Разработка фазированной антенной решетки Ku-диапазона частот на базе цифровых диаграммообразующих чипов для терминалов спутниковой связи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Прохоров Сергей Юрьевич

• Прохоров Сергей Юрьевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Прохоров Сергей Юрьевич

1.1 Роль фазированных антенных решеток в составе терминалов спутниковой связи

1.1.1 Краткая характеристика области и условий применения фазированной антенной решетки

1.1.2 Особенности применения фазированных антенных решеток в составе терминалов на территории РФ

1.2 Описание и обоснование выбора конструкции фазированной антенной решетки

1.2.1 Обоснование и выбор конструкции элемента ФАР на основе анализа известных аналогов (отечественных или зарубежных)

1.2.2 Описание и обоснование основных технических решений на разработку ФАР для терминалов спутниковой связи

1.3 Выводы по первой главе

ГЛАВА 2 ОБЗОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МЕТОДОВ РАСЧЕТА, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ДЛЯ БАЗОВЫХ ТЕРМИНАЛОВ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ ГГЦ ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ

2.1 Методы численного эксперимента

2.1.1 Обзор численных методов решения задач электродинамики

2.1.2 Обоснование выбора численного метода расчета ФАР для базовых терминалов спутниковой связи

2.2 Методы изготовления антенных устройств

2.2.1 Механические и химические методы

2.2.2 Альтернативные методы изготовления антенн

2.3 Методики и особенности проведения испытаний макетов ФАР

2.3.1 Технологические особенности изготовления ФАР

2.3.2 Методика проведения испытаний макетов модулей ФАР

2.4 Выводы по второй главе

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТА ФАР ДЛЯ БАЗОВОГО ТЕРМИНАЛА СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ

3.1 Выбор исходной конфигурации приемопередающего элемента ФАР

3.2 Разработка приёмного элемента ФАР

3.2.1 Численное моделирование и оптимизация приемного элемента ФАР

3.2.2 Численное моделирование и оптимизация квадратурного моста

3.2.3 Расчет электрических характеристик комбинации приемного элемента ФАР и квадратурного моста

3.2.4 Оценка характеристик ФАР на основе одиночного приемного элемента

3.3 Разработка передающего элемента ФАР

3.3.1 Численное моделирование и оптимизация передающего элемента ФАР

3.3.2 Расчет электрических характеристик комбинации передающего элемента ФАР и квадратурного моста

3.3.3 Оценка характеристик ФАР на основе одиночного передающего элемента

3.4 Выводы по третьей главе

75

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ФАР ДЛЯ ТЕРМИНАЛА СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ

4.1 Разработка системы деления ФАР

4.1.1 Особенности применения бимформеров

4.1.2 Объединение элементов в приемную подрешетку

4.1.3 Объединение элементов в передающую подрешетку

4.2 Разработка модели ФАР

4.2.1 Моделирование и расчет электрических характеристик подрешетки ФАР

4.2.2 Моделирование и расчет ФАР

4.2.3 Оценка электрических характеристик ФАР

4.3 Экспериментальные исследования параметров ФАР

4.3.1 Разработка и испытание экспериментального образца подрешетки ФАР

4.3.2 Разработка и испытание экспериментального образца полноразмерной ФАР

4.4 Общий вид модели и экспериментального образца, разработанной ФАР базового терминала спутниковой связи

4.4.1 Экспериментальные исследования итогового образца ФАР

4.4.2 Методика измерения ФАР в безэховой камере

4.4.3 Результаты измерений экспериментального образца в безэховой камере

4.5 Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка фазированной антенной решетки Ku-диапазона частот на базе цифровых диаграммообразующих чипов для терминалов спутниковой связи»

Актуальность

В условиях растущих потребностей в скорости и качестве интернет-соединения современные системы беспроводной связи остро нуждаются в спутниковых ретрансляторах для обеспечения равномерного покрытия больших площадей высоким уровнем сигнала. Кроме того, спутниковые системы помогают надёжно связать друг с другом удалённые территории, тянуть кабели или расставлять вышки сотовой связи в которых дорого, трудозатратно и - что наиболее существенно - долго [1,2].

Современное развитие систем связи, базирующихся на низкоорбитальных и высокоэллиптических спутниковых группировках[1], требует создания новых систем, обеспечивающих высокую скорость и мобильность интернет-соединения. В настоящее время проводится сразу несколько проектов [3-7], направленных на обеспечение непрерывной высокоскоростной спутниковой связи, среди них -программа «Сфера», в рамках которой планируется реализация отечественного широкополосного доступа к сети Интернет, а также систем связи специального назначения. При этом крайне важно разработать не только сами спутниковые аппараты, но и наземные терминалы, связующие их с абонентами.

Основными частотными диапазонами, используемыми для данной задачи, являются Ки (10—18 ГГц) и Ка (26,5—40 ГГц). Основными антенными системами являются параболические антенные устройства [2] с двойным механическим сканированием и фазированные антенные решётки (далее - ФАР) в одной из двух вариаций [3,8-11]: двойное электронное или электронное и механическое сканирование. Однако для низкоорбитальных и высокоэллиптических группировок параболические рефлекторные антенны не вполне удовлетворяют требованиям по скорости сканирования и точности наведения на спутник, поскольку аппараты двигаются вблизи Земли с достаточно высокими угловыми скоростями (порядка 0,5... 2,5 °/с). К тому же сами антенны подобного типа являются достаточно громоздкими и обладают плохой аэродинамикой, что препятствует их массовому

внедрению, например, в такие быстро перемещающиеся транспортные средства, как скоростные поезда, пассажирские самолёты и т. п.

Разработка ФАР, обеспечивающей устойчивое наведение на спутник и обладающей требуемыми электрическими характеристиками является важной, сложной и актуальной научной задачей.

В данной работе представлены результаты проектирования, изготовления и измерения такой ФАР, работающей в Ки-диапазоне частот.

Степень разработанности темы

Малогабаритные ФАР представляют собой одно из ведущих и быстро развивающихся направлений в современной антенной технике. Они применяются как в терминалах сотовой связи, так и на скоростных подвижных объектах, обеспечивая надежную связь через низкоорбитальные и высокоэллиптические группировки искусственных спутников Земли.

Разработка широкополосных и компактных элементов таких антенных решеток с высоким коэффициентом усиления является сложной научно-технической задачей. Её решение требует обширных знаний в области: численных методов электродинамики, передовых технологий изготовления и материаловедения.

О растущей актуальности данного направления свидетельствует значительное увеличение количества публикаций, индексируемых РИНЦ, за последние 5 лет.

Применение диаграммообразующих элементов с электронным управлением для создания ФАР является не только актуальной задачей мирового масштаба, но и представляет собой новое перспективное направление в разработке фазированных антенных решеток и других СВЧ-устройств для систем спутниковой связи в Российской Федерации. Такие технологии позволяют существенно улучшить характеристики антенных систем при одновременном сокращении их габаритов, что открывает новые возможности для развития отечественных систем связи.

Цель работы и задачи исследования

Целью диссертации является разработка ФАР для наземного терминала спутниковой связи, работающего со спутниковыми группировками на высокоэллиптических орбитах. Данная ФАР должна обеспечивать высокую скорость переключения луча за счет использования цифровых диаграммообразующих чипов.

Разрабатываемая антенная система должна обладать следующими характеристиками:

• обеспечение непрерывного сканирования лучом в направлении спутника

• компактные размеры при сохранении стабильно высоких показателей коэффициента усиления и шумовой добротности

• гарантия устойчивой связи со спутником при установке на быстро движущемся транспортном средстве

• отсутствие влияния на аэродинамические характеристики транспортного средства

• минимальное увеличение габаритных размеров носителя

Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ современных требований к разработке и применению ФАР.

2. Анализ современных способов расчета ФАР и ее элементов на основе численных методов электродинамики; способов и технологий изготовления элементов ФАР; а также методик проверки работоспособности экспериментальных образцов антенных систем, позволяющих с высокой точностью определить их электрические характеристики.

3. Разработка новых компактных элементов ФАР с круговой поляризацией, и другими техническими возможностями, позволяющими обеспечить стабильные характеристики, а именно высокий коэффициент усиления, требуемую развязку и широкий угол сканирования главного луча диаграммы направленности.

4. Исследование, разработка и изготовление ФАР, использующей цифровые диаграммообразующие чипов, обеспечивающих высокую скорость сканирования, на основе разработанных новых антенных элементов.

5. Проведение экспериментальных измерений электрических характеристик ФАР с целью проверки ранее полученных теоретических результатов.

Методы исследования

Диссертационное исследование опирается на инструментарий прикладной электродинамики, компьютерное моделирование и телекоммуникационную теорию.

Методологический подход охватывает критический анализ существующих ограничений в проектировании, изготовлении и тестировании антенных систем.

Характеристики фазированных антенных решеток оцениваются двумя путями: через численное моделирование и экспериментальные испытания прототипов с применением специализированного измерительного комплекса.

Научная новизна

1. Разработан элемент антенной решетки, обладающий малыми размерами и высоким коэффициентом усиления, превышающим значение известных аналогов. Такие результаты стали возможными благодаря успешному сочетанию электрических и магнитных мультиполей на основе метаэлементов, разнесенных по частоте.

2. Проведена оптимизация размеров отдельных элементов и интервалов массива антенной решетки, чтобы обеспечить оптимальный коэффициент усиления, эллиптичность и уровень боковых лепестков.

3. Разработана и оптимизирована новая структура гибридного элемента антенной решетки на основе патч-антенн с директорами, обладающая улучшенными широкополосными свойствами в требуемой полосе частот, более высоким КУ. Такая структура может эффективно использоваться в больших

массивах ФАР. Исследования массива элементов, собранных в единую ФАР, показали, что коэффициент отражения находится ниже -20 дБ в требуемой полосе частот, что является хорошим показателем для антенных элементов. Кроме того, взаимное влияние ближайших элементов ФАР не превышает -24 дБ, что также указывает на излучение практически всей подаваемой энергии. Таким образом, это позволяет изготовить антенну для Ки-диапазона на основе предлагаемого гибридного элемента.

4. На основе новых гибридных элементов разработаны как передающая, так и приемная ФАР размерностями 40х24 элементов (Кх) и 52х24 элементов (Тх) соответственно. Усиление ФАР получено в широком диапазоне углов сканирования от -45° до +45° и составило 32,2 дБи для (Кх) и 34,5 дБи для (Тх).

Предлагаемые массивы приемной и передающей ФАР позволяют обеспечить электронное сканирование в широком диапазоне углов от - 45°до +45° при уровне боковых лепестков, не превышающем 12,3 дБ для крайнего положения главного лепестка диаграммы направленности. Кроме того, обеспечен высокий уровень кросс-поляризации: 24,3 дБ и 34 дБ для подмассивов Кх и Тх соответственно.

