Development of a phased array antenna powered by Rotman printed lens for a mobile satellite communication terminal

Full Text

Введение

В последнее время спрос на мобильные спутниковые терминалы связи вырос на 22 %, а спрос на услуги спутниковой связи – на 6 % [1]. Мобильная спутниковая связь (МСС) является главным движителем всей спутниковой индустрии [1; 2]. Из рис. 1 видно, что спутники предназначены для непрерывной и качественной связи в самолетах, кораблях, наземных транспортных средствах и т. д. [3; 4]. Пассажиры, летящие в самолетах, довольно часто в полете пользуются ноутбуками или смартфонами. С помощью спутниковой связи эти устройства могли бы подключаться в полете к Интернету и загружать любое видео. На быстро движущихся наземных транспортных средствах также необходимо обеспечивать постоянной хорошей связью [5; 6]. Экипажу судна в океане необходимо поддерживать непрерывную связь для постоянного обновления навигационных карт, для связи со штабом и другими суднами, а также для того, чтобы следить за погодными условиями на море и в океане. Переносные мобильные спутниковые терминалы для оборонной промышленности должны быть быстро развертываемыми и поддерживать связь в любых, самых критических условиях. Для выполнения этих задач спутниковая связь является хорошей альтернативой LTE-связи из-за своей надежности, экономической эффективности, а также легкой доступности и масштабируемости [7].

 

Рис. 1. Варианты современной мобильной спутниковой связи

Fig. 1. Options for modern mobile satellite communications

 

В спутниковой связи неотъемлемой частью являются антенны, которые передают и принимают модулированные радиочастотные сигналы сквозь толщу атмосферы [8]. Приемные и передающие антенные системы выступают основной разрешающей полезной нагрузкой на спутниковых терминалах связи [9]. На данный момент в литературе мало работ, посвященных анализу существующих антенн нового времени. Однако большое количество антенн постоянно развиваются и улучшаются, что влечет за собой непрерывный спрос и интерес рынка. Очень важно, чтобы электрические характеристики антенн соответствовали основным требованиям спутниковой связи [8; 10; 11]. Спутниковая связь – это один из видов космической радиосвязи типа «Точка – точка» с режимом распространения по прямой видимости. Антенной решетке спутниковой связи необходимо иметь достаточно хорошую и узкую диаграмму направленности, а также высокий коэффициент усиления, минимальные боковые лепестки и низкую перекрестную поляризацию для того, чтобы был качественный и хороший сигнал, а соответственно, и связь. При ограниченной мощности излучения и заданном диапазоне частот большой коэффициент усиления означает высокую эффективную изотропную излучаемую мощность передающей антенны, другими словами – большую температуру усиления/шума системы (G/T) приемной антенны. Узкая ширина луча диаграммы направленности и подавленные боковые лепестоки играют решающую роль для предотвращения при приеме или передачи нежелательных сигналов, которые могут привести к многолучевому замиранию или образовать помехи для соседних спутниковых систем связи. Каналами связи для спутниковых антенн являются атмосферные слои нашей планеты, поэтому есть ограничения на применяемый диапазон частот [12]. Природа предоставила нам ограниченный ресурс для приема и передачи связи, поэтому существуют различные ответственные организации по контролю и распределению частот в различных регионах. На сегодняшнее время антенны Ku-диапазона наиболее востребованы в гражданской спутниковой связи. Более 250 спутников в космосе настроены на нагрузку Ku-диапазона. Этот диапазон имеет отличие в том, что используются терминалы с достаточно малой апертурой, широкой полосой пропускания, а также у Ku-диапазона глобальный охват местности. В военный целях в основном используются группы Х. Стоить отметить, что в последнее время спутники Ka диапазона все больше и больше развертываются по всему миру, что означает потенциально увеличение скорости передачи данных, по сравнению с перегруженным Ku-диапазоном [13]. Еще один важный параметр – это поляризация. В спутниковой связи широко используют линейную (ЛП) и круговую (КП) поляризацию. Во всех случаях передатчик ЛП требует строгого выравнивания поляризации при приеме сигнала. Сигналу с КП не страшны погодные условия, такие как дождь, туман, снег – через них он проходит с незначительными потерями. Ортогональность обеих поляризаций позволяет увеличить пропускную способность канала за счет совместного использования одной и той же частоты. В настоящее время ЛП преобладает в применении в Ku-диапазоне приемных терминалов спутниковой связи, однако КР становится популярной для Ka-диапазона.

