Radiating element for small-element antenna arrays

«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.

Создание современной системы коммуникаций и мониторинга включает использование многоспутниковых с целью обеспечения глобального покрытия всей поверхности Земли. Этой цели служит реализация проекта «Сфера» – одного из ключевых проектов ближайшего будущего. В состав указанной системы входят орбитальные спутниковые группировки малогабаритных аппаратов

Для аппаратуры указанного класса характерно использование антенных решеток с небольшим числом элементов. Примером может служить космический аппарат (рис. 1) Марафон

Глобальная сеть аппаратов «Марафон IoT» охватит всю планету и будет работать в 12 орбитальных плоскостях с удалением около 750 км от Земли. Спутники этого типа будут обеспечивать услугами по доступу в интернет наших спасателей, авиаторов, силовиков, а также обеспечивать сервисы «интернета вещей» (IoT, Internet of Things) в любых точках мира. Появление спутников «Марафон» на орбите станет для нашей страны таким же важным этапом развития, как система ГЛОНАСС, которая сегодня используется очень активно миллионами потребителей.

Рисунок 1 - Искусственный спутник Земли «Марафон IoT»

DOI:10.60797/IRJ.2024.147.120.1

В целях повышения технических показателей бортовой приемо-передающей радиоаппаратуры в составе ИСЗ данного назначения целесообразно использование антенн с управляемыми диаграммами направленности

[3]

. Среди них наиболее просты в реализации многолучевые антенные решетки. Использование их позволяет существенно повысить эффективно излучаемую мощность в необходимом и достаточно широком секторе углов.

1.1. Многолучевые антенны

Классическая схема выполнения многолучевой антенны с небольшим числом элементов включает систему излучателей и диаграммообразующую схему

Рисунок 2 - Схема многолучевой антенны

DOI:10.60797/IRJ.2024.147.120.2

Диаграммобразующая схема представляет собой СВЧ-устройство, обладающее (в общем случае) Nвх входами и Nвых выходами, соединенными с элементами решетки. Каждому из входов соответствует возбуждение в решетке АФР, формирующего соответствующий луч в ДН. При равном числе входов и выходов это матрица Батлера

[5]

рис. 3а. При произвольном их соотношении – матрица Нолена

[6]

(рис. 3б), а также устройство квазиоптического типа на основе линзы Ротмана

[7]

(рис. 3в).

Рисунок 3 - Диаграммобразующие схемы:

а - Матрица Батлера; б - Матрица Нолена; в - Линза Ротмана

DOI:10.60797/IRJ.2024.147.120.3

Важная особенность малоэлементных антенных решеток состоит в том, что формирование веера лучей в широком секторе углов возможно только при уменьшении значении шага решетки, так как при достижении определенного угла луча неприемлемо возрастает уровень боковых лепестков, в силу того, что в зону видимых углов начинают заходить вторичные дифракционные максимумы (рис. 4).

Рисунок 4 - ДН линейной антенной решетки при различном отклонении луча от нормали: 

а – ДН при значении шага решетки 0,5λ; б – ДН при значении шага решетки 0,41λ

DOI:10.60797/IRJ.2024.147.120.4

Это обстоятельство предъявляет принципиально важное требование к используемому элементу антенной решетки. Для построения подобных антенн требуются излучатели с поперечными размерами несколько меньшими половины длины волны. Большинство классических решений, например, турникетный элемент

[8]

, открытый конец круглого волновода

[9]

и др., не отвечает данному требованию. Кроме того, ряд известных приемов, например, использование круглого волновода с диэлектрическим заполнением

[10]

, не может быть использован, так как на космическом аппарате предъявляют повышенные требования к устойчивости к внешним воздействующим факторам (ВВФ).

Целью работы является разработка малогабаритного элемента применимого в составе малоэлементных антенных решеток для задач низкоорбитальной связи.

К излучателям антенн рассматриваемого назначения предъявляется ряд специфических требований. Во-первых, они должны обладать в режимах передачи и приема излучений круговой поляризации весьма широкими диаграммами направленности. Во-вторых, иметь поперечные размеры, соответствующие требованию формирования многолучевых диаграмм направленности в широком секторе углов, а именно меньше половины длины волны. Размеры в продольном направлении для них также ограничены условиями размещения на космическом аппарате. И, наконец, применяемые конструкции и материалы должны отвечать условиям применения.

Эти обстоятельства затрудняют или даже исключают использование большинства «классических» вариантов антенн, таких как турникетный вибратор, большинство видов спиральных антенн, волноводных излучателей круглого или квадратного сечения. Для использования в составе рассматриваемых МАР предложен излучатель, представляющий собой модернизацию антенны щелевого типа, ранее разработанной для использования в аппаратуре радиотермометрии

С принципиальной точки зрения указанная антенна представляет собой кольцевую щель, возбуждаемую в пространственной и временной квадратуре. Щель расположена в торце цилиндрического резонатора круглого поперечного сечения, исключающего возможность распространение волн типа H11

В целях проверки возможности построения антенн этого типа проведено исследование основных характеристик антенны путем электродинамического моделирования

Рисунок 5 - Электродинамическая модель антенны:

а – вид сбоку; б – вид с экраном

DOI:10.60797/IRJ.2024.147.120.5

Рисунок 6 - Результаты расчетов:

а – ДН антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях на частоте 1 ГГц; б – КЭ антенны

DOI:10.60797/IRJ.2024.147.120.6

Исходя из рисунка 6, следует вывод, что поляризация правая круговая и КЭ 1,96 дБ (или 0,79). Ширина ДН в горизонтальной плоскости примерно 140°, в вертикальной плоскости 150°.