Разработана адаптированная система питания для подключения элементов диаграммообразующей схемы, обеспечивающих возможность полного электронного сканирования главного луча диаграммы направленности в двух плоскостях. Возможности сканирования в широком угле были достигнуты за счет снижения взаимного влияния между элементами после добавления металлической границы между ними. Данный результат был достигнут за счёт применения дополнительного металлического экрана.

Практическая ценность и реализация результатов

Разработанные в исследовании подходы и концепции характеризуются значительной новизной, так как отечественное и мировое научное сообщество только начинает осваивать и создавать функциональные системы орбитальной спутниковой связи.

Исследовательские достижения нашли реальное применение в процессе создания фазированных антенных решеток для терминалов спутниковой связи при взаимодействии с АО «Информационные спутниковые системы имени академика М. Ф. Решетнёва» — лидирующей российской компанией в сфере производства и внедрения космического телекоммуникационного оборудования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработаны элементы антенной решетки, обладающие коэффициентом стоячей волны (КСВ) не более 1,5 и коэффициентом эллиптичности не выше 2дБ в полосе частот от 10,95 ГГц до 11,7 ГГц на прием и от 14 ГГц до 14,25 ГГц на передачу.

2. Разработаны приемные и передающие ячейки фазированной антенной решетки на основе патч-антенн, работающих в Ки-диапазоне частот, с 90-градусными гибридами, имеющих круговую левую и правую поляризации.

3. Разработан новый гибридный элемент антенной решетки для больших массивов ФАР на основе патч-антенн с директорами, обладающий широкополосными свойствами с коэффициентом перекрытия 1,3, КУ не менее 7,75 дБ.

4. Разработана новая малогабаритная ФАР с высокими электрическими характеристиками. Коэффициент усиления ФАР получен в широком диапазоне углов сканирования от -45°до +45°и составил 34,5 дБи на передачу и 33,2 дБи на прием. Предлагаемые массивы приемной и передающей ФАР позволяют обеспечить электронное сканирование в широком диапазоне углов от -45° до +45° при уровне боковых лепестков, не превышающем 12,3 дБ для крайнего положения главного лепестка диаграммы направленности. Кроме того, обеспечен высокий уровень кросс-поляризации: 24,3 дБ и 34 дБ для приема и передачи соответственно.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на следующих авторитетных международных конференциях, симпозиумах и мероприятиях:

• 2019 конференция "Высокие технологии на службе общества", 18.04.2019, Словения, Любляна

• 2019 Третий Российский симпозиум по наноспутникам с международным участием "RusNanoSat-2019", 03.07.2019, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П.Королева

• 2019 мероприятие ДЕНЬ СТУДЕНТА РОСКОСМОСА, 09.10.2019, МГТУ им. Баумана

• 2020 форум "Армия-2020",23-29.08.2020, Конгрессно-выставочном центре "Патриот"

• 2021 Совместное совещание Государственной корпорации по космической деятельности "Роскосмос" и Аэрокосмического комитета Министерства Цифрового развития, инноваций и аэрокосмической промышленности Республики Казахстан по вопросу основных направлений сотрудничества, 26.05.2021, Аэрокосмический комитет Министерства Цифрового развития, инноваций и аэрокосмической промышленности Республики Казахстан

• 2022 конференция Satellite Russia-2022, 07.04.2022, Москва

• 2022 Марафон "Мы первые",12.04.2022, Российское общество знание

• 2023 конференция Satellite Russia-2023, 16.02.2023, Москва

• 2023 международный промышленный форум "Инженеры будущего", 27.06.2023, Тула

• 2023 Отраслевой научно-практической конференции "Созвездие Роскосмоса: траектория науки", 04.10.2023, Красноярск

• 2024 международная конференция SPb Open, Санкт-Петербург

• 2024 сессия по вопросу сотрудничества Госкорпорации "Роскосмос", ПАО "НК "Роснефть, 21.03.2024, Москва, АО "Организация "Агат"

Публикации

Положения, выносимые на защиту, и результаты диссертации опубликованы в четырех научных работах, из которых 3 публикации входят в собственный

перечень журналов МФТИ (2 публикации - квартиль К1, 1 публикация - К2), 1 публикация - в трудах международной конференции. [10,12-14]. Результаты также изложены в одном патенте на изобретение [82], скан которого находится в приложении А.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации изложен на 150 страницах, включая рисунки и таблицы. Список литературы включает 82 источника.

ГЛАВА 1 ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ГГЦ ДИАПАЗОНАХ ЧАСТОТ, ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МОЩНОСТЕЙ И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К ИХ РАЗРАБОТКЕ

1.1 Роль фазированных антенных решеток в составе терминалов

спутниковой связи

1.1.1 Краткая характеристика области и условий применения фазированной

антенной решетки

Условия применения разрабатываемых изделий в составе абонентских терминалов (АТ) связаны с особенностями построения перспективной системы спутниковой связи на высокоэллиптической орбите «Экспресс-РВ»[15] и характеристиками бортовой ретрансляционной аппаратуры. Соответствующие характеристики системы по данным из открытых источников (например, (Лок)) приведены в таблице 1.1.

Построение орбитальной группировки иллюстрируется рисунком 1.1. В системе четыре орбитальные плоскости. В каждый момент времени для организации связи используются два космических аппарата (далее - КА): один КА на основном (орбита показана красным цветом), другой на сопряженном витке (то есть КА в первой и третьей или второй и четвертой орбитальной плоскостях).

Соотношения скоростей вращения Земли и движения КА по орбите таково, что КА на основном витке в течение рабочего участка орбиты (±3 часа относительно момента достижения точки апогея) практически постоянно находится в окрестности 75-го меридиана (см. рисунок 1.2).

Таблица 1.1 — Характеристики перспективной системы связи на базе КА «Экспресс-РВ»_

Характеристика Значение характеристики

Тип высокоэллиптической орбиты «Молния»

Большая полуось 26562 км

Эксцентриситет 0,722

Наклонение орбиты 63,4°

Высота апогея 39300 км

Высота перигея 1000 км

Аргумент перигея 270°

Долгота апогея 75°

Количество КА в группировке 4

Разнесение орбит Равномерное через 90°

Полосы частот на линии «космос - Земля» От 10,7 до 11,7 ГГц; от 12,5 до 12,75 ГГц

Полосы частот на линии «Земля-космос» От 12,75 до 13,25 ГГц; от 13,75 до 14,5 ГГц

Количество абонентских лучей 12

Диаграмма направленности каждого абонентского луча Круговая, ширина диаграммы 2,75°

ЭИИМ 54 дБ-Вт на краю луча

Рисунок 1.1 — Построение орбитальной группировки перспективной системы спутниковой связи на высокоэллиптической орбите «Экспресс-РВ»

Проведенный в [1] анализ показал, что:

1) на рабочем участке орбиты положение КА в пространстве относительно наблюдателя на поверхности Земли изменяется в следующих пределах:

а) широта точки проекции КА на Землю от 54,2798° до 63,4° с. ш.;

б) долгота точки проекции КА на Землю от 74,3832° до 75,6168° в. д.;

в) высота над поверхностью Земли от 30924 до 39369 км;

2) в момент смены рабочего КА старый и новый КА имеют достаточно близкое расположение в пространстве (одинаковую широту точки проекции КА (54,2798° с. ш.) на Землю и высоту над поверхностью Земли (30924 км), а также близкие значения долготы от 74,3832° до 75,6168° в. д.).

Для учета указанных особенностей системы «Экспресс-РВ» АТ с установленным на него разрабатываемым изделием должен обеспечивать:

а) слежение за КА;

б) компенсацию доплеровского сдвига частоты и изменения длины радиолинии;

в) бесшовное переключение между КА при смене рабочего КА, а также между лучами одного КА (вследствие многолучевости бортовой антенны КА «Экспресс-РВ»).

С точки зрения управления ФАР наибольший интерес представляют пункты, а) и в), так как пункт б) относится к модему АТ.

Слежение за КА предполагает установку оси антенны АТ в направлении КА по азимуту и углу места. Как показал анализ (Сис), диапазон изменения угла места для территории РФ не превосходит 11° (рисунок 1.3). Для азимута критичными являются изменения при нахождении АТ в точках с долготой, слабо отличающейся от долготы апогея КА (см. рисунок 1.4). Здесь показаны как максимальные (синяя линия), так и минимальные (красная линия) значения азимута. Могут быть выделены три случая изменения азимута (Сис):

На широтах, выше 63,4° с. ш. (граничная широта определяется наклонением орбиты), азимут изменяется слабо в окрестности 180°.

На широтах, ниже 54,3° с. ш. (граничная широта определяется широтой проекции КА на Землю для точек смены рабочего КА), азимут также изменяется слабо (единицы или даже доли градусов влево-вправо от направления на север). В этом смысле диапазон от 0° до 360° на рисунке 1.4 при малых значениях широт показывает, что текущее направление на КА пересекает направление на север.

12

з

Долгота, градусы в.д.

Рисунок 1.3 — Зависимость диапазона изменения угла места от координат АТ

400

I

200 150 100 50 0

Г

1

1

50 55 60 65 70 75 ВО В5

Широта (град.)

Рисунок 1.4 — Диапазон изменения азимута при долготе АТ, слабо отличающейся от долготы апогея КА

В интервале широт от 54,3° до 63,4° с. ш. ввиду наличия петли на рабочем участке орбиты азимут действительно будет изменяться от 0° до 360° при значении угла места около 90°. При слежении за КА антенна каждые 6 часов будет за несколько минут делать оборот вокруг своей оси. Этот эффект вращения антенны, направленной практически вертикально, иллюстрируется рисунком 1.5.

400 — 350 "

300 -?25°-

о.

^200 " г

< 150 -100 -50 -О

500

Рисунок 1.5 — Зависимость азимута от времени при дислокации АТ в точке (60°

с. ш., 75° в. д.)

