-Garcia A., Nicolson S., Lai J. W., Natarajan A., Chen P. Y., Reynolds S., Conan Zhan J. H., Kam D., Liu D., Floyd B. A fully integrated 16-element phasedarray transmitter in SiGe BiCMOS for 60-GHz communications // IEEE J. solid-state circuits. 2010. Vol. 45, no. 12. P. 2820-2831.

6. Ngo-Wah K. L., Goel J., Chou Y. C., Grundbacher R., Lai R., Nassour G., Divish E., Schreuer G., Whitney K., Oki A. A V-band eight-way combined solid-state power amplifier with 12,8 Watt output power // Northtop Grumman Space Technology, 2005.

7. Поисковые исследования современных технологий изготовления прецизионных антенных рефлекторов из ПКМ с низкой поверхностной плотностью, высокой жесткостью и размеростабильностью : отчет о НИР. М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2013.

8. URL: http://www.telemultimedia.ru.

References

1. Procceeding of SPIE, vol. 1866, Jan. 1993, vol. 2990, Febr.1997.

2. Kamnev V. E., Cherkasov V. V., Chechin G. V. Satellite-based networks. M. : Alpina Publisher, 2004. 536 p.

3. Reynolds S., Floyd B., Pfeiffer U., Beukema T., Grzyb J., Haymes C., Gaucher B. and Soyuer M. A silicon 60-GHz receiver and transmitter chipset for broadband communications // IEEE J. solid-state circuits. 2006. Dec. Vol. 41, no. 12, p. 2820-2831.

4. Karnfelt C., Hallbjorner P., Zirath H., Alping A. High gain active microstrip antenna for 60 GHz WLAN/WPAN applications, Chalmels Univ. of technology.

5. Valdes-Garcia A., Nicolson S., Lai J. W., Natarajan A., Chen P. Y., Reynolds S., Conan Zhan J. H., Kam D., Liu D., Floyd B. A fully integrated 16-element phasedarray transmitter in SiGe BiCMOS for 60-GHz communications // IEEE J. solid-state circuits. 2010, vol. 45, no. 12, p. 2820-2831.

6. Ngo-Wah K. L., Goel J., Chou Y. C., Grundbacher R., Lai R., Nassour G., Divish E., Schreuer G., Whitney K., Oki A. A V-band eight-way combined solid-state power amplifier with 12,8 Watt output power // Northtop Grumman Space Technology, 2005.

7. Exploratory studies of modern technologies of manufacturing precision antenna reflectors of PCM with a low surface density, high stiffness and dimensionally: Research Report. M. : MSTU. Bauman, 2013.

8. Website: http://www.telemultimedia.ru.

© Вечтомов В. А., 2014