При практической реализации кольцевой антенны круговой поляризации должно быть обеспечено возбуждение первой пространственной гармоники тока в щели и устранено возбуждение нулевой, наличие которой вызывает асимметрию диаграммы направленности (рис. 6а). С этой целью разработана конструкция, показанная на рисунке 7.

Данные технические результаты достигаются тем, что в резонаторе в виде запредельного волновода с кольцевой щелью в торцевой стенке имеются перемычки в форме дугового участка и двух прямолинейных отрезков, причем радиус дугового участка равен r = (λ/2-D)/(π-2). Указанные перемычки выполняют функцию фильтра волн в волноводе с нулевой вариацией в азимутальном направлении. Соответственно, подавление этих волн обеспечивает формирование симметричной диаграммы направленности.

Рисунок 7 - Внешний вид антенны круговой поляризации:

1 – отрезок волновода; 3 – торцевая стенка; 4 – возбуждающее устройство, представляющее собой кольцевую щель, расположенную на торцевой стенке 3 круглого волновода 1 и возбуждаемую в квадратуре через коаксиальный кабель; 5, 6 – уставленные перемычки в форме дугового участка и двух прямолинейных отрезков

DOI:10.60797/IRJ.2024.147.120.7

Антенна согласована на частоту 2,08 ГГц с полосой ±60 МГц, радиус резонатора 0,22*λ. Моделируемый излучатель выполнен на основе цилиндрического волновода с кольцевой щелью в торцевой стенке. Для волны данной частоты основного типа H11 диаметр волновода должен быть не менее 0,58λ. В предложенном варианте волновод в составе имеет поперечные размеры меньше критического значения, что исключает распространения ее. Построение антенны с «резонатором» в виде запредельного волновода делает практически некритичным значение глубины цилиндра, что позволяет сократить не только поперечные, но и продольные габаритные размеры излучателя и, следовательно, антенны в целом. На рисунке 8 приведены результаты электродинамического моделирования.

Рисунок 8 - Результаты электродинамического моделирования:

а – ДН антенны; б – КСВ антенны

DOI:10.60797/IRJ.2024.147.120.8

К достоинствам разработанной антенны относится:

· Хорошие массогабаритные показатели.

· Симметричная диаграмма направленности круговой поляризации.

Габаритные размеры полученного излучателя позволяют перейти от «классического» значения шага решетки (0,5λ) к уменьшенному, что, в свою очередь, позволяет ослабить присутствие вторичного дифракционного максимума при широкоугольном сканировании, что подтверждается результатами проведенного электродинамического моделирования. На рисунке 10 приведены расчетные диаграммы направленности 4-х элементной антенной решетки (рис. 9) с различными значениями шага решетки (0,43λ, 0,46λ, 0,5λ).

Рисунок 9 - Внешний вид антенной решетки

DOI:10.60797/IRJ.2024.147.120.9

Рисунок 10 - ДН антенной решетки при отклонении и луча на 57 градусов

DOI:10.60797/IRJ.2024.147.120.10

Как видно из результатов, при отклонении луча от нормали на более чем 50 градусов при стандартном шаге решетки (0,5λ) сильно возрастает уровень боковых лепестков, наблюдается недопустимое возрастание уровня дальних боковых лепестков ДН. При использовании предложенного элемента решетки вследствие возможности уменьшения шага решетки этого явления не наблюдается.

Результаты проведенного моделирования подтверждают, что предложенный вариант излучателя является работоспособным, позволяющим рассматривать его как основу для разработки практических вариантов конструкции малоэлементных антенных решеток круговой поляризации.

Разработан вариант излучателя многолучевой антенной решетки круговой поляризации на основе волновода с частотой ниже критической, что позволяет уменьшить расстояние между элементами антенной решетки со стандартного шага (0,5λ) до более плотного расположения (например, 0,43λ). Симметричность ДН элемента контролируется перемычками в форме дугового участка и двух прямолинейных отрезков, радиус дугового участка равен r = (λ/2-D)/(π-2).

Уменьшение размеров самого элемента приводит к улучшению характеристик антенны, а именно исключению влияния вторичных дифракционных максимумов на ДН и уменьшению общих массогабаритных размеров системы, что позволяет применять разработанный вариант в малоэлементных АР, в том числе новых разработках систем низкоорбитальной связи.

Применение малоэлементных антенных решёток в низкоорбитальной спутниковой связи предлагает значительные преимущества в плане производительности, эффективности и экономии ресурсов. Они способствуют развитию более доступных, надёжных и высокопроизводительных спутниковых коммуникационных систем, открывая новые возможности для глобального подключения и обмена данными.