Относительно бесшовного переключения АТ между КА следует отметить, что смена рабочего КА происходит четыре раза в сутки, в моменты, когда старый рабочий КА прошел точку апогея три часа назад, а новый рабочий КА будет в этой

точке через три часа. Как показали проведенные расчеты (Сис), в эти моменты КА находятся близко друг от друга (они имеют одинаковые широту точки проекции КА на Землю (54,2798° с. ш.) и высоту над поверхностью Земли (30924 км), а также близкие значения долготы от 74,3832° до 75,6168° в. д.). При достаточно широкой диаграмме направленности антенны АТ оба КА одновременно находятся в зоне его радиовидимости (см. рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 — Иллюстрация случая переключения изделия на новый рабочий КА

без перенацеливания антенны

Результаты расчетов угла рассогласования между направлениями на КА от координат АТ при смене рабочего КА для территории РФ представлены на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 — Зависимость угла рассогласования между направлениями на КА от

координат АТ при смене рабочего КА

Максимальное рассогласование имеет место при размещении АТ на широтах от 54° до 55° с. ш. при долготе 75° в. д. Однако и в этом случае оно не превышает 0,87°. Это означает, что, если антенна АТ имеет ширину диаграммы направленности больше или равно 2°, то в случае точного наведения ее на старый рабочий КА при выключении этого КА новый рабочий КА окажется в зоне радиовидимости АТ, то есть необходимости в перенацеливании антенны АТ при смене рабочего КА нет. После включения нового КА система наведения АТ выполнит точную подстройку антенны по азимуту и углу места.

Следует отметить, что в перспективных КА класса Н^ планируется использование более высоких диапазонов частот. В случаях, когда ширину диаграммы направленности антенные АТ будет меньше 0,87°*2=1,74°, а орбита КА будет иметь такие же параметры, как и для «Экспресс-РВ», перенацеливание антенны АТ все же потребуется.

Таким образом, проведенный анализ характеристик перспективной системы спутниковой связи на высокоэллиптической орбите «Экспресс-РВ» и характеристик бортовой ретрансляционной аппаратуры позволил установить следующие особенности применения разрабатываемого изделия в составе АТ:

- угол места в точках, лежащих на траектории проекции орбиты КА на Землю, может принимать значения до 90°;

- диапазон изменения углов места антенны АТ не превышает 11°;

- в интервале широт от 54,3° до 63,4° с. ш. при долготе АТ в окрестности 75° ввиду наличия петли на рабочем участке орбиты азимут будет быстро изменяться на величину до 180° при значении угла места около 90° и, соответственно, при слежении за КА антенна каждые 6 часов будет делать оборот вокруг своей оси;

- при ширине диаграммы направленности антенны АТ не менее 2° необходимости в ее перенацеливании при смене рабочего КА нет.

1.1.2 Особенности применения фазированных антенных решеток в составе терминалов на территории РФ

С целью анализа особенностей применения в составе АТ на территории РФ по периметру страны взяты шесть точек, в том числе самые крайние на западе, востоке и юге страны. Координаты точек представлены в таблице 1.2, а их привязка к карте иллюстрируется рисунком 1.8.

Таблица 1.2 — Координаты точек на границе России, для которых произведена оценка азимутов и углов места в направлении рабочего КА «Экспресс-РВ»

№ точки Широта Долгота

1 69,65 с. ш. 31,17 в. д.

2 54,94 с. ш. 19,99 в. д.

3 41,33 с. ш. 47,79 в. д.

4 42,69 с. ш. 133,11 в. д.

5 66,05 с. ш. 169 з. д.

6 77,61 с. ш. 104,36 в. д.

Для этих точек произведены расчеты азимута и угла места при работе через КА на основном витке (рисунки 1.9 и 1.10 соответственно). Следует отметить, что результаты расчетов могут давать несколько ухудшенный результат, так как в соответствии с данными по характеристикам системы «Экспресс-РВ», существует предварительное распределение участков территории РФ, которые обслуживаются КА на основном и сопряженном витках. Вероятно, окончательный вариант такого распределения не будет ухудшать качество обслуживания отдельных регионов страны. Из рисунков видно, что для всех точек изменение азимута и угла места ограничено, в частности, по азимуту — не более 25°, а по углу места — не более 10°. Это хорошо согласуется с результатами расчетов, приведенными в пункте 1.1.1. Минимальный угол места составляет порядка 30° и относится к самой восточной точке РФ, находящейся в западном полушарии. Фактически, это свидетельствует о достаточно хороших условиях связи и о том, что проблемы

прямой видимости КА могут возникнуть разве что в условиях плотной городской застройки.

Рисунок 1.8 — Точки на границе России, для которых произведена оценка азимутов и углов места в направлении рабочего КА «Экспресс-РВ»

Зависимость азимута от времени

— широта 69.65, долгота 31.17 широта 54.94, долгота 19.99 = широта 41.33, долгота 47.79 широта 42.69, долгота 133.11 широта 66.05, долгота-169.00 ^"широта 77.61, долгота 104.36 -

- -

----

О -1-1-1-1-1-1-1-

О 50 100 150 200 250 300 350 400

Время (мин.)

Рисунок 1.9 — Изменение азимута в направлении КА в зависимости от времени

рабочего участка

Рисунок 1.10 — Изменение угла места в направлении КА в зависимости от

времени рабочего участка

Вместе с тем в пункте 1.1 отмечено наличие в РФ области с неблагоприятными условиями работы АТ вследствие быстрого изменения азимута, который будет быстро изменяться на величину до 180° при значении угла места около 90° и, соответственно, при слежении за КА антенна каждые 6 часов будет делать оборот вокруг своей оси. Эта область показана на рисунках 1.11 и 1.12. На рисунке 1.11 показано место данного участка на карте мира и дана его привязка к проекции орбиты КА на Землю в окрестности точки апогея, а на рисунке 1.12 тот же участок показан крупным планом. Причем детально видна петля орбиты, наличие которой будет приводить к вращению АТ вокруг своей оси каждые 6 часов.

Фактически, при прохождении КА через точку зенита для АТ азимут может изменяться сразу на 180°. Например, если КА перемещается на север на долготе АТ и угол места приближается к 90° (88°, 89°), то азимут сначала равен 180°, а при пересечении точки зенита сразу становится равным 0° (угол места 90° и далее не 91°, а 89° с изменившимся азимутом). Для АТ это означает поворот антенны на

180°, хотя, казалось бы, он явно избыточен. Можно просто дальше развернуть антенну в вертикальной плоскости. Компенсировать этот недостаток позволяет использование другой системы координат, например, иллюстрируемой рисунком 1.13. Здесь АТ находится в точке О в центре некоей воображаемой сферы с произвольным радиусом, которая вводится, чтобы можно было использовать методы сферической геометрии. Для определенности примем, что в исходном положении антенна направлена строго на юг параллельно поверхности Земли (луч ОВ), а КА находится в направлении 05. При наведении АТ на КА по азимуту и углу места повороты антенны осуществляются относительно местной горизонтальной плоскости (или местной вертикали). На рисунке порядок наведения условно показан черными стрелками от В к А (по азимуту, на угол аа) и от А к 5 (по углу места, на угол аум).

Предлагаемая система наведения также имеет две координаты:

- угол поворота точки наведения в плоскости меридиана (от точки В к точке С). Обозначим этот угол (рм, <рмможет изменяться от 0° до 180°. При таком повороте привязанная к АТ горизонтальная плоскость и привязанная к АТ вертикаль также поворачиваются на угол На рисунке 1.13 отклонение вертикали АТ от местной вертикали иллюстрируется красной и черной пунктирными линиями;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Прохоров Сергей Юрьевич, 2025 год

- -

----

О -1-1-1-1-1-1-1-

О 50 100 150 200 250 300 350 400

Время (мин.)

Рисунок 1.9 — Изменение азимута в направлении КА в зависимости от времени

рабочего участка

Рисунок 1.10 — Изменение угла места в направлении КА в зависимости от

времени рабочего участка

Вместе с тем в пункте 1.1 отмечено наличие в РФ области с неблагоприятными условиями работы АТ вследствие быстрого изменения азимута, который будет быстро изменяться на величину до 180° при значении угла места около 90° и, соответственно, при слежении за КА антенна каждые 6 часов будет делать оборот вокруг своей оси. Эта область показана на рисунках 1.11 и 1.12. На рисунке 1.11 показано место данного участка на карте мира и дана его привязка к проекции орбиты КА на Землю в окрестности точки апогея, а на рисунке 1.12 тот же участок показан крупным планом. Причем детально видна петля орбиты, наличие которой будет приводить к вращению АТ вокруг своей оси каждые 6 часов.

Фактически, при прохождении КА через точку зенита для АТ азимут может изменяться сразу на 180°. Например, если КА перемещается на север на долготе АТ и угол места приближается к 90° (88°, 89°), то азимут сначала равен 180°, а при пересечении точки зенита сразу становится равным 0° (угол места 90° и далее не 91°, а 89° с изменившимся азимутом). Для АТ это означает поворот антенны на

180°, хотя, казалось бы, он явно избыточен. Можно просто дальше развернуть антенну в вертикальной плоскости. Компенсировать этот недостаток позволяет использование другой системы координат, например, иллюстрируемой рисунком 1.13. Здесь АТ находится в точке О в центре некоей воображаемой сферы с произвольным радиусом, которая вводится, чтобы можно было использовать методы сферической геометрии. Для определенности примем, что в исходном положении антенна направлена строго на юг параллельно поверхности Земли (луч ОВ), а КА находится в направлении 05. При наведении АТ на КА по азимуту и углу места повороты антенны осуществляются относительно местной горизонтальной плоскости (или местной вертикали). На рисунке порядок наведения условно показан черными стрелками от В к А (по азимуту, на угол аа) и от А к 5 (по углу места, на угол аум).

Предлагаемая система наведения также имеет две координаты:

- угол поворота точки наведения в плоскости меридиана (от точки В к точке С). Обозначим этот угол (рм, <рмможет изменяться от 0° до 180°. При таком повороте привязанная к АТ горизонтальная плоскость и привязанная к АТ вертикаль также поворачиваются на угол На рисунке 1.13 отклонение вертикали АТ от местной вертикали иллюстрируется красной и черной пунктирными линиями;

- угол поворота относительно вертикали АТ (от точки С к точке 5). Обозначим этот угол , может изменяться от минус 90° до 90° (при граничных значениях (минус 90° и 90°) направление прицеливания антенны лежит в местной горизонтальной плоскости).

Рисунок 1.11 — Участок территории РФ с неблагоприятными условиями работы АТ на карте мира с отмеченной проекцией орбиты КА «Экспресс-РВ» на Землю

Рисунок 1.12 — Участок территории РФ с неблагоприятными условиями работы

АТ крупным планом

Рисунок 1.13 — Альтернативная система координат для наведения АТ (красный

цвет)

Принципиальным отличием систем координат является то, что второй поворот в новой системе выполняется относительно наклоненной вертикали АТ (а не местной вертикали).

Для использования новой системы координат в АТ (в которой механика допускает отклонение условной вертикали и поворот относительно нее точки наведения) необходимо уметь пересчитывать общепринятые параметры наведения

(«а и «ум) в ^м и ^в.