Также существуют дополнительные требования к производительности антенн. Один из самых главных параметров в спутниковой связи – возможность сканирование лучом местности. Объекты спутниковой связи постоянно перемещаются, и их нужно ориентировать между собой, поэтому необходимо, чтобы антенна была быстродействующей, легко устанавливаемой и ремонтопригодной. Неклассическим примером можно назвать спутниковую связь по телефону. Для непрерывной связи, как краткосрочной, так и долгосрочной, должна быть обеспечена полная мобильность. Однако не всегда возможно поддерживать мобильность терминала из-за различных ограничений, таких как конструкторские особенности, а также ограничения, связанные с географическим местом обслуживания. Из-за этого антенны больших размеров устанавливают на малые самолеты, что приводит к увеличению массы летательного аппарата, что, в свою очередь, нежелательный показатель. Как для военных, так и для гражданских целей лишний вес и появление на корпусе дополнительного оборудования или дополнительного выступа – это нежелательные изменения, т. к. каждый килограмм влияет на качество полета [14]. А также установка антенного терминала на самолет негативно влияет на аэродинамические характеристики фюзеляжа.

Немаловажную роль для хорошей и качественной спутниковой связи играет скорость сканирования местности.

Антенна должна обеспечить сканирование угла места в широком диапазоне для того, чтобы была возможность перестраиваться с одного спутника на другой [15]. Так, для сканирования угла места с 1D-лучевой управляемостью используется фазированная антенная решетка [16]. Недостатками ФАР, однако, являются габариты самой антенной решетки и высокая конечная стоимость. Фазовращатели должны быть разработаны таким образом, чтобы не допускать отклонения луча, чтобы при приеме и передаче его отклонение было минимальным. ФАР также снижают эффективность на миллиметровых волнах из-за использования питающей линии передачи, на которой при высоких частотах происходят большие потери [17].

В настоящей работе рассмотрена линейная фазированная антенная решетка, состоящая из сегменто-параболических элементов, использующаяся в качестве антенной системы для мобильного терминала спутниковой связи, функционирующего в полосе частот от 10,9 до 14,5 ГГц. Антенная решетка используется для сканирования в угло-местной области в пределах  относительно плоскости антенной решетки; сканирование в азимутальной плоскости осуществляется путем вращения антенной системы на платформе.

Выбор сегменто-параболических антенных элементов обусловлен необходимостью формирования лепестков в довольно широкой полосе частот с коэффициентом частотного перекрытия 1,33, а также стабильностью диаграмм направленности элементов и простотой их конструкции.

Из подобных соображений в качестве диаграммообразующей схемы выбрана линза Ротмана, построенная на основе симметричной микрополосковой линии.

Высота антенных элементов ограничена, с одной стороны, необходимостью минимизации боковых лепестков при широкоугольном сканировании в широкой полосе частот, с другой – качеством согласования в низкочастотной области указанного выше диапазона частот, особенно – при максимальном отклонении лепестков диаграммы направленности.

Особенно важным представляется минимизация уровня боковых лепестков в режиме приема, т. к. это позволяет существенно уменьшить уровень шумов на выходе приемной антенной системы.

1. Схема приемной аналого-цифровой антенной системы, включающей в себя физическую антенную решетку и интерполяционную виртуальную антенную решетку

В качестве способа минимизации боковых лепестков приемной антенной системы при широкоугольном сканировании в широкой полосе частот в настоящей работе предлагается использовать интерполяционную виртуальную антенную решетку.

