| 19. |
Аннотация |
Основной научной проблемой, решаемой в ходе проектных исследований, является развитие методов широкоугольного сканирования и создание на их основе низкопрофильных антенн для низкоорбитальных, среднеорбитальных, высокоэллиптических и геостационарных систем спутниковой связи.
Цель и задачи проекта полностью соответствуют направлению Н6 из Стратегии научно-технологического развития РФ в плане создания телекоммуникационных систем с использованием низколетящих, высокоэллиптических и геостационарных КА, обеспечивающих информационную связанность на всей территории РФ, включая территории Крайнего Севера и Арктики.
К конкретным задачам в рамках выбранного направления относятся следующие:
1. Выбор и совершенствование наиболее перспективных типов сканирования АС для систем спутниковой связи;
2. Исследование способов расширения сектора сканирования антенн с комбинированным типом управления луча;
3. Разработка новых механически управляемых фазовращателей, линий задержки, диаграмообразующих схем на основе новых СВЧ линий передачи типа «gap waveguide»;
4. Исследование принципа построения антенн VICTS (variable inclination continuous transverse stub), совершенствование и адаптация для использования в антенных системах для спутниковой связи на территории РФ;
5. Разработка и исследование частотно-селективных поверхностей, создание на их основе излучающих и отклоняющих структур;
6. Разработка и исследование электродинамических моделей широкополосных излучателей с апертурной связью;
7. Разработка и исследование электродинамических моделей антенных элементов на основе частотно-селективных поверхностей;
8. Оптимизация электродинамических моделей антенных элементов по критериям максимального коэффициента усиления (КУ) и минимальных массогабаритных параметров;
9. Изготовление макетов наиболее перспективных антенных элементов;
10. Экспериментальное исследование макетов антенных элементов;
11. Разработка отклоняющих структур на основе метаматериалов и антенных систем с широкоугольным сканированием на их основе;
12. Исследование и разработка основных функциональных элементов АС с использованием разработанных антенных элементов;
13. Исследование и разработка электродинамических моделей сканирующих АС с использованием разработанных узлов и решений со следующими характеристиками:
– диапазон углов сканирования по азимуту: 0°-360°;
– диапазон углов сканирования по углу места: ±70°;
– коэффициент усиления: не менее 32 дБ;
– коэффициент отражения: не более -10 дБ;
– рабочий диапазон частот: не менее 10%;
– профиль антенной системы: не более 300 мм.
14. Разработка контроллера управления макетом антенной системы для наведения и удержания спутникового сигнала;
15. Разработка и изготовление макета сканирующей АС;
16. Экспериментальное исследование макета сканирующей АС;
17. Испытание макета сканирующей АС на реальном спутниковом сигнале.
Научная новизна
Появление в последние годы новых типов линий передачи, в частности волновода с зазором (gap waveguide) открывает новые возможности по созданию СВЧ устройств с внутренними механически подвижными элементами. В такой линии передачи нет необходимости в обеспечении контакта между широкими стенками волновода, что позволяет без дополнительных потерь и технологических ограничений осуществлять механическое перемещение излучателей, точек питания в делителях мощности с целью управления фазовым распределением в апертуре антенны, а соответственно и положением максимума диаграммы направленности. В публикациях последних лет представлен ряд механически управляемых СВЧ-устройств на основе линии передачи «gap waveguide», в том числе переключатели, фазовращатели и линии задержки, переходы на иные линии передачи. В рамках реализации проекта будет осуществлён поиск конструкций на основе новых линий передачи, подходящих для использования в антенных системах с широкоугольным сканированием.
Помимо этого, относительно новый тип антенн VICTS (variable inclination continuous transverse stub), получивший широкое распространение в США (thinkom.com), но практически не исследуемый в РФ позволяет осуществлять широкоугольное сканирование путем вращения дисков, содержащих излучатели, схему питания и поляризатор. В такой антенне не используются высокотехнологичные СВЧ интегральные схемы, при этом достигается сканирование в полусфере с достаточной для использования на транспортных средствах скоростью сканирования. Такой тип антенн является хорошим претендентом на роль экономически доступной сканирующей антенны для использования в системах спутниковой связи. В проекте планируется исследование принципа VICTS, разработка решений на данном принципе с целью получения антенных систем для работы в сетях спутниковой связи на территории РФ с низкой стоимостью при массовом производстве.