Сферические треугольники Л5Б и С5Б являются прямоугольными. Дуга —ЛБ равна аа, дуга —Д5 равна аум. Дуга —БС равна дуга —С5 равна . Пусть дуга —Б5 равна у. По теореме Пифагора для сферических треугольников имеем

cos aa • cos аум = cos 7, (1.1)

cos • cos = cos у (1.2)

Соответственно,

cos аа • cos аум = cos • cos (1.3)

7 = arccos(cos аа • cos аум). (1.4)

Пусть угол ЛБ5 равен Д. По сферической теореме синусов для сферического треугольника ЛБ5

sin у =

sin «уМ (1.5)

sin^

или

. /sin аум\ (1.6)

В = arcsin í-—).

V sin y /

Учитывая, что угол ЛБС прямой, по сферической теореме синусов для сферического треугольника 5БС имеем

sin^B (1.7)

sin 7 =--

cos р

или

= arcsin(sin7 • cos Д). (1.8)

Теперь из (2) с учетом (8) можно найти и

/cos7\ (1.9)

= arccos í-). v 7

Vcos

Здесь следует иметь в виду, что аа не азимут, а угол с направлением на юг, то есть азимут равен (180° — аа). Величина аа изменяется в диапазоне от минус 180° до 180°.

Следует также отметить, что в полученных соотношениях фактически используется не аа, а модуль аа. Однако, правило учета знаков достаточно простое — параметр всегда положителен, имеет тот же знак, что и аа.

Убедимся теперь с помощью полученных соотношений, что для приведенного в начале примера (КА перемещается на север на долготе АТ и пролетает над АТ) при использовании новой системы координат изменение параметров происходит без скачка, то есть последовательно принимает значения 89°, 90° и 91° (см. таблицу 1.31.з).

Таблица 1.3 — Результаты расчета

Азимут «а ^ум У Р ^в ^м

180° 0° 89° 89° 90° 0° 89°

- - 90° 90° 90° 0° 90°

0° 180° 89° 180°-89°=91° 90° 0° 91°

Из таблицы видно, что скачкообразное изменение параметров наведения отсутствует. Новая система координат свободна от недостатка традиционной системы координат (азимут, угол места).

Алгоритм подготовки целеуказаний для двигателей АТ включает:

1) вычисление азимута и угла места для антенны АТ по координатам АТ (широте и долготе) и координатам КА (широте и долготе точки проекции на Землю и высоте) по известным соотношениям;

2) преобразование азимута и угла места в новые координаты с использованием полученных соотношений.

Таким образом, проведенный анализ условий применения разрабатываемых изделий в составе АТ на территории РФ показывает, что даже для крайних точек РФ, лежащих в западном полушарии, угол места будет составлять не менее 30°. Его изменения в течение часа не превосходят нескольких градусов. Для исключения проблем с необходимостью резкого изменения азимута при нахождении АТ в неблагоприятной области (в интервале широт от 54,3° до 63,4° с. ш. при долготе АТ в окрестности 75°) целесообразным является использование альтернативных систем координат, к примеру, описанной в настоящем разделе.

Абонентские терминалы (далее - АТ) - это наземные технические средства, предназначенные для работы в спутниковых сетях с космическим аппаратом «Экспресс-РВ» и являющиеся составной частью наземного связного комплекса космической системы «Экспресс-РВ». Он предназначен для работы в спутниковых сетях с космическим аппаратом «Экспресс-РВ» со скоростями до 30 Мбит/с в прямом и до 1 Мбит/с - в обратном каналах.

Состав типового АТ:

а) фазированная антенная решетка;

б) трансивер;

в) двухосевое ОПУ;

г) радиопрозрачный обтекатель (далее - РПО);

д) система наведения;

е) модем.

Основные технические характеристики АТ представлены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 — Основные технические характеристики АТ

Параметр Значение параметра

ЭИИМ, дБ-Вт не менее - 42,5

Добротность, дБ/К не менее - 8,5

Выходная мощность трансивера, Вт не менее - 10

Частотный диапазон, МГц От 10 700 до 11 700 (приём) От 13 750 до 14 500 (передача)

Поляризация Круговая правая (приём) Круговая левая (передача)

Режимы работ SCPC; TDM/TDMA Star

Поддержка протоколов На основе DVB-S2 с адаптивным кодированием и модуляцией

Виды демодуляции/модуляции QPSK, 8PSK, 16APSK 32APSK

Коэффициент скругления спектра, % 5 % или 20 %

1.2 Описание и обоснование выбора конструкции фазированной антенной

решетки

1.2.1 Обоснование и выбор конструкции элемента ФАР на основе анализа известных аналогов (отечественных или зарубежных)

Развитие технологий разработки и производства радиоэлектронных компонентов в последние десятилетия привело к развитию спутниковой связи и вещания, совершенствованию методов и способов их организации, повышению характеристик как космического, так и наземного оборудования спутниковой связи. Естественным результатом такого развития стало расширение сферы применения средств спутниковой связи - предоставление услуг спутниковой связи и приема программ спутникового телевещания в движении, применение переносимых спутниковых земных станций (абонентских терминалов), обеспечивающих доступ в высокоскоростные мультисервисные сети.

Необходимость минимизации габаритов и массы земных станций и абонентских терминалов определяет мировой тренд на технологический переход

от использования антенн с малогабаритными параболическими рефлекторами к антеннам, выполненным в виде антенных решеток.

К сожалению, в открытой литературе информации о выпускаемых в России и за рубежом антенных системах с антеннами, выполненными в виде антенных решеток, недостаточно. Это весьма затрудняет технически и экономически обоснованный подбор необходимого оборудования.

В настоящее время можно выделить следующих производителей антенных систем данного типа в Ku-диапазоне:

- Gilat Satellite Networks Ltd. (Израиль)[16];

- SATPRO M&C Tech Co., Ltd. (КНР)[17];

- ООО «Технологии радиосвязи» (Россия) [18].

Следует отметить, что на данный момент антенны, выполненные в виде антенных решеток, и антенные системы с данными антеннами серийно не выпускаются, производятся единичные экземпляры с использованием импортных комплектующих. Антенн и антенных систем данного класса в Едином реестре российской радиоэлектронной продукции и в Реестре телекоммуникационного оборудования, которому присвоен статус телекоммуникационного оборудования российского происхождения, (ТОРП) не зарегистрировано. Данная разработка будет 100% отечественной. Работы по включению в реестр ТОРП (или ЕРРП) будут проведены на этапе серийного выпуска.

В данной работе изучены основные способы и особенности разработки ФАР Ku-диапазона с использованием современных диэлектрических материалов. Учитывая требования к АТ, ФАР должна обеспечивать прием и передачу сигналов с круговой поляризации сигналов в заданном диапазоне частот, обладать требуемым согласованием, а также обеспечивать электронное сканирование в одной плоскости. Основные требования к электрическим характеристикам разрабатываемой ФАР представлены в таблице 1.5.

ФАР должна обладать следующими техническими характеристиками:

- диапазон рабочих частот на прием от 10950 до 11700 МГц, на передачу от 14000 до 14250 МГц;

- минимальный коэффициент усиления в диапазоне сканирования - не менее 32 дБ на прием и не менее 34 дБ на передачу;

- кроссполяризационная развязка в контуре диаграммы направленности с ослаблением 0,5 дБ (от максимума) - не менее 23 дБ;

- КСВ - не более 1,5;

- скорость сканирования по углу места антенн не менее 150 °/с.

- Ряд дополнительных требований по надежности и эксплуатации [19-24] Основные технические характеристики разрабатываемой ФАР находятся на

уровне лучших зарубежных и отечественных аналогов[25-30].

Таблица 1.5 — Основные технические характеристики ФАР

Параметр Значение параметра

Тип поляризации Правая круговая на передачу Левая круговая на прием

Диапазон частот на прием, МГц От 10950 до 11700

Диапазон частот на передачу, МГц От 14000 до 14250

Диапазон сканирования ± 45°

Минимальный коэффициент усиления в диапазоне сканирования на прием, дБ 32

Минимальный коэффициент усиления в диапазоне сканирования на передачу, дБ 34

Кроссполяризационная развязка в контуре диаграммы направленности с ослаблением 0,5 дБ (от максимума), дБ; Не менее 23

КСВ Не более 1,5

Скорость сканирования по углу места антенн, °/с. 150

Максимальная мощность, подводимая к антенне, Вт. Не более 16

Следует отметить, что на сегодняшний день в России отсутствует полностью отечественное изделие, все антенные системы ^-диапазона с антеннами, выполненными в виде антенных решеток, локализацией иностранных изделий, за исключением, возможно, антенных систем специального назначения, сведения о которых в открытом доступе отсутствуют.

1.2.2 Описание и обоснование основных технических решений на разработку

ФАР для терминалов спутниковой связи

Антенная система представляет из себя систему из двух раздельных антенных полотен: приемное и передающее. При этом каждое полотно имеет в составе две подрешетки. Данное разделение в основном обусловлено двумя пунктами:

- унификация изделия — возможность комбинирования различного числа подрешеток под различные задачи;

- ограничения производственных предприятий, у которых, как правило, максимальная размерность многослойной печатной платы находится в пределах до 40 см. Функциональная схема антенной системы представлена на рисунке 1.14.

Рисунок 1.14 — Функциональная схема антенной системы

Каждая подрешетка включает:

- матрицу антенных элементов;

- микроконтроллер;

- цепь преобразователей питания;

- модуль сумматора.

Микроконтроллер осуществляет выставление требуемого амплитудно-фазового распределения (кадра).

Преобразователь питания формирует набор требуемых для устройства напряжений питания, их фильтрацию и контроль.

Модуль сумматора — выполняет функцию объединения сигнала с подрешеток в один выход.

Конфигурация и параметры подрешеток антенной системы представлена на рисунке 1.15.

Приемная подрешетка 1 (Master) Конфигурация 20 х 24 АЭ Шаг решетки 16X14 мм Габарит 322 х 315 мм КУ 32.2 / 30 дБи (Нормаль / 45 градусов) Приемная подрешетка 2 (Slave) Конфигурация 20 х 24 АЭ Шаг решетки 16X14 мм Габарит 322 х 31 5 мм КУ 32.2 / 30 дБи (Нормаль / 45 градусов)

Передающая подрешетка 1 (Master) Конфигурация 26 х 24 АЭ Шаг решетки 12X11 мм Габарит 253 х 315 мм КУ 33.1 / 31.4 дБи (Нормаль / 45 град) Передающая подрешетка 2 (Slave) Конфигурация 26 х 24 АЭ Шаг решетки 12X11 мм Габарит 253 х 315 мм КУ 33.1 / 31.4 дБи (Нормаль / 45 град)

Рисунок 1.15 — Конфигурация и параметры подрешеток

1.3 Выводы по первой главе

Исходя из современных требований и условий применения ФАР в составе АТ с учетом особенностей построения перспективной системы спутниковой связи на высокоэллиптической орбите «Экспресс-РВ» перспективной является разработка компактных высокоэффективных ФАР, обладающих малыми размерами, весом и другими особенностями конструкции, элементы которых разработаны на основе метаповерхностей и метаматериалов. Такие ФАР должны обладать высоким коэффициентом усиления в широкой полосе частот. Разрабатываемая ФАР предназначена для применения в составе терминалов спутниковой связи в качестве

устройства, осуществляющего прием и передачу радиосигналов Ки-диапазона частот через спутник-ретранслятор. ФАР должна обеспечивать прием и передачу сигналов с правой и левой круговой поляризацией сигналов в заданном диапазоне частот, а также обеспечивать электронное сканирование.