На рис. 2 показана структурная схема приемной аналого-цифровой антенной системы, включающей в себя физическую антенную решетку с сегменто-параболическими элементами и интерполяционную виртуальную антенную решетку, формируемую на основе цифровой обработки конвертированных сигналов, принятых элементами антенной решетки, с использованием стандартной процедуры сплайн-интерполяции. Сигналы, сформированные на выходах линзы Ротмана, конвертируются, оцифровываются и формируются суммарные диаграммы направленности приемной аналого-цифровой антенной системы для ряда дискретных направлений в угло-местной плоскости в 90-градусном секторе углов, от зенитного направления до горизонтального направления; при этом соседние главные лепестки перекрываются между собой по уровню не ниже –3 дБ.

 

Рис. 2. Структурная схема приемной аналого-цифровой антенной системы, включающей в себя физическую антенную решетку и интерполяционную виртуальную антенную решетку

Fig. 2. Block diagram of the receiving analog-digital antenna system, which includes a physical antenna array and an interpolating virtual antenna array

 

Основной научной задачей статьи является исследование возможности существенного уменьшения уровня боковых лепестков диаграммы направленности приемной аналого-цифровой антенной системы за счет формирования интерполяционной антенной решетки.

Основной инженерной задачей данной работы является проработка антенной системы, пригодной в дальнейшем для серийного производства терминалов подвижной связи Ku-диапазона.

Важным моментом является выбор таких технических решений, которые обеспечат приемлемую стоимость серийного изделия, обеспечивающую конкурентоспособную цену на российском рынке мобильных терминалов спутниковой связи. Антенная система для терминалов подвижной связи должна удовлетворять требованиям различных групп потребителей, например:

– для бытового сектора – должна иметь низкую стоимость и малый вес (для установки на легковой автомобиль);

– для железнодорожного и ведомственного транспорта – удовлетворять жестким условиям эксплуатации.

Для обеспечения работы с существующей спутниковой группировкой, расположенной на геостационарной орбите, требуются антенные системы, имеющие коэффициент усиления не менее 32–35 дБ. Для обеспечения этих требований антенная система на основе фазированной антенной решетки (ФАР) должна содержать 800–1600 антенных элементов, а антенна на основе параболического отражателя должна иметь диаметр не менее 90 см.

Учитывая то, что антенные системы будут устанавливаться на подвижном транспорте, они должны обладать возможностью оперативного управления лучом (диаграммой направленности).

Антенная система терминала подвижной связи должна отрабатывать динамику движения транспортного средства, на котором она размещена:

– обеспечивать поддержание точности наведения антенной системы на спутник по азимуту не менее 0,5 градуса (RMS),

– обеспечивать скорость вращения по азимуту – не менее 60 град/сек;

– крен - диапазон изменений ±30°, скорость изменения – не более 100° в секунду;

– обеспечивать отработку параметров крен, тангаж – диапазон изменений ±30°, скорость изменения – не более 100° в секунду;

– отрабатывать изменения.

2. Фазированная антенная решетка из 24 сегменто-параболических антенн с запиткой от печатной линзы Ротмана

Антенная решетка состоит из 24 параболических секторных антенн с емкостными короткозамкнутыми карманами, рис. 3. Емкостные короткозамкнутые карманы используются для уменьшения интенсивности поверхностных волн, бегущих вдоль решетки, интерферирующих с объемными волнами и ухудшающих согласование элементов с фидерным трактом и диаграмму направленности ФАР, особенно при максимальном отклонении луча от нормали.

