Автореферат (Бортовые многолучевые антенные решетки для систем спутниковой связи)

На правах рукописиМИЛОСЕРДОВ Александр СергеевичБортовые многолучевые антенные решётки для систем спутниковой связиСпециальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ устройства и их технологииАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2014Диссертационная работа выполнена на кафедре 406 «Радиофизика, антенны и микроволноваятехника» Московского Авиационного Института (национального исследовательского университета).Научный руководитель:доктор технических наук, профессорПономарев Леонид ИвановичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наукКалошин Вадим Анатольевичдоктор технических наук, профессорНечаев Евгений ЕвгеньевичВедущая организация:ОАО «Радиофизика»Защита диссертации состоится «28» октября 2014 г. в 15:30 на заседании диссертационногосовета Д 212.125.03 в Московском Авиационном Институте (национальном исследовательском университете) по адресу: 125993, г.

Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться на сайте mai.ru и в библиотеке Московского Авиационного Института (национального исследовательского университета).Автореферат разослан «_____» ______________ 2014 г.Ученый секретарьдиссертационного советаМ.И. СычевД212.125.03, д.т.н.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертацииВ последние десятилетия наблюдается интенсивное развитие систем спутниковой связи.Спутниковая связь основана на использование искусственных спутников Земли в качестве ретрансляторов.

Подобные системы решают проблему обеспечения связью и других видов мультимедийных услуг с широкополосным доступом (интернет, телевидение и т.д.) для многочисленной группы абонентов в пределах территорий развитых стран и сопредельных государств.Важнейшим моментом при разработке спутниковых ретрансляторов является созданиебортовых многолучевых антенных устройств, обеспечивающих высокий энергетический потенциал для принимаемого и ретранслируемого сигналов в направлениях абонентов, находящихся в любой видимой с геостационарной орбиты точке земной поверхности. Существующиев настоящее время зеркальные и гибридно-зеркальные многолучевые антенны не обеспечиваюттребуемую эффективность связи. Кроме того, большие габариты гибридно-зеркальных антенн врабочем положении не позволяют размещать их под обтекателем полезной нагрузки ракетоносителя без трансформации в транспортное положение, что снижает надежность этих устройств.Поэтому построение бортовой многолучевой антенны, имеющей малый вес и продольные размеры и позволяющей осуществить цифровое диаграммообразование в пределах требуемогосектора обзора с возможной адаптацией характеристик направленности к помеховой ситуации,является актуальнейшей задачей дальнейшего развития систем спутниковой связи.Значительный вклад в развитие многолучевых антенн внесли следующие ученые: В.А.Калошин, А.В.

Шишлов, Л.И. Пономарев, Н.А. Бей, В.А. Вечтомов, В.Р. Антипов, С.П. Скобелев, А.П. Дятлов А.Н. Пластикова, C. Chandler, L. Hoey, W. Cummings. Также вопросами теории и разработки устройств в этой области занимались такие известные специалисты, как Д.И.Воскресенский, Г.А. Евстропов, Г.К. Галимов, В.И. Джиган, Р.А. Монзинко, Д.М. Сазонов и др.Цель работыЦелью данной работы является исследование путей построения приемных бортовыхмноголучевых антенных решеток для систем спутниковой связи (ССС), обоснование наибо3лее целесообразной схемы построения многолучевой антенной решетки (МАР) для системыглобальной спутниковой связи и исследование предельно достижимых характеристикнаправленности антенн при ограничениях на массогабаритные и эксплуатационные характеристики, характерные для спутниковых антенн.Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи: проведен аналитический обзор существующих типов спутниковых антенн, и установленытребования предъявляемые к характеристикам и параметрам перспективных многолучевых бортовых антенн для систем спутниковой связи; предложена и обоснованна двухступенчатая схема построения МАР в виде системы измноголучевых крупноапертурных излучателей (КАИ), позволяющая обеспечить заданный для глобальной космической связи (±8,7º) сектор обзора и требуемые характеристики направленности АР при минимальном числе излучателей; проведено электродинамическое моделирование различных типов крупноапертурных излучателей с использованием программного комплекса FEKO и специально разработанных алгоритмов, позволяющее установить придельные характеристики направленностиразличных типов крупноапертурных излучателей; разработан алгоритм оптимального возбуждения купноапертурного излучателя бортовоймноголучевой