Антенная система должна состоять из двух раздельных антенных полотен -приемного и передающего. При этом каждое полотно должно иметь в составе две подрешетки. Данное разделение в основном обусловлено двумя факторами:

- необходимость унификации изделия — возможность комбинирования различного числа подрешеток под различные задачи;

- ограничения производственных предприятий, у которых как правило, максимальная размерность многослойной печатной платы находится в пределах до 40 см.

Для разработки фазированной антенной решетки для абонентских терминалов системы спутниковой связи должен быть проведен анализ современных численных методов электродинамики, позволяющих решать различные сложные задачи электродинамики, в том числе разработку как элементов, так и самих ФАР.

Исходя из вышеперечисленного, использование в качестве элемента ФАР структур на основе патч элементов, позволяющих снизить габариты и одновременно повысить энергетические характеристики фазированных антенных решеток, актуальны для применения в составе терминалов спутниковой связи в качестве устройства, осуществляющего прием и передачу радиосигналов Ки-диапазона частот, является весьма актуальной задачей.

ГЛАВА 2 ОБЗОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МЕТОДОВ РАСЧЕТА, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК ДЛЯ БАЗОВЫХ ТЕРМИНАЛОВ СПУТНИКОВОЙ

СВЯЗИ ГГЦ ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ

2.1 Методы численного эксперимента

2.1.1 Обзор численных методов решения задач электродинамики

В настоящее время существуют различные численные методы решения задач электродинамики, реализованные в таких коммерческих программных продуктах, как: CST Studio Suite, COMSOL Multiphysics или Ansys HFSS[31,32]. Эти прикладные программы позволяют решать различные задачи, включающие как расчет антенн и различных диапазонов, так и моделирование всевозможных электродинамических процессов.

Ключевое преимущество подобных программных комплексов состоит в том, что электродинамические алгоритмы уже интегрированы в пакет, а пользователю необходимо лишь выбрать соответствующий метод расчета, определить начальные параметры (при необходимости используя элементы встроенных библиотек материалов и готовых решений), и указать нужные граничные условия. После этих действий становится возможным формирование исходной модели антенны для последующей оптимизации или решение других электродинамических задач[33].

Такие программные решения обеспечивают выполнение различных вычислений с возможностью экспорта полученных данных в сторонние приложения, что существенно ускоряет процессы обработки информации и достижения необходимых результатов.

Дополнительным преимуществом коммерческих программных пакетов является наличие встроенных алгоритмов оптимизации, которые автоматически определяют оптимальные конфигурации и структуры с учетом заданных исходных требований и ограничений.

Перечисленные программные инструменты позволяют получать

необходимые результаты, включая частотные характеристики (S- и Z-параметры), распределение амплитуд и составляющих электромагнитного поля, а также другие электрические параметры антенных систем. Выбор конкретного метода решения определяется спецификой поставленной задачи [3,31,34-45].

В данной работе для расчетов применяется программный пакет CST Studio

Suite.

Далее будут рассмотрены основные методы решения задач электродинамики, используемые для достижения поставленных задач в диссертационной работе, это такие численные методы, как: Time Domain Solver (метод конечных разностей во временной области (КРВО)), Frequency Domain Solver (метод конечных элементов (МКЭ)) и Integral Solver (метод моментов (ММ))[46].

Метод моментов (Method of Moments, MоM) был первоначально сформулирован в середине XX века и представляет собой один из первых численных методов в электродинамике. Этот метод предназначен для решения интегральных уравнений, изначально применявшийся к тонкопроволочным излучающим и рассеивающим системам, а впоследствии адаптированный и для сплошных проводящих объектов.

В современной практике метод моментов сохраняет широкую популярность. На его основе разработано значительное количество как коммерческих, так и свободно распространяемых программных продуктов и алгоритмов. Метод демонстрирует высокую эффективность при анализе проводящих тел и проволочных конструкций с произвольной пространственной ориентацией. Благодаря ему стало возможным определять распределение тока по прямым или изогнутым проводникам, диаграммы направленности, коэффициенты усиления, входные сопротивления проволочных антенн, а также влияние окружающих объектов на характеристики направленности. Теоретический фундамент этого метода тесно связан с классическими подходами, включая метод наводимых ЭДС и теорию длинных линий [33].

Принцип функционирования метода моментов (ММ) основан на общем для сеточных методов процессе дискретизации исследуемой структуры и применении

базисных и пробных функций для преобразования исходного интегрального уравнения в систему линейных алгебраических уравнений (СЛАУ). Решение данной системы позволяет определить неизвестные токи в сегментах, составляющих модель излучающей системы. При расчете диаграммы направленности (ДН) может использоваться модель возбуждения в виде бесконечно малого зазора (уравнение Галлена). Для определения более сложных электрических характеристик, таких как входное сопротивление или проводимость, наиболее эффективна модель возбуждения в виде кольцевого магнитного тока, характерная для уравнения Поклингтона.

Ключевым элементом метода является формирование матрицы взаимных импедансов, учитывающей взаимное расположение сегментов, на которые разделяется исследуемая система (ИС). Также необходим учет граничных условий для касательных составляющих вектора электрического поля на идеальном проводнике в зависимости от пространственной ориентации исследуемой системы. Вектор правых частей СЛАУ отражает воздействие источника (модели возбуждения) на один или все сегменты. При этом матрица импедансов должна быть квадратной и хорошо обусловленной для предотвращения сингулярности и обеспечения надлежащей сходимости решения. ММ подробно описан в [3], а также в других источниках.

Метод конечных элементов (МКЭ) появился в середине XX века как способ решения уравнений в области теории упругости и механики сплошных сред. Изначально он базировался исключительно на вариационных принципах, которые заключаются в поиске минимума специального интегрального выражения, именуемого функционалом. Ключевая задача вариационного исчисления заключается в определении такой функции, при которой любое бесконечно малое изменение этой функции не влияет на величину определенного интеграла от нее. Математическое обоснование МКЭ, опирающееся на вариационные принципы в контексте электродинамики, впервые было разработано П. Сильвестром и Р. Феррари, которые применили МКЭ для решения электростатических и магнитостатических задач через уравнения Лапласа и Пуассона [5]. Внедрение

методов взвешенных невязок существенно расширило возможности МКЭ, дополнив вариационный принцип и устранив его главный недостаток - сложность или невозможность определения необходимого функционала для некоторых практических задач. Это значительно увеличило спектр инженерных задач, поддающихся решению данным методом.

Программная реализация метода конечных элементов характеризуется высокой сложностью, преимущественно из-за трудностей, связанных с формированием и представлением элементной сетки. Тем не менее, ценность метода для электродинамических задач настолько велика, что его развитием занимаются целые научно-исследовательские учреждения.

В настоящее время метод существует в двух основных вариантах: традиционный узловой МКЭ и векторный МКЭ. При этом узловой метод обладает существенным ограничением - нестабильностью при решении векторных задач для неоднородных сред, поскольку возникают значительные сложности при реализации граничных условий для векторов поля на границах сред с резко различающимися электрофизическими параметрами [6,47]. Тем не менее, любые задачи электродинамики узловым МКЭ решаются достаточно эффективно. Узловой МКЭ чаще применяется для двумерных задач, с его помощью решаются за меньшее время с приемлемой точностью, получаемые матрицы обладают хорошей обусловленностью, что говорит о пользе его применения. Примером может служить решение задач оптимизации параметров осесимметричных антенн, где достаточно рассмотреть двумерную скалярную задачу, однако требующую большое число итерационных шагов.

Векторный МКЭ применяется и для однородных, и для неоднородных задач, однако получаемые матрицы в силу резко меняющихся параметров сред соседних элементарных подобластей (конечных элементов) почти сингулярны. Это требует специальных алгоритмов их обращения и контроля сходимости. Тем не менее, за счет лучшей физической реализации граничных условий, в основном, в практических приложениях используют именно его.

Рассмотренные выше метод моментов и метод конечных элементов на первый взгляд могут полностью удовлетворить потребности исследователя при решении электродинамических задач. Однако существуют задачи, в которых требуется задавать другой тип моделей возбуждения - импульсный (нестационарный) источник. Кроме этого, сложность в постановке граничных условий при переходе ЭМВ на границе раздела сред с различными параметрами может привести к ошибкам в расчетах (при некоторых условиях). Все вышеперечисленные проблемы могут быть решены при использовании метода конечных разностей во временной области (КРВО) (Finite Difference Time Domain Method, FDTD, англ.). Данный метод берет свое развитие от простейшего сеточного метода конечных разностей - одного из первых численных методов, появившегося примерно в то же время, что и ММ.

В своей классической постановке метод КРВО основан на дискретизации уравнений Максвелла и представляет собой развертывающийся во времени процесс, в ходе которого реальные непрерывные волны имитируются дискретными числовыми величинами, которые хранятся в памяти ЭВМ. Кроме простоты постановки, метод КРВО обладает несомненными преимуществами в плане моделирования электродинамических объектов с неоднородными, анизотропными и нелинейными средами с произвольными формами границ. Простейшая постановка метода КРВО предполагает использование эквидистантой сетки.

Пример расчетной области элементарной ячейки и временного процесса взаимодействия электрического и магнитного поля (см. рисунок 2.1) впервые был предложен Кейном Йи [48].