 

Рис. 3. Конструкция ФАР из 24 сегменто-параболических антенн: а – общий вид антенной решетки из 24 сегменто-параболических антенн; б – запитка элементов осуществляется с помощью коаксиальных кабелей марки EZ_47_Al_TP_M17 с внешним диаметром 1,2 мм, питающих печатные монополи с рефлекторами; в – конструкция и материал короткозамкнутых карманов с емкостным характером входного сопротивления; г – вид ФАР сбоку. Глубина – 167,5 мм, высота – 288,2 мм, ширина – 600 мм

Fig. 3. Design of a phased antenna array of 24 segment-parabolic antennas: a – general view of the antenna array of 24 segment-parabolic antennas; b – the elements are powered using coaxial cables of the EZ_47_Al_TP_M17 brand with an outer diameter of 1.2 mm, feeding printed monopoles with reflectors; c – design and material of short-circuited pockets with a capacitive nature of the input resistance; d – side view of the virtual antenna array. Depth – 167.5 mm, height – 288.2 mm, width – 600 mm

 

Номограмма Смита ФАР при отклонении луча на угол 45 град. от нормали при запитке 24 портов от разработанной печатной линзы Ротмана приведена на рис. 4. Диаграммы направленности ФАР при отклонении луча на угол 45 град. от нормали отражены на рис. 5–7.

 

Рис. 4. Номограмма Смита ФАР при отклонении луча на угол 45 град. от нормали

Fig. 4. Smith’s nomogram of phased antenna array when the beam is deflected at an angle of 45 degrees from the normal

 

Рис. 5. Диаграммы направленности ФАР в объеме при отклонении луча на угол 45 град. от нормали: а – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{11}$ ГГц; б – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{12}$ ГГц; в – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{13}$ ГГц; г – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{14}$ ГГц; д $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{14}\mathbf{,}\mathbf{5}$ – ГГц

Fig. 5. Directional diagrams of phased antenna array in the volume when the beam is deflected at an angle of 45 degrees from the normal: a – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{11}$ GHz; b – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{12}$ GHz; c – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{13}$ GHz; d – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{14}$ GHz; e – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{14}\mathbf{,}\mathbf{5}$ GHz

 

Рис. 6. Диаграммы направленности ФАР в угло-местной плоскости при отклонении луча на угол 45 град. от нормали: а – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{11}$ ГГц; б – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{12}$ ГГц; в – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{13}$ ГГц; г – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{14}$ ГГц; д – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{14}\mathbf{,}\mathbf{5}$ ГГц

Fig. 6. Directional diagrams of phased antenna array in the angular plane when the beam is deflected at an angle of 45 degrees from the normal: a – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{11}$ GHz; b – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{12}$ GHz; c – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{13}$ GHz; d – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{14}$ GHz; e – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{14}\mathbf{,}\mathbf{5}$ GHz

 

Рис. 7. Диаграммы направленности ФАР в азимутальной плоскости при отклонении луча на угол 45 град. от нормали: а – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{11}$ ГГц; б – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{12}$ ГГц; в – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{13}$ ГГц; г – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{14}$ ГГц; д – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{14}\mathbf{,}\mathbf{5}$ ГГц

Fig. 7. Directional diagrams of phased antenna array in the azimuthal plane when the beam is deflected at an angle of 45 degrees from the normal: a – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{11}$ GHz; b – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{12}$ GHz; c – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{13}$ GHz; d – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{14}$ GHz; e – $\mathit{f}\mathbf{=}\mathbf{14}\mathbf{,}\mathbf{5}$ GHz

 

3. Разработка печатной линзы Ротмана, используемой в качестве диаграммообразующей схемы фазированной антенной решетки

Топология разработанной линзы Ротмана показана на рис. 8. Линза спроектирована для ее реализации в виде симметричной печатной платы, содержащей 3 слоя проводников, из которых центральным проводником является тело линзы с системой полосковых трансформаторов и фазокорректирующих участков, а с двух сторон центральный проводник окружают два земляных проводника, разделенных диэлектриком марки Rogers 4003C толщиной 0,508 мм (диэлектрическая проницаемость 3,38). В качестве альтернативы может быть использован более качественный диэлектрик марки Rogers RT 6002 (диэлектрическая проницаемость 2,94) с проводниками, изготовленными по технологии проката из цельного листа. В СВЧ-ламинате марки Rogers 4003C используется гальванически осажденный слой меди толщиной 17 мкм, потери в котором выше, чем в цельном проводнике. Однако материал Rogers RT 6002 существенно дороже, что повлияет на стоимость антенной решетки в целом, поэтому для макета был выбран более дешевый и доступный материал Rogers 4003C.