В проекте проводятся исследования различных комбинированных методов сканирования. Варианты комбинаций методов сканирования являются относительно новыми и малоизученными с точки зрения достижения экстремально широких секторов углов сканирования.
В проекте также планируется совершенствование принципа сканирования «вращающиеся диэлектрические клинья» (При прохождении электромагнитной волны через диэлектрический клин волна приобретает линейный фазовый набег – происходит отклонение диаграммы направленности. При использовании двух идентичных клиньев, вращающихся вокруг собственной оси, возможны комбинации положений, когда клинья компенсируют влияние друг друга на волну, либо усиливают). Такой принцип нерационален для антенн в Ku, Ka, Q - диапазонах из-за больших габаритов и веса диэлектрических клиньев, однако при помощи искусственного диэлектрика может быть получена компактная структура, обладающая свойствами диэлектрического клина. Попытки реализовать антенную систему на данном принципе с использованием искусственных диэлектриков описаны в литературе, однако ученым пока не удалось в полной мере реализовать идею и разработать компактную антенную систему.
Основное содержание работы:
Первый год реализации проекта главным образом посвящен разработке теоретических, математических и электродинамических моделей основных функциональных элементов антенных систем с широкоугольным сканированием. Особенное внимание будет посвящено поиску новых конструкций управляемых фазовращателей и линий задержки для использования в антенных системах с широкоугольным сканированием. На основе получаемых данных будет продолжаться совершенствование комбинированных методов сканирования. Среди основных работ могут быть выделены следующие:
1. Исследование научно-технической и патентной литературы по тематике Проекта;
2. Исследование и выбор способа управления диаграммой направленности антенны наземного терминала систем связи с использованием низкоорбитальных КА;
3. Разработка комбинированных методов сканирования с расширенным сектором сканирования для использования в антеннах наземных терминалов систем связи с использованием низкоорбитальных, среднеорбитальных, высокоэллиптических и геостационарных КА, применимые на всей территории РФ;
4. Разработка и исследование электродинамических моделей электрически и механически управляемых фазовращателей, линий задержки, диаграмообразующих схем на основе новых СВЧ линий передачи типа «gap waveguide».
5. Разработка и оптимизация электродинамических моделей антенн на основе принципа VICTS.
6. Разработка и исследование излучающих структур на основе ЧСП со свойствами частично отражающей поверхности;
7. Поиск новых конструкций излучающих структур на основе ЧСП со свойствами частично отражающей поверхности;
8. Разработка и исследование излучающих структур на основе неоднородной диэлектрической линзы из искусственного диэлектрика;
9. Исследование методов расширения полосы рабочих частот и уменьшения профиля излучающих структур на основе неоднородной диэлектрической линзы из искусственного диэлектрика;
10. Разработка и исследование излучающих структур с апертурной связью и инверсной схемой возбуждения;
11. Исследование методов расширения полосы рабочих частот и уменьшения профиля излучающих структур с апертурной связью и инверсной схемой возбуждения;
12. Разработка и исследование электродинамической модели антенного элемента на основе частотно-селективной поверхности в Кu-диапазоне частот;
13. Разработка и исследование электродинамической модели антенного элемента на основе неоднородной линзы из искусственного диэлектрика Кu-диапазоне частот;
14. Разработка и исследование электродинамической модели антенного элемента с апертурной связью в Кu-диапазоне частот;
15. Разработка и исследование электродинамических моделей сканирующих антенных систем на основе разработанных антенных элементов в Кu-диапазоне частот;
16. Макетирование антенного элемента на основе частотно-селективной поверхности в Кu-диапазоне частот;
17. Макетирование антенного элемента на основе неоднородной линзы из искусственного диэлектрика Кu-диапазоне частот;
18. Макетирование электродинамической модели антенного элемента с апертурной связью в Кu-диапазоне частот;
19. Экспериментальные исследования изготовленных макетов;
Подготовка и публикация научных работ по тематике исследования в журналах ВАК, Scopus/Web of Science.