Рисунок 2.1 — Расположение компонентов электрических и магнитных полей в трехмерной шахматной сетке, называющейся ячейка Йи Каждая составляющая вектора магнитного поля окружена четырьмя

циркулирующими составляющими вектора электрического поля, и наоборот. Такое расположение позволяет реализовать не только центрально-разностный аналог пространственных производных вихревых уравнений, но и естественную геометрию для воспроизведения интегральной формы законов Фарадея и Ампера на уровне пространственной ячейки. Суть метода КРВО заключается в следующем: в некоторый момент времени £0 выполняется расчет всех компонент электрической составляющей ЭМП внутри и на границах дискретизированной области пространства; после этого определяются все компоненты магнитной составляющей ЭМП. Последнее начинается в момент, соответствующий £ + 0,5Д£, и ко времени

£ = (п + 1)Д£ завершается один цикл расчета составляющих ЭМП в объеме,

содержащем объект исследования. Момент, соответствующий £ = (п + 1)Д£,

является началом расчетов на новом временном интервале (рисунок 2.2). Процесс продолжается до тех пор, пока счетчик временных интервалов не достигнет предельного значения или не наступит некоторое событие (например, достижение фронтом ЭМВ заданной точки пространства).

г н

У н х

У н х

(Ш)

т)

'0

г

г0+0.5Аг

г+Аг

г0+1.5 Аг

Ег Еу

Еу

(Ш)

Ег Еу

Еу

(Ш)

Рисунок 2.2 — Процесс временной дискретизации (в декартовой системе

координат)

Важным обстоятельством является то, что все компоненты электрических и магнитных составляющих ЭМП существуют в узлах только своих пространственных решеток, с шагами дискретизации А х, А у, А 2 вдоль соответствующих координатных осей, для трехмерной области. Решетки разнесены друг от друга на расстояние, равное половине шага в положительном либо отрицательном направлении отсчета. Определение величин напряженностей электрического и магнитного поля в узлах пространственных решеток осуществляется также в двух системах отсчета времени с интервалом дискретизации А и разносом вдоль временной оси, равным 0,5 Аг [3,9,49-52].

2.1.2 Обоснование выбора численного метода расчета ФАР для базовых

терминалов спутниковой связи

Все перечисленные выше методы могут с успехом применяться в различных задачах электродинамики [53-61]. У каждого метода есть свои достоинства и недостатки. Однако, учитывая метод аппроксимации различных объектов, в МКЭ появилась возможность эффективно учитывать любые неоднородности, находящиеся в непосредственной близости к рассчитываемой модели излучателя, а также стало возможным проводить анализ влияния таких неоднородностей на

н

г

н

н

у

У

У

г

Е

Е

г

Е

Е

Е

Е

Е

У

параметры рассчитываемой модели. Метод конечных элементов может применяться для достаточно обширного списка номиналов частот: размер элементарной ячейки привязывается к длине волны. Появилась возможность моделирования не только излучателя, но и линии его питания, вне зависимости от ее типа (волновод, микрополосковая линия, коаксиальный кабель, симметричная линия и др.). Это делается для исследования влияния линии передачи на диаграмму направленности и другие антенные характеристики. МКЭ позволяет моделировать антенные решетки, сложные интегрированные схемы с излучающими частями, пассивные СВЧ-устройства. Универсальность уравнений метода конечных элементов позволяет решать даже мультифизические задачи, например, исследовать влияние температуры окружающей среды на некоторые характеристики антенн.

В то же время МКЭ всегда ограничен наличием расчетной области определенного размера, т.е. для решения объемных задач требуется большой ресурс ЭВМ; поэтому в случае моделирования электрически больших и сложных антенных систем (например, зеркальных антенн) метод становится неэффективным. Кроме того, задачи, в которых разница в размерах конечных элементов может составлять несколько порядков, могут вообще быть неразрешимыми, т.к. сходимость метода зависит от соотношения размеров конечной ячейки к длине волны (задачи тонких погруженных в неоднородную среду проводов, метаматериалы). Метод моментов, учитывая лишь поверхность излучающей системы, в этом случае позволяет решать такие задачи, ведь при определенных условиях тонкопроволочная аппроксимация может применяться и к сплошным металлическим поверхностям, а электрические размеры проволок могут варьироваться в широких пределах; кроме того, современные варианты метода моментов могут учитывать даже неоднородности, являющиеся частью антенной системы. Исследование переходных процессов также остается за гранью возможностей МКЭ. Учет нестационарных источников для МКЭ требует расчета на большом числе номиналов частот и дальнейшего преобразования Фурье, что существенно уменьшает точность и замедляет процесс расчета.

Метод конечных элементов на современном этапе имеет две вариации -узловой МКЭ и векторный МКЭ. Конкурируют эти вариации только внутри самого метода, т.к. оба подхода отличаются, в основном, видом базисных функций. Что один, что другой подход отличаются сложными алгоритмами построения локальных и глобальных матриц жесткости и векторов правых частей СЛАУ, поэтому в главе были рассмотрены наиболее содержательные и простые примеры.

Широкое применение метод получил в программном пакете CST Studio Suite. Расчеты данным методом имеют высокую сходимость с экспериментами. Для проведения расчетов и получения требуемого результата целесообразно воспользоваться именно методом конечных элементов.

2.2 Методы изготовления антенных устройств

В современной практике наиболее часто используются три метода изготовления элементов ФАР: механический, химический и аддитивный. Рассмотрим их более детально.

2.2.1 Механические и химические методы

Базовым методом, применяемым при изготовлении апертурных и патч-антенн, является операция фрезерования на станках с числовым программным управлением (ЧПУ)[62]. Современные ЧПУ-станки позволяют изготавливать составные части антенных элементов и линии питания антенных устройств, применяемых в СВЧ диапазоне. Существенным недостатком такого производства является дороговизна производства и оборудования [63]. Кроме того, некоторые конструкции сложной геометрической формы могут быть изготовлены лишь по частям, что при их сборке приведет к дополнительным энергетическим потерям. При изготовлении антенн на фрезерном станке остается большое количество отработанного материала, в таком случае переход к аддитивным технологиям позволит экономить как на материале, так и стоимости производства. Также стоит

отметить высокую точность изготовления деталей, что позволяет изготавливать антенные элементы для диапазона 75-110 ГГц и выше[33]. Образец щелевой антенны и схемы питания, изготовленных с точностью ±0.02 мм, представлен в работе [64].

Во многих случаях для создания антенн определенной требуемой формы может применяться лазерная резка металла, но такая резка имеет определённые ограничения при создании планарных антенн. Рефлекторные антенны могут изготавливаться или с помощью гидравлической формовки, или с использованием стекловолокна или карбона для формирования апертуры, а аддитивные технологии здесь могут быть использованы лишь при изготовлении небольших элементов. Простые антенные элементы могут изготавливаться с помощью гибки и пайки медной или латунной проволоки, но и этот подход из-за точности изготовления имеет ограничение по частотам и его использование в СВЧ и более высоких частотных диапазонах не целесообразно [33].

Химическое травление печатных плат антенн с помощью FeQз является ещё одним наиболее распространённым классическим методом изготовления, такой метод является способом изготовления многослойных плат. Однако это ограничение может быть преодолено путем многослойной склейки из печатных плат, что позволяет создавать квазиобъемные структуры, но при этом возрастают энергетические потери в изготовленном таким образом композитном слое. Тем не менее, при всех своих недостатках такой метод демонстрирует высокую точность изготовления и может быть применен в самых разных задачах в КВЧ диапазоне. Таким методом может быть изготовлено огромное количество различных планарных антенн и их компонентов, например: диполи, рамочные антенны, разомкнутые кольцевые резонаторы, сложные планарные структуры метаматериалов и метаповерхностей, патч-антенны [11,64] и другие.

2.2.2 Альтернативные методы изготовления антенн

В качестве инновационного подхода к производству антенн рассматривается аддитивная технология, реализуемая в два этапа: создание антенного каркаса из

полимерно-металлического композита с использованием фотополимерной 3D-печати и холодного литья, с последующим избирательным нанесением металлического покрытия на каркас[65-68]. Данный метод обеспечивает высокоточное изготовление базовой структуры (с точностью до 10 мкм), а процесс селективной металлизации гарантирует равномерное покрытие конструкции [33].

Технологии аддитивного производства сложных трехмерных структур открывают возможности для создания ранее технически нереализуемых антенных конфигураций. При этом 3D-принтеры, работающие по принципу моделирования методом трёхмерного наплавления (FDM), становятся всё более экономически доступными. Существуют также установки для трехмерной печати металлом, способные создавать сложные объемные конструкции, однако такое оборудование остается высокозатратным и требует специализированного обслуживания, хотя и обеспечивает исключительно высокую точность изготовления.

Аддитивные производственные технологии создают новые перспективы в исследовании трехмерных волноведущих и СВЧ-антенных конструкций, демонстрирующих значительные преимущества по сравнению с традиционными планарными структурами. Прецизионное формирование композитных материалов с различными компонентами или внутренними полостями позволяет целенаправленно модифицировать электрические характеристики и достигать заданных параметров. В современной электродинамике этот подход тесно связан с концепцией метаматериалов. Благодаря аддитивным технологиям и новым производственным возможностям стало реальным создание инновационных антенных элементов сложной геометрической конфигурации с улучшенными электрическими показателями [33].

2.3 Методики и особенности проведения испытаний макетов ФАР 2.3.1 Технологические особенности изготовления ФАР

Базовый состав макета модуля фазированной антенной решетки может включать следующие основные составные части:

1) многослойная печатная плата;

2) микросхемы для формирования луча Xphased TRHJ-2011 для приемной решётки;

3) микросхемы для формирования луча Xphased TRHJ-2041 для передающей решётки;

4) ЭКБ в соответствии с файлом спецификации.

Многослойная печатная плата изготавливается в несколько этапов. На первом этапе на исходную печатную плату из материала WL-CT338 наносится позитивный или негативный фоторезист и осуществляется его экспонирование для проявления и последующего травления. Следующим шагом является удаление лишнего фоторезиста. После удаления фоторезиста происходит оксидирование металлизации для лучшей адгезии при склейке слоёв. Склейка происходит с помощью препрега, в данном случае — WL-PP350, и последующего процесса холодного и горячего прессования. Следующим шагом является изготовление сквозных отверстий на станке с ЧПУ. Далее полученные отверстия металлизируются с помощью химического и гальванического осаждения меди. В дальнейшем могут подготавливаться дополнительные слои, изготавливаемые схожим образом и склеенные с помощью дополнительных слоёв препрега. На сайте компании Резонит представлен пошаговый процесс изготовления печатных плат.

Следует добавить, что плата с директорами устанавливается над основной печатной платой на удалении около 2 мм, чтобы обеспечить крепление платы с директорами. Для этого могут быть использованы пластиковые крепления, изготовленные на 3D принтере. При этом рекомендуется использовать заполнение не более 20 % для минимизации влияния на характеристики антенны.

Микросхемы бимформеров Xphased TRHJ-2011 и TRHJ-2041 имеют тип разъема BGA, пайка которого может осуществляться с помощью паяльного фена при установке одиночного чипа, или при помощи специализированной автоматической паяльной станции.