 

Рис. 8. Топология линзы Ротмана с системой полосковых трансформаторов и фазокорректирующих участков

Fig. 8. Topology of the Rotman lens with a system of stripline transformers and phase-correcting sections

 

Использовалась следующая методика построения профиля линзы Ротмана. Внешняя поверхность линзы, к которой присоединяются согласующие полосковые трансформаторы (с экспоненциальным законом распределения волнового сопротивления вдоль их длины), идущие далее к высокочастотному коммутатору, является сегментом окружности. Внутренняя поверхность линзы описывается параболической функцией, рис. 9.

 

Рис. 9. Тело линзы Ротмана

Fig. 9. Rothman lens body

 

Определялась разница длин оптических путей волн от центрального излучателя (порт 44, рис. 10) до выходов трансформаторов 1, 58–80, идущих к 24 элементам антенной решетки.

 

Рис. 10. Порты, ведущие к высокочастотному коммутатору

Fig. 10. Ports leading to the high frequency switch

 

Длины фазовыравнивающих участков (рис. 11) выбирались таким образом, чтобы при возбуждении центрального диаграммообразующего порта 44 на выходах портов 1, 58–68 (учитывалась симметрия линзы относительно оси y) сигналы были синфазными в рабочей полосе 10,9–14,5 ГГц. При этом также контролировалось групповое время задержки зондирующих импульсов.

 

Рис. 11. Фазовыравнивающие участки линзы Ротмана

Fig. 11. Phase alignment areas of the Rothman lens

 

Характеристики согласования центрального порта 44 показаны на рис. 12–14. В силу того что диэлектрическая проницаемость ламинатов марок Rogers 4003C и Rogers RT 6002 близка (3,38 и 2,94 соответственно), характеристики согласования являются удовлетворительными для обоих видов материалов подложки.

 

Рис. 12. Номограмма Смита для центрального диаграммообразующего порта 44 линзы Ротмана

Fig. 12. Smith nomogram for the central diagramming port 44 of the Rothman lens

 

Рис. 13. Коэффициент отражения (дБ) в рабочей полосе частот для центрального диаграммообразующего порта 44 линзы Ротмана

Fig. 13. Reflection coefficient (dB) in the operating frequency band for the central beamforming port 44 of the Rothman lens

 

Развязка между диаграммообразующими портами линзы Ротмана иллюстрируется рис. 15. Во всем рабочем диапазоне частот от 10,9 до 14,5 ГГц она не менее 16 дБ.

 

Рис. 14. Частотная зависимость коэффициента стоячей волны для центрального диаграммообразующего порта 44 линзы Ротмана (волновое сопротивление симметричной полосковой линии – 50 Ом)

Fig. 14. Frequency dependence of the standing wave ratio for the central diagramming port 44 of the Rotman lens (the characteristic impedance of the symmetrical strip line is 50 Ohm)

 

Рис. 15. Развязка между диаграммообразующими портами линзы Ротмана, дБ

Fig. 15. Isolation between the beamforming ports of the Rothman lens, dB

 

Средний уровень сигнала в портах, подключаемых к 24 элементам антенной решетки, составляет около –17 дБ относительно уровня входного сигнала, рис. 16. Расчетные потери мощности в линзе – около 3 дБ. Для уменьшения потерь мощности в линзе можно компенсировать фазовые искажения с помощью использования полужестких коаксиальных волноводов, соединяющих выходные порты линзы Ротмана и антенную решетку (при этом не требуется использования фазокорректирующих линий на печатной плате). Но более технологичным является предложенный вариант выполнения фазокорректирующих линий на единой печатной плате с линзой Ротмана.

