| Аннотация |
Целью исследования является разработка методов компенсации ослепления фазированных антенных решеток (ФАР) с широкоугольным сканированием в сверхширокой полосе частот, основанных на использовании геометрооптических принципов синтеза их элементов и диаграммообразующих систем (зеркального и линзового типа), а также – метаповерхностей, вносящих емкостный поверхностный импеданс в апертуру для предотвращения возможности возникновения и распространения поверхностных волн над апертурой ФАР при значительных углах отклонения главных лепестков диаграммы направленности от нормали. Синтез и исследование достижимых характеристик сверхширокополосных широкоугольных ФАР с элементами и диаграммообразующими системами квазиоптического типа, в апертуре которых расположены объекты, вносящие емкостный поверхностный импеданс.
Актуальность темы обусловлена нижеследующими причинами. Появление каждые 10 лет нового поколения связи приводит к фундаментальным и существенным сдвигам в жизнях людей и их социальных взаимодействиях, что в свою очередь приводит к росту объема трафика и соединений между различными устройствами. Более того, из-за увеличения числа устройств, использующих большие объемы информации, мобильный трафик (примерно, удваивающийся каждый год) в настоящий момент превысил проводной. Перспективные поколения связи призваны удовлетворить эти требования с помощью увеличения скорости передачи информации и плотности трафика, уменьшения задержки до миллисекунд, очень плотных каналов связи, а также увеличенной спектральной, энергетической и стоимостной эффективностью. Техническими решениями призванными решить эти задачи являются инновационные стратегии многопользовательского доступа, ультраплотные сети, массивное MIMO, полный дуплекс и многие другие. Реализация этих высокоуровневых технологий сопряжена с новыми вызовами для разработки физической инфраструктуры частью, которой являются антенные устройства. Из всего многообразие вариантов антенн, крайне перспективным решением является использование многолучевых антенны и ФАР, позволяющих увеличить дальность связи, уровень принимаемого сигнала и реализовать пространственное разделение каналов. Для создания многолучевых антенн и ФАР, способных работать в широкой полосе частот и формирующих узкий луч с не изменяющейся при сканировании формой, привлекательным является использование оптических принципов построения и технологий метаматериалов.
Отметим, растущий во всем мире интерес к низкоорбитальной спутниковой связи, и к антенным для спутниковых терминалов, в частности. Антенны для таких устройств можно строить и на основе квазиоптических принципов. В этом направлении существует два подхода. Первый заключается в реализация сканирования путем переключения между выходами многолучевых антенн, построенных на основе линз Ротмана и Люнеберга. Во втором радиолинза используется для фокусировки поля принимаемого сигнала на один из элементов вторичной решетки. Каждый элемент вторичной решетки соответствует своему направлению прихода волны, а сканирование осуществляется за счет коммутации элементов. Таким образом построена антенна компании Isotropic Solutions [https://www.all.space/products-services].
Также, предметом интенсивных исследований являются ФАР классической конструкции:
1. В статье [S. Das et al., "A Flat-Panel 8 × 8 Wideband K-/Ka-Band Dual Circularly Polarized Phased Array Antenna for CubeSat Communications," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 71, no. 5, pp. 4153-4166, May 2023, doi: 10.1109/TAP.2023.3255640] предложена конструкция плоской широкополосной ФАР для Ka-диапазона с двумя круговыми поляризациями. В качестве антенного элемента используется стекированная патч-антенна, а в качестве устройства диаграмообразования применяется кремневая микросхема. Сектор сканирования рассматриваемой антенны составил ±41° и ±35° на частотах 24 и 26.5 ГГц соответственно. Секторы сканирования стали меньше по сравнению с расчетными из- применения в качестве ДОС специальной микросхемы. Кроме того, она будет источником дополнительных потерь и шумов, что является критичным для систем спутниковой связи по построению, работающих с низким уровнем принимаемого сигнала.
2. В статье [Q. Tang et al., "Flat-Panel Mechanical Beam Steerable Array Antennas with In-Plane Rotations: Theory, Design and Low-Cost Implementation," in IEEE Open Journal of Antennas and Propagation, vol. 2, pp. 679-688, 2021, doi: 10.1109/OJAP.2021.3084842] была разработана и исследована конструкция плоской c механическим сканированием за счет двух моторов. Каждый из этих двигателей отвечает за сканирование в одной плоскости (азимутальной или угломестной), но вращательное движение происходит только в одной (азимутальной) плоскости. Суть механического сканирования заключается в реконфигурации антенны для изменения фазовых соотношений на антенных элементах, вместо использования отдельных фазовращателей для каждого антенного элемента. В рассматриваемой конструкции сканирование по азимуту в основном происходит за счет механического вращения антенны вокруг ее оси. Сканирование в угломестной плоскости происходит за счет пространственной интерференционной картины, создаваемой вращением антенной решетки относительно волновода, что также влияет и на азимутальное сканирование. Эта интерференционная картина рассматривается как эффект муара. Измеренный КИП антенны составил 15–37%, при теоретическом пределе 80–90%. В данной антенне присутствует несколько источников потерь: потери в волноводе, потери на переходе между верхней и нижней пластинами (отвечают за сканирование по азимуту и углу места). Сектор сканирования рассматриваемой антенны составляет ±45°, а коэффициент усиления является нестабильным при изменении угла падения волны.
Недостатком известных конструкций ФАР является ограниченный сектор сканирования. Причем, увеличение сектора сканирования является насущной проблемой для систем спутниковой связи с малым количеством спутников на орбите (таким как группировки Российской Федерации). Поэтому, исследование возможности увеличения сектора сканирования ФАР является актуальной задачей.
В ходе исследования будут решены следующие задачи:
- Исследование возможности применения апланатических линз в качестве диаграммообразующих схем для создания многолучевых антенны с двумя ортогональными поляризациями. Применение таких многолучевых антенн позволит существенно улучшить отношения сигнал/шум на приемнике (например, интенсивно маневрирующего БПЛА), а также нивелирует негативный эффект от поляризационного рассогласования, или позволит уменьшить уровень преднамеренных линейно поляризованных помех простым переходом на другую поляризацию.
- Исследование возможности использования метаматерилов для увеличений углового сектора сканирования ФАР. Суть проблемы заключается в следующем. При существенном отклонении луча ФАР от нормали, в плоскости антенны начинают формироваться поверхностные волны, которые взаимодействуют с объемными волнами главного лепестка и искажают его. Это приводит к значительному увеличению ширины главного лепестка (а значит к падению коэффициента усиления), и не позволяет отклонить луч от нормали на набольший угол. Для борьбы с этим явлением, представляется эффективным создание емкостного импеданса для поверхностной волны, что должно существенно ослабить ее. Реализовать емкостной импеданс на поверхности ФАР предлагается с помощью специальных метаматериальных элементов «грибовидной» формы, размещаемых вокруг и между антенных элементов.
|