Следует отметить, что макет приемной фазированной решетки также комплектуется отладочной платой Xphased ТКШ-20П, предназначенной для проверки настроек и отладки формирователей луча.

Пайка ЭКБ может осуществляться вручную при наличии паяльного фена и паяльников с соответствующим диаметром жала, например, 0,3 мм для пайки элементов типоразмера 0402, и более крупных жал для пайки элементов большего размера. Однако при пайке подобных компонентов рекомендуется использование автоматизированных паяльных станций.

В дополнение следует отметить, что уменьшенные макеты комплектуются коаксиальными SMP-разъемами Amphenol КГ 925-1441-51Р для прямого подключения измерительного оборудования.

Итоговый макет фазированной антенной решетки оснащается активным охлаждением, состоящим из радиатора охлаждения и вентиляторов. Радиатор имеет прилегание к поверхности микросхем с помощью эластичных термопрокладок.

Электронная плата устанавливается в корпус контроллера ФАР и обеспечивается разъемами питания и соединительными кабелями подключения к ФАР и к опорно-поворотному устройству по интерфейсу иАКТ. Подача питания макета модуля контроллера ФАР осуществляется от внешнего лабораторного блока питания.

Встроенное ПО макета модуля контроллера представляет из себя систему управления гиростабилизацией и поиском спутника при помощи отправки управляющих команд по двум протоколам. Основная задача отработки макета модуля контроллера ФАР состоит в обеспечении согласования взаимодействия всех устройств (ОПУ, ФАР и контроллер ФАР) и проверке работоспособности и надежности соединения в обозначенных режимах работы.

2.3.2 Методика проведения испытаний макетов модулей ФАР

Для оценки работоспособности макетов оценивается КСВ. По КСВ определяется соответствие целевой рабочей полосы частот макетов, а также

подтверждается правильность применяемых методик расчёта ФАР в электродинамическом моделировании. Также оценивается изоляция между антенными элементами для подтверждения минимизации связи между соседними элементами в результате выбора шага решетки.

Методика определения частотного диапазона (методика измерения КСВ).

Рабочие частотные диапазоны приемной и передающей антенной решетки определяются по уровню КСВ или коэффициенту отражения, эквивалентному этому КСВ. Измерения КСВ необходимо проводить для всех изготавливаемых макетов.

Для измерения КСВ или коэффициента отражения выходы векторного анализатора подключаются к рассматриваемому объекту измерения. При наличии открытых выходов в рассматриваемом объекте измерения необходимо осуществлять их подключение к нагрузкам 50 Ом. Подключение к объектам измерения осуществляется через прецизионные SMP разъемы.

При выполнении таких измерений векторный анализатор должен быть откалиброван на концах измерительного кабеля, подключаемого к выходам/выходам антенных решеток.

Методика определения изоляции антенных элементов.

Изоляция между антенными элементами является важной для предотвращения ухудшения характеристик ФАР в результате паразитных взаимодействий между элементами.

При измерении изоляции между антенными элементами ФАР может находиться как в безэховой экранированной камере, описанной в следующей главе, так и в неспециализированном помещении. При этом на расстоянии не менее 10 длин волн (25 см) не должно находиться любых предметов, потенциально оказывающих влияние на характеристики антенны. Такими предметами могут быть: любые проводящие конструкции, диэлектрические материалы с высокими значениями тангенса угла потерь и высокими значениями диэлектрической

проницаемости. При этом макет антенны устанавливается на подставку из пенопласта, так как пенопласт не вносит существенных изменений в характеристики антенны.

Для измерений изоляции используется коэффициент Б21, являющийся коэффициентом передачи из первого порта во второй. Этот коэффициент измеряется в децибелах (дБ). Допустимыми значениями изоляции являются значения от минус 10 дБ и ниже. Погрешность измерения амплитуды составляет не более 1 дБ [20,24].

Сканирование по углу возвышения может выполняться с помощью микросхем хРИаБеё ТКШ-2011 и ТКШ-2041, время переключения состояний которых в составе ФАР может составлять порядка 416 мкс, что соответствует скорости сканирования, 60°/0,000416 = 1,4е5 °/сек.

2.4 Выводы по второй главе

С целью разработки фазированных антенных решеток для абонентских терминалов системы спутниковой связи проведен анализ современных численных методов электродинамики, позволяющих решать различные сложные задачи электродинамики, в том числе разработку как элементов, так и самих ФАР. Обоснован выбор метода численного расчета ФАР для терминалов сотовой связи.

Представлен сравнительный анализ классических аддитивного методов изготовления РЧУ с целью определения преимущества и недостатков каждого из них. Базовым методом изготовления антенн сложной геометрической формы является операция фрезерования с помощью станков с числовым программным управлением (ЧПУ). К ограничениям применимости метода целесообразно отнести использование подложки, что увеличивает потери мощности антенн. Однако существуют различные подложки, обладающие низким коэффициентом потерь в СВЧ диапазоне.

В качестве основного метода изготовления антенн предлагается использовать многослойные печатные платы.

Описаны конкретные особенности изготовления и измерения макетов ФАР. Для оценки работоспособности макетов оценивается КСВ. По КСВ определяется соответствие целевой рабочей полосы частот макетов, а также подтверждается правильность применяемых методик расчёта ФАР в электродинамическом моделировании. Также для подтверждения минимизации связи между соседними элементами в результате выбора шага решетки оценивается изоляция между антенными элементами. Представлено обоснование выбора и описание параметров измерительного оборудования. Представлена методика проведения испытаний макетов модулей ФАР.

Исходя из требований к ФАР и технологическим особенностям изготовления антенн ^ диапазона, разработка новой компактной фазированной антенной решетки, обладающей заданными выше электрическими характеристиками, является сложной научной задачей.

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТА ФАР ДЛЯ БАЗОВОГО ТЕРМИНАЛА

СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ

3.1 Выбор исходной конфигурации приемопередающего элемента ФАР

Данный пункт посвящен разработке и исследованию электродинамической модели одиночного излучателя для приемопередающий ФАР. В разделе представлены результаты решения оптимизационной задачи по поиску новой конструкции элемента ФАР и схемы питания одиночного излучателя, обеспечивающие согласование с КСВ не менее 1,5 и коэффициентом эллиптичности не более 2 дБ в диапазоне частот приема (от 10,95 до 11,7 ГГц) или передачи (от 14 до 14,25 ГГц). Показана оценка электродинамических параметров и характеристик одиночного элемента[13,69-79].

Численное электродинамическое моделирование ФАР производится в среде моделирования CST Studio Suite 2022 с использованием временного метода решения (Time Domain Solver). Граничные условия для моделей определяются следующим образом: Zmax, Zmrn, Xmax, Xmn, ymax, Ушт - открытое пространство со стандартным дополнительным расстоянием от модели до края расчётной области -Open (add space). Сходимость решения (Solver accuracy) выбрана «минус 40 дБ». Были выбраны следующие настройки сетки: 30 ячеек на длину волны (Cells per wavelength). Все металлизированные части элементов реализованы в виде меди с потерями - Copper (annealed) из встроенной библиотеки материалов. Толщина слоя меди равна 0,035 мм. В качестве подложки была выбран ламинат WANGLING WL-CT338, обладающий относительной диэлектрической sr = 3,38±0,05 и тангенсом потерь tg 5 = 0,0029.

В качестве элементарного излучающего элемента предлагается использовать патч-антенну с директором, размеры которых были подобраны и оптимизированы отдельно для приемного (от 10,95 до 11,7 ГГц) и передающего (от 14 до 14,25 ГГц) диапазонов частот.

Выбор такого элемента обусловлен его достаточными широкополосными свойствами и требуемой диаграммой направленности, а также компактностью, что

позволяет осуществлять итоговое распределение большого количества элементов на полотне. Параметры элемента подбирались, а затем оптимизировались с помощью встроенного в CST Studio Suite алгоритма оптимизации.

3.2 Разработка приёмного элемента ФАР 3.2.1 Численное моделирование и оптимизация приемного элемента ФАР

В качестве основы для приемной подрешетки предлагается использовать круглый патч с директором, запитанный с помощью двух микрополосковых линий, расположенных под углом 90°. Для создания круговой поляризации относительный сдвиг фаз между двумя входами патча составляет 90°. Запитка системы осуществляется с помощью двух дискретных 50 Q портов (Discrete port), расположенных между микрополосками и экраном (рисунок 3.1).

Директор

Рисунок 3.1 — Общий вид приемного патча с указанием основных геометрических параметров. Показаны линии запитки и расположение

дискретных портов

Толщина подложки была выбрана исходя из стандартных размеров производителя ламинатов WANGLING и составила 0,203 мм. Размер такой элементарной ячейки составляет 15 мм, однако размер самого патча с учётом линий

запитки составляет примерно 11 мм., что позволяет осуществлять выбор шага решётки от 12 мм и выше. Основные геометрические параметры патча также приведены ниже в таблице 3.1.

Таблица 3.1 — Основные геометрические параметры патча

Параметр Значение, мм

Ра 15

Ор 8,21

10,72

0,44

W2 0,92

Н 2,48

На рисунке 3.2 показан вид сбоку с указанием всех основных слоёв и толщин. Суммарная толщина элемента составила примерно 2,5 мм. Расстояние между патчем и директором 1,83 мм, это пространство не имеет заполнения, а установку и монтаж директора предполагается осуществлять на полимерные стойки.

Рисунок 3.2 — Приемный патч (вид сбоку с указанием толщин и слоёв)

Геометрия такого патча была оптимизирована в целевом диапазоне частот приемного диапазона. Оптимизировались диаметры патча, директора и ширины микрополосковых линий. Итоговые рассчитанные Б-параметры представлены на рисунке 3.3. При этом, с учётом симметрии системы, расчёт выполнялся лишь для порта 1. Можно заметить, что патч был оптимизирован и согласован в целевой полосе частот. Оптимизация частотных характеристик выполнялась с помощью изменения диаметров патча (Эр) и директора (БД а согласование входного импеданса - с помощью ширин микрополосковой линии Уровень развязки

между портами S21 составил примерно минус 25 дБ, а согласование Sn меньше минус 25 дБ. В следующем подпункте показан расчёт квадратурного моста для целевых частот (рисунок 3.3).