 

Рис. 16. Амплитудно-частотные характеристики входного порта 44 и выходных портов 1, 58–68

Fig. 16. Amplitude-frequency characteristics of input port 44 and output ports 1, 58–68

 

Рис. 17. Амплитудно-частотные характеристики входного порта 44 и выходных портов 1, 58–68

Fig. 17. Amplitude-frequency characteristics of input port 44 and output ports 1, 58–68

 

Фазовые искажения, вызванные интерференционными явлениями в линзе, иллюстрируются рис. 18, 19.

 

Рис. 18. Временные зависимости импульса, поданного на диаграммообразующий вход 44 и прошедшего на выходные порты 1, 58–68 (эффективная полоса частот импульса – от 0,5 до 14,5 ГГц)

Fig. 18. Time dependences of the pulse applied to the diagram-forming input 44 and transmitted to the output ports 1, 58–68 (effective pulse bandwidth – from 0.5 to 14.5 GHz)

 

Рис. 19. Действующий макет ФАР

Fig. 19. Current layout of the phased antenna array

 

Таким образом, в рамках настоящих исследований разработаны два альтернативных подхода к управлению диаграммой направленности разработанных вариантов фазированных антенных решеток для мобильного терминала спутниковой связи.

4. Изготовление действующего макета ФАР

По окончании моделирования антенной решетки и проведения электронных расчетов была проработана эскизная конструкторская документация для изготовления макета ФАР из сегменто-параболических антенн и проведены работы по изготовлению действующего макета ФАР (рис. 19).

Предприятием – индустриальным партнером ВГТУ – АО «Автоматизированные системы связи» (г. Воронеж) заказана плата линзы Ротмана с коаксиальными разъемами. Также были проведены работы по изготовлению высокочастотных коммутаторов и малошумящих усилителей, компенсирующих потери мощности в линзе Ротмана.

Следующий этап исследований, связанный с испытаниями действующего макета антенной решетки для мобильного терминала спутниковой связи, в настоящее время проводится совместно с индустриальным партнером ВГТУ – АО «Автоматизированные системы связи» (г. Воронеж).

Заключение

Для спутниковых терминалов связи есть свои особенности, такие как ограничение по весу, размеру и простоте конструкции антенны, существуют свои потребности в значении коэффициента усиления, в уровне боковых лепестков. А также есть особенности, связанные с необходимостью формирования лепестков в довольно широкой полосе частот и стабильностью диаграмм направленности элементов. Высота антенных элементов ограничена необходимостью минимизации боковых лепестков при широкоугольном сканировании в широкой полосе частот и качеством согласования в низкочастотной области указанного выше диапазона частот, особенно при максимальном отклонении лепестков диаграммы направленности.

Все эти требования были тщательного проанализированы и выполнены на стадии разработки и планирования.

В ходе выполнения работы были получены следующие результаты.

1. Разработана фазированная антенная решетка из 24 сегменто-параболических антенн, функционирующая в диапазоне частот 10,9–14,5 ГГц.
2. Разработана печатная линза Ротмана, используемая в качестве диаграммообразующей схемы фазированной антенной решетки.

About the authors

Yuri G. Pasternak

JSC NPP «Automated communication systems»; Voronezh State Technical University

Email: pasternakyg@mail.ru

Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of Radio-Electronic Devices and Systems

Russian Federation, Voronezh; Voronezh

Vladimir A. Pendyurin

JSC NPP «Automated communication systems»

Email: infonpp-acc.ru@yandex.ru

Director General 

Russian Federation, Voronezh

Kirill S. Safonov

Voronezh State Technical University

Email: safonov-kirik@mail.ru

Post-Graduate Student of the Department of Radio-Electronic Devices and Systems

Russian Federation, Voronezh

Sergey M. Fedorov

Voronezh State Technical University

Author for correspondence.
Email: fedorov_sm@mail.ru

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Radio-Electronic Devices and Systems

Russian Federation, Voronezh

References

Supplementary files