На второй год реализации проекта запланированы работы по макетированию и экспериментальным исследованием составных частей антенной системы. По экспериментальным данным будет производиться доработка электродинамических моделей. Планируется начать работы по разработке контроллера управления антенной системы и алгоритмов по наведению и удержанию источника сигнала.
Основные работы, запланированные на второй год реализации проекта:
1. Разработка конструкций и изготовление макетов электрически и механически управляемых фазовращателей, линий задержки, диаграмообразующих схем на основе новых СВЧ линий передачи типа «gap waveguide»;
2. Изготовление макетов антенных элементов;
3. Экспериментальное исследование в лабораторных условиях изготовленных макетов;
4. Доработка моделей антенных элементов и управляемых СВЧ устройств;
5. Разработка контроллера управления антенной системой;
6. Разработка моделей антенных систем с широкоугольным сканированием на основе разработанных и протестированных элементов.
Третий год реализации проекта будет посвящен разработке конструкции и изготовлению макета сканирующей низкопрофильной антенной системы. Будут продолжены работы по разработке контроллера управления антенной и алгоритмов управления. После изготовления макета будет произведено экспериментальное исследование антенны в лабораторных условиях, по необходимости будет произведена доработка макета и актуализация моделей. В завершении проекта планируется проведение испытаний на реальном спутниковом сигнале при использовании антенны на неподвижном и на мобильном объекте.
Основные работы, запланированные на третий год реализации проекта:
1. Разработка электродинамической модели низкопрофильной антенной системы с широкоугольным сканированием;
2. Разработка конструкции макета антенной системы с широкоугольным сканированием;
3. Изготовление макета антенной системы;
4. Лабораторные исследования сканирующей антенной системы;
5. Испытания антенной системы на реальном спутниковом сигнале;
6. Доработка моделей антенной системы.
7. Доработка контроллера управления антенной системой и алгоритмов удержания источника сигнала.
Основные ожидаемые результаты проекта:
1. Макеты электрически и механически управляемых фазовращателей, линий задержки, диаграмообразующих схем на основе новых СВЧ линий передачи типа «gap waveguide»;
2. Макеты антенных элементов;
3. Контроллер управления антенной системой с функцией наведения на спутник;
4. Электродинамические модели антенных систем с широкоугольным сканированием;
5. Контроллер управления антенной системой с функциями наведения и удержания спутника;
6. Макет сканирующей низкопрофильной антенной системы с широкоугольным сканированием со следующими характеристиками:
-Диапазон углов сканирования по азимуту: 0°-360°;
-Диапазон углов сканирования по углу места: ±70°;
-Коэффициент усиления: не менее 32 дБ;
-Коэффициент отражения: не более -10 дБ;
-Рабочий диапазон частот: не менее 10%;
-Профиль антенной системы: не более 300 мм.
7. Результаты экспериментальных исследований и испытаний антенной системы на реальном спутниковом сигнале.
8. Доработанные по результатам экспериментальных исследований электродинамические модели сканирующей низкопрофильной антенной системы.
Возможные направления применения
Полученные результаты могут быть использованы в качестве прототипов наземных терминалов для новых российских спутниковых группировок связи “Ямал”, “Экспресс-РВ”, “Экспресс”, “Скиф” (разрабатываемые в рамках федерального проекта «Сфера»*).
*-Сфера» — один из ключевых проектов Роскосмоса, направленный на развитие космических информационных технологий и ликвидацию так называемого «цифрового неравенства». Благодаря ей будет создана самая современная система коммуникаций и мониторинга, включающая как существующую, так и перспективную космическую инфраструктуру.
Значительная часть территории нашей страны расположена в высоких широтах, где плотность населения невелика, а зоны тайги, тундры и вечной мерзлоты мешают прокладке сетей оптоволоконной связи. В таких местах предоставить полный комплекс телекоммуникационных услуг для стационарных и подвижных объектов, обеспечить связанность территорий помогут спутники.
Достичь указанных целей планируется путем развертывания группировок со спутниками связи «Ямал» и «Экспресс» на геостационарных и «Экспресс-РВ» на высокоэллиптических орбитах, с аппаратами широкополосного доступа в Интернет «СКИФ» на средних орбитах и спутниками для обеспечения «интернета вещей» «Марафон IoT» на низких орбитах. |