УДК. 520.272.2

Обзор низкопрофильных печатных антенных решеток спутниковых систем связи на подвижных объектах

Шабанов Расим Рамазанович – аспирант Дагестанского государственного технического университета.

Мутаев Нуритдин Халидович – аспирант Дагестанского государственного технического университета.

Аннотация: В статье проведен обзор современных печатных антенных решеток спутниковой системы связи. Обоснована актуальность проблемы. Проанализированы достоинства и недостатки характеристик антенн. В заключении намечены задачи по решению проблемы.

Ключевые слова: антенная решетка, спутниковые системы связи, печатные антенны.

Значение спутниковой связи в деятельности человека растет с каждым годом. С ее помощью осуществляется передачи информации на большие расстояния(радиорелейная связь), радионавигация, радиолокация. Существуют такие систамы спутниковой связи, которые позволяют осуществить связь и радионавигацию транспортных средств различного назначения. Радиоэлектронное оборудование транспортного средства должна обеспечивать непрерывную связь со спутником. Для этого, антенная система должна обладать высоким значением КУ, широким углом сканирования и быстрый поиск спутника для наведения главного луча в нужном направлении. Обычно, для систем спутниковой связи ССС используют зеркальные антенны и фазированные антенные решетки.

Выбор типа антенн для системы спутниковой связи на подвижных объектах основывается на требованиях предъявляемые к работе в процессе эксплуатации, месту их установки и экономическая целесообразность. Так или иначе, антенны должны иметь такие особенности, как узкую диаграмму направленности ДН, высокий коэффициент усиления КУ, высокую скорость сканирования, малый вес и габариты. Поэтому, основной тип антенн используемый в системах спутниковой связи, зеркальный. Их применимость заключается в их отличительных особенностях. А именно малая стоимость, низкая сложность производства и эксплуатация, высокий коэффициент усиления, широкая полоса пропускания, высокий КПД.

Такие антенны, обычно требуют первоначальную настройку, наводя главный лепесток ДН на спутник, с последующим жестким креплением, для того, чтобы не допустить смещение луча. Существуют так же зеркальные антенны систем спутниковой связи с механическим сканированием для поиска спутника в случае смещения луча.

Можно сделать вывод, что зеркальные антенны ССС на подвижных объектах эффективны со спутниками геостационарной орбиты. То есть, со спутниками, которые находятся на одной и той же точке неба непрерывно с неизменным значением азимута и угла места. Это упрощает наведение антенны на спутник и дальнейшую эксплуатацию так как не требует постоянного сканирования. Если имеет место постоянный сход главного луча, что характерно для терминалов ССС на подвижных объектах или спутники не геостационарной орбиты, то конструкция ЗА сильно усложняется внедрением следящей системы, осуществляющий поворот антенны. Здесь вытекает один из главных недостатков ЗА. Большое полотно зеркалаиспытывает сильную ветровую нагрузку. Сложные механизмы привода увеличивают массогабаритные характеристики антенны и уменьшает надежность работы. Помимо этого, механическое сканирование обладает низкой скоростью сканирования, по сравнению с электронным типом.

Поэтому в ССС, где требуется высокая скорость сканирования применяются фазированные антенны решетки (ФАР) с электронным или электромеханическим сканированием. Так же к преимуществам ФАР относятся многолучевой режим работы, высокая надежность за счет неподвижной конструкции. К недостаткам можно отнести: высокая сложность проектирования и разработки, следовательно и стоимость, большой вес и габариты (ФАР с внешним облучателем), узкий сектор сканирования.

К антенной системе спутниковой связи предъявляются следующие требования: малые габариты, низкий профиль, малое потребление энергии, высокая скорость сканирования, защита от внешних механических и климатических воздействий.

Можно сделать вывод, что наиболее подходящий тип антенны для спутниковой связи на подвижных объектах является низкопрофильная фазированная антенная решетка с электронным сканированием.

Цель данной работы: обзор современных используемых и перспективных фазированных антенных решеток на подвижных объектах с низким профилем и наивысшей скоростью сканирования.

Форма и габариты ФАР помимо всего прочего зависит и от типа антенных элементов. Среди них можно выделить: вибраторные, щелевые, спиральные, рупорные, полосковые и пр. Из всех перечисленных наибольший интерес для нас представляет ФАР с полосковыми антенными элементами, потому как они обладают малыми габаритами. Возможность разместить все элементы на одной плоскости и малая толщина излучающих структур делает её наиболее оптимальной в использовании на транспорте.

Полосковые антенны ПА и микрополосковые антенны МПА обладают преимуществами простой конструкции, малый объём и масса, низкая стоимость, простая реализация двухполяризационной связи. В связи с этим, МПА и ПА получили широкое развитие и представляют наибольший интерес в исследовании.

