| Аннотация |
Основная цель, на достижение которой направлены проектные исследования, это–развитие методов подходов построения низкопрофильных высокоэффективных антенных систем для наземных терминалов новейших систем спутниковой связи. Решение этой проблемы является неотъемлемой частью решения проблемы обеспечения доступа к информационным ресурсам (телефония, сеть Интернет, телевидение, радио) вне зависимости от географического местоположения потребителя. Поскольку связанность территорий РФ является приоритетом в Стратегии научно-технологического развития РФ очень важно обеспечить доступ к телекоммуникационным услугам на всей территории страны, включая территории Крайнего Севера и Арктики. Решение этой научной проблемы также приведёт к ещё большему освоению и использованию космического пространства Российской Федерацией, укреплению независимости и конкурентоспособности страны в космической отрасли.
Основной задачей проекта является разработка и изготовление низкопрофильной антенной системы для использования в перспективных Российских спутниковых системах, а также для замены иностранных антенн в эксплуатируемых терминалах спутниковой связи. Антенна будет разработана специально под специфику использования, технологические возможности и материалы, доступные в РФ, что позволит в целом снизить стоимость устройства и производить его на имеющихся технологических мощностях.
Низкопрофильные антенные системы иностранного производства реализованы в виде рупорной антенной решетки с волноводной диаграммообразующей схемой. Такой подход хорош с точки зрения потерь в антенной системе, однако толщина и масса такой антенной решетки имеют высокие значения. Кроме того, антенная решетка разбивается на 7 и более слоев с двухсторонней фрезеровкой, что делает стоимость производства антенны высокой. Появление в последние годы новых типов линии передачи на основе волновода с зазором (gap waveguide) а также тонких волноводов реализованным методом лазерной или гидроабразивной резки из листового материала позволяет снизить затраты на производство и габариты антенной системы. Подобная схема питания была применена авторами проекта в узкополосной антенной решетке на основе резонаторов Фабри Перо для спутниковой связи и продемонстрировала свою эффективность и дешевизну. Развитие и комбинация данных линий питания позволит создавать более компактные антенны с характеристиками близкими к волноводным.
В качестве излучателей в зарубежных антенных решетках используются рупорные антенны с делителем апертуры, который подавляет высшие моды в излучающей апертуре. Такие излучатели обладают характерной неравномерностью амплитудного распределения в раскрыве в H-плоскости, что приводит к появлению побочных дифракционных максимумов в высокочастотной области, в которой, как правило, располагается диапазон передачи, в котором регламентируется уровень побочного излучения. Такое поведение вынуждает ограничивать максимальную мощность передатчика, с целью удовлетворения требований к побочному излучению, что в целом пагубно сказывается на скорости передачи данных через спутниковый канал. Использование двухщелевого рупорного излучателя, по мнению авторов заявки, позволит получить более равномерное амплитудное распределение в апертуре антенной решетки, что снизит уровень побочного излучения и в целом повысит эффективность антенной решетки. Кроме того, такой излучатель обладает меньшим продольным размером, так как в случае его использования нет необходимости в отдельном модовом диплексоре, он получается встроенным в излучатель.
Помимо этого, планируется разработка специальных новых метаматериалов для сглаживания амплитудного распределения в раскрыве антенны, что также положительно скажется на уровне побочного излучения.
Планируется исследование комбинации микрополосковых излучателей и волноводной схемы питания, это позволит значительно сократить габариты при сопоставимой эффективности антенны.
Помимо подхода реализации антенны в виде антенной решетки, планируется исследование квазиоптических принципов построения излучающих элементов и антенны в целом. В целом подход перспективен, он обладает малыми потерями и простотой реализацией. Основное затруднение вызывает эффективное использование отражающей поверхности при большой разнице высоты и ширины отражателя. Для реализации данного принципа будет разработан специальный облучатель и геометрия рефлектора.
Кроме того, создание полной антенной системы потребует разработки ряда дополнительных СВЧ-устройств, таких как вращающиеся СВЧ-переходы, устройства управления поляризацией, диплексоры. Помимо этого, будет разработана механическая часть и блок управления антенной, с функциями наведения и удержания спутника.
Планируется провести исследования возможности изготовления антенной системы и ее составных частей методом 3Д печати, в том числе и металлом.
Таким образом, проект подразумевает комплексное решение множества научных и инженерных задач с целью получения конкретного устройства, востребованного на рынке и не имеющего отечественных аналогов.
В данном проекте планируется производить поиск эффективной комбинации элементов и диаграммобразующей схемы с целью получения антенной решетки с максимальным КИП. Развитие и комбинация новых линий питания позволит создавать более компактные антенны с характеристиками близкими к волноводным. В качестве элементов решетки планируется применение гибридных излучателей, сочетающих преимущества микрополосковых и рупорных антенн. Для практической реализации будут исследованы технологии 3д печати, как пластиком, так и металлом. Рассмотрены возможности гальванического покрытия изготовленных пластиковых СВЧ-элементов.
Электродинамическое моделирование антенных систем и их составных частей будет осуществлено методами моментов и методом конечного интегрирования с помощью специального программного обеспечения.
Экспериментальное исследование будет осуществлено методом измерения распределений электромагнитных полей в ближней зоне излучающих структур, измерения разработанных макетов антенных элементов будут проводиться в безэховой камере Сибирского федерального университета.
Основные ожидаемые результаты рамках реализации проекта:
1. Электродинамические модели квазиоптических низкопрофильных антенн;
2. Электродинамические модели излучателей антенной решетки микрополоскового, рупорного и других типов;
3. Электродинамические модели метаматериалов;
4. Электродинамические модели ДОС:
– на основе пустотелых волноводов;
– на основе gap-волноводов;
– на основе микрополосковой линии передачи.
5. Методы снижения побочного излучения в антенных решетках;
6. Электродинамические модели вращающихся СВЧ-соединений;
7. Электродинамические модели модовых и частотных диплексоров;
8. Электродинамическая модель низкопрофильной антенной решетки для работы в сетях спутниковой связи;
9. Публикация научных работ по тематике исследования в журналах ВАК, Scopus/Web of Science.
Развитие наземного сектора спутниковых систем поспособствует формированию дополнительного спроса на телекоммуникационные космические аппараты, что поспособствует освоению и использованию космического пространства и повышению связанности территории РФ.
Северные территории Красноярского края активно осваиваются ввиду увеличения разработок энергетических и металлургических месторождений, основным способом связи с внешним миром на этих территориях является спутниковая связь, как на стационарных объектах, так и на мобильных, что обуславливает особый интерес к малоосвоенной нише низкопрофильных спутниковых антенн функционирующих на данных территориях.
Задачи по разработке широкополосных антенн с широкоугольным сканированием стоят перед такими предприятиями как: ОАО «Информационные спутниковые системы им. ак. М. Ф. Решетнева» (г. Железногорск, Красноярский край), АО «НПП «Радиосвязь», АО КБ «ИСКРА» и др. (г. Красноярск).
Результаты данного исследования могут быть использованы на указанных предприятиях для реализации проектов.
|