S-Parameters [Magnitude]

-45 i■ ;г:г;;:

-50 J-i-J-i-i-i-i-i-i-i-

10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5 15

Frequency / GHz

Рисунок 3.3 — S-параметры приемного патча, запитанного двумя 50 Q микрополосковыми линиями и оптимизированного в диапазоне от 10,95 до 11,7 ГГц

3.2.2 Численное моделирование и оптимизация квадратурного моста

Для создания круговой поляризации запитка патча осуществляется с помощью квадратурного моста, обеспечивающего 90-градусный сдвиг фаз на входе патча. В силу симметрии расчёт квадратурного моста происходит только через порт 1 для ускорения расчётов. Конструкция и геометрические параметры квадратурного моста показаны на рисунке 3.4. Оптимизация осуществлялась по трём основным параметрам - это ширины сегментов (wi, w2,) квадратурного моста, а также диаметр (Dh). Финальные параметры квадратурного моста также показаны в таблице 3.2

Рисунок 3.4 — Общий вид квадратурного моста

Таблица 3.2 — Основные геометрические параметры квадратурного моста

Параметр Значение, мм

Wl 0,39

0,71

5,26

Основным критерием оптимизации являлся коэффициент прохождения между портами 813 и 814 на уровне примерно минус 3 дБ, а также приемлемый уровень согласования 813 меньше минус 25 дБ и высокий уровень развязки 812 для ортогональных портов меньше минус 25 дБ в рассматриваемой полосе частот. Необходимо упомянуть, что важным критерием оптимизации также являлась балансировка выходов квадратурного моста для достижения одинакового уровня прохождения между входом и обоими выходами. Стоит отметить, что с учётом потерь в подложке и металле коэффициент прохождения снизился с идеальных минус 3 дБ до среднего значения по двум портам минус 3,14 дБ, где минус 0,14 дБ являются потерями. Частотные характеристики квадратурного моста для приемного диапазона показаны на рисунке 3.5.

Б - параметры, дБ

-45 4-1-1-1-1-1-1-1-1-1-

Ю , 10,5 11 , 11,5 12 , 12,5 13 , 13,5 1- , К5 15

Частота, ГГц

Рисунок 3.5 — Б-параметры квадратурного моста

3.2.3 Расчет электрических характеристик комбинации приемного элемента

ФАР и квадратурного моста

После оптимизации патча и квадратурного моста в отдельности в целевом частотном диапазоне может быть осуществлено их соединение в единый элемент. При этом, в силу простоты такой конфигурации, в данном случае отдельная оптимизация такой конструкции не выполнялась, так как обе структуры согласованы на 50 О. Геометрия такого элемента показана на рисунке 3.6, а рассчитанные Б-параметры показаны на рисунке 3.7. Стоит также отметить, что уровень потерь в подложке и металлизации составил примерно минус 0,33 дБ.

Рисунок 3.6 — Общий вид патча с квадратурным мостом

Б - параметры, дБ

Частота, ГГц

Рисунок 3.7 — 8-параметры патча с квадратурным мостом

Можно заметить, что патч согласован на приемлемом уровне (коэффициент отражения 811 ниже минус 25 дБ), а коэффициент связи между портами 812 не превышает минус 20 дБ.

Далее был произведён расчёт диаграмм направленности по коэффициенту усиления (КУ). Такие диаграммы были рассчитаны на трёх частотах: 10,95; 11,325 и 11,7 ГГц, соответствующих нижней границе, середине и верхней границы целевого диапазона частот. Трёхмерные диаграммы направленности (КУ) для левой круговой поляризации показаны на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 — Диаграмма направленности (КУ) для левой поляризации на

частоте 11,325 ГГц

Можно заметить, что профиль диаграммы направленности является стабильным и сохраняется во всей полосе частот. Диаграммы направленности в полярных координатах с разделением на левую и правую поляризацию для оценки уровня кросс-поляризации показаны на рисунке 3.9.

Farfield Realized Gain Ludwig 3 Left (Phi=90)

0

'' 120

Frequency = 11.325 GHz "Main lobe magnitude = 7.93 dBi Main lobe direction = 0.5 deg. Angular width (3 dB) = 71.5 deg. Side lobe level = -31.8 dB

a)

Farfield Realized Gain Ludwig 3 Right (Phi=90)

0

Frequency = 11.325 GHz

in lobe magnitude = -3.47 dBi Main lobe direction = 179.9 deg. Angular width (3 dB) = 52.6 deg. Side lobe level = -8.8 dB

6)

Рисунок 3.9 — Диаграмма направленности (КУ) на частоте 11,325 ГГц с разделением на: а) левую круговую поляризацию; б) правую круговую

поляризацию

s ( 0, 7.9318 ) Theta / Degree us. dBi

Были получены следующие значения по кросс-поляризации: на частоте 10,95 ГГц кросс-поляризация — 26,3 дБ; на частоте 11,325 ГГц кросс-поляризация —

23,8 дБ; на частоте 11,7 ГГц кросс-поляризация — 25,1 дБ. Можно заметить, что кросс-поляризация на всех трёх частотах соответствует требованиям к ФАР.

Высокий уровень кросс-поляризации достигается за счёт низкой эллиптичности, показанной на рисунке 3.10. Из рассчитанных значений эллиптичности можно заметить, что коэффициент эллиптичности не превышает значение 1,11 дБ для нормального положения луча. При этом максимальное значение получено на частоте 11,325 ГГц, а минимальное - 0,84 дБ на частоте 10,95 ГГц, что и отражает полученные приемлемые значения кросс-поляризации.

Farfield Axial Ratio [Phi.3D] О

^ ( 45, 0,807547 J Theta I Dsqrss Main lebt mssiniCiidt - 20 dB

Рисунок 3.10 — Эллиптичность на трёх частотах 11,325 ГГц

Farfield Axial Ratio [Phi-90] О

3.2.4 Оценка характеристик ФАР на основе одиночного приемного элемента

Предварительный выбор шага решётки и количества элементов произведен на основе аналитической оценки характеристик ФАР, полученных из характеристик одиночного элемента. Важно отметить, что в работе рассматривается только равный шаг решетки в обоих направлениях, так как при

неравном шаге значительно ухудшается эллиптичность и, как следствие, кросс-поляризация.

На первом этапе выбирался шаг решётки, а рассмотренные варианты шага приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 — Выбор шага решётки_

Шаг (х х у), мм КУ, дБ Габаритный размер, мм

12 х 12 31,9 468 х 276

13 х 13 32,6 507 х 299

14 х 14 33,1 546 х 322

15 х 15* 33,1 525 х 345

* Появление бокового лепестка. Количество элементов по «х» было

уменьшено до 36 для сохранения существенного запаса по габаритному

размеру

При таком моделировании рассматривался различный шаг решётки от 12 х 12 мм до 15 х 15 мм. Моделировалось крайнее положение луча, соответствующее отклонению в плюс 45°, при постоянном геометрическом наклоне всего полотна на плюс 10°. В таком положении луча сравнивался КУ, а также обращалось внимание на габаритные размеры такой решётки. При выборе шага решётки количество элементов оставалось фиксированным и было равно (Кх х Му) 40 х 24. Как можно заметить из таблицы, оптимальным шагом является шаг 14 х 14 мм, что соответствует 0,55Х (длины волны). Оптимальный шаг выбирался на основе максимизации КУ и отсутствия боковых лепестков. Кроме того, важно отметить, что при шаге (х х у) 14 х 14 остаётся существенный запас по габаритным размерам (более 200 мм) для размещения необходимой электроники и дополнительных компонентов. А также, при существенном уменьшении шага, ухудшается развязка между соседними элементами, поэтому был выбран шаг 14 х 14. Детальное сравнение коэффициентов связи между элементами и оценка уровня боковых лепестков показана в следующей главе, посвященной изучению характеристик решетки.

Следующим шагом является выбор количества элементов при фиксированном шаге решётки (таблица 3.4). Исходя из таблицы выше, шаг решётки был выбран 14 х 14, а количество элементов менялось от 16 до 24 в направлении электронного сканирования и от 24 до 44 в перпендикулярном направлении.

Таблица 3.4 — Выбор количества элементов

Шаг (х х у), мм N х N КУ, дБ Размер, мм

14 х 14 24 х 16 29,2 322 х 210

14 х 14 24 х 24 30,9 322 х 322

14 х 14 32 х 24 32,2 434 х 322

14 х 14 40 х 24 33,1 546 х 322

14 х 14* 44 х 24 33,6 602 х 322

* Для данного шага габаритный размер становится практически предельным.

В результате данной оценки был выбран шаг 14 х 14, а количество элементов было выбрано 40 х 24. Для выбранной конфигурации были показаны диаграммы направленности, полученные на основе расчётов одиночного элемента.

Для поворота диаграммы направленности на необходимый угол был введен относительный фазовый сдвиг между столбцами в плоскости отклонения луча. Эти фазовые сдвиги показаны в таблице 3.5.

Относительное значение фазового сдвига выбиралось таким образом, чтобы необходимый поворот диаграммы направленности наблюдался на центральной частоте (11,325 ГГц).

Таблица 3.5 — Фазовые сдвиги для поворота главного лепестка

Наклон луча, град Относительный фазовый сдвиг, град

-15 -51

0 0

+30 +97

+45 +135

На рисунках 3.11—3.16 показаны диаграммы направленности (КУ) для четырёх положений луча: -15° (крайнее), 0° (без сдвига), 30° (промежуточное), 45° (крайнее) на трёх частотах: 10,95; 11,325 и 11,7 ГГц. Также для положения без

сдвига оценивается уровень кросс-поляризации. Кроме того, на рисунке 3.16 показана диаграмма направленности, построенная в перпендикулярной плоскости сканирования.

Рисунок 3.11 — Диаграмма направленности (КУ - левая круговая поляризация) для частоты 11,325 ГГц, полученные для положения луча 0°

РлгйсИ (Арв*) Не»!':«) 5Л"Г| ЬЛЬто 3 Июк (№¡=»1

[Г ( о, 11.1:3 )|

--ГЬйп I Ьвт у*.

Рисунок 3.12 — Диаграмма направленности (кросс-поляризация) для частоты

11,325 ГГц

Исходя из расчетов ДН уровень кросс-поляризации равен: минус 24,3 дБ на частоте 10,95 ГГц; минус 23,7 дБ на частоте 11,325 ГГц и минус 25 дБ на частоте 11,7 ГГц.

Fe rfield {Array i Realized Cain Lud'.Mig J Left (Phi-DC} 0

^ ( 15.21, 34.4713 ) The-j / Degi-eens. db" Side lobe level - 1Ï.8 dB

Рисунок 3.13 — Диаграмма направленности (KY - левая круговая поляризация) для трех частот: а) 10,95 ГГц; б) 11,325 ГГц; в) 11,7 ГГц, полученная для

положения луча минус 15o

Farfiíld (flrrari Itosl lid Sain Ludvtig 5 Left i*Phi=90)

a

^ ( 313,3Î.S422 ) TheL./n^rrç^ï. JR¡ Side lube levâl = -12.4 ÜB