В работе [1] представлена полосковая антенная решетка на резонаторах Фабри-Перо с механоэлектрическим сканированием. Данная антенна осуществляет механическое сканирование в азимутальной плоскости путем поворота всей антенны с вертикальной осью вращения. Антенная решетка состоит из подрещеток с полосковыми излучателями. Сигнал поступает на антенные элементы по параллельной схеме. То есть все элементы одной подрешетки возбуждают волну синфазно. Так, что одна подрешетка не способна самостоятельно менять ДН антенны. Оси вращения подрешеток расположены параллельно друг другу в одной плоскости. Каждая запитывается независимо. Меняя фазу распределения излучения можно добиться смещения ДН в угломестной плоскости. Мехнический поворот подрешеток позволяет сместить сектор сканирования, тем самым расширяя его дополнительно рисунок 1.

Рисунок 1. Макет микрополосковой АР с механоэлектрическим сканированием.

Экспериментально было подтверждено, что сектор сканирования в угломестной плоскости составляет 60 градусов.

Важной особенностью данной работы является то, что излучающие элементы выполнены на основе резонаторов Фабри-Перо. Коэффициент усиления излучателя составляет 19,5 дБ в полосе частот 11,9-12,5 ГГц. Высота всей решетки 22,5 мм (при повороте решетки на 60 градусов), апертура 773×208 мм. К достоинствам данной АР можно отнести высокий КУ и широкий сектор сканирования. Недостатки: частичное механическое сканирование, что существенно снижает скорость сканирования и повышает энергетические затраты на привод.

В работе [2] представлена плоская печатная фазированная антенная решетка (рисунок 2) размерами 7×7 элементов. Данная антенна работает в Ku-диапазоне на частотах 14- 14,5 ГГц на передачу и 12,25- 12,75 ГГц на прием. Габариты антенны 120×120×55 мм. Коэффициент усиления 16 дБ.

Рисунок 2. Печатная антенная решетка Ku-диапазона.

Размеры антенны позволяют считать ее малогабаритной, а независимость от механических приводов повышает надежность работы и скорость сканирования. Недостатки – низкий КУ, малый сектор сканирования и узкополосность.

В работе [3] рассматривается антенная решетка с электронным сканированием для мобильных терминалов спутниковой связи. Антенна работает в Ku-диапазоне, на частотах 10,7 -12,75 ГГц. Решетка построена по конфигурации 8×8 элементов. Каждый элемент имеет размеры 5,38 и 6,3 мм. Материал подложки Roger RT/durroid 5880 с диэлектрической проницаемостью 2,2. Коэффициент усиления антенны 20 дБ на частоте 12 ГГц. Сектор сканирования в пределах ±45 градусов.

В работе [4] рассмотрена модель печатаной антенной решетки с моноимпульсной диаграммой направленности. Излучающие антенные элементы выполнены на основе прямоугольного печатного излучателя на подложке из текстолита 2 мм (рисунок 3)

Рисунок 3. Элемент печатной антенной решетки.

Результаты моделирования показали, что уровень боковых лепестков антенной решетки составляет -22 дБ, а габариты отвечают требованиям низкопрофильности.

Заключение

Проведенный обзор показывает, что актуальной проблемой обеспечения непрерывной связи наземного терминала со спутником является малая скорость нахождения спутника на небе антенной. Наибольшей скоростью сканирования обладают антенные решетки с электронным типом сканирования. Так же, важной характеристикой АС на транспорте является низкопрофильность. Поэтому, наиболее предпочтительная АР на основе полосковых излучателей. Было выяснено, что снижение массогабаритных параметров полосковых АР приводит к уменьшению сектора сканирования, что приводит к усложнению поиска спутника и стабильной ее работы. Повышение коэффициента усиления и расширение сектора угла сканирования при заданных размерах АР является актуальной задачей.

Список литературы

1. Антенная решетка на основе резонаторов Фабри–Перо с механоэлектрическим сканированием/ Е. А. Литинская*, С. В. Поленга, Ю. П. Саломатов//Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2021. Т. 24, № 5. С. 36–49 с.
2. A Small Ku-Band Polarization Tracking Active Phased Array for Mobile Satellite Communications / S. Wei, Q. Zuping, Z. Jun [et al.] // International Journal of Antennas and Propagation. – 2013. – P. 1 – 12. – DOI : 10.1155/2013/747629.
3. Low-profile scalable phased array antenna at Ku-band for mobile satellite communications / K. Y. Kapusuz, Y. Sen, M. Bulut [et al.] // IEEE 2016 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology (PAST). – Waltham, MA, USA, 2016. – P. 1 – 4. – DOI : 10.1109/ARRAY.2016.7832648. – URL : https://ieeexplore.ieee.org/document/7832648.
4. Печатная антенная решетка для бортовой РЛС/ Е.В. Овчинникова, А.М. Рыбаков// Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 52.
5. Отражательная антенная решетка для сетей дуплексной спутниковой связи технологии VSAT / С. В. Поленга, Ю. П. Саломатов, Е. А. Литинская, Р. М. Крылов // Усп. совр. радиоэлектроники. 2012. № 9. С. 039–042.
6. Проектирование фазированных антенных решеток / Под ред. Д.И. Воскресенского. М.: Радиотехника. 2012.
7. Панченко Б.А., Нефедов Е.И.Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь. 1986.
8. Бортовые цифровые многолучевые антенные решетки для систем спутниковой связи, Пономарев Л.И., Вечтомов В.А., Милосердов А.С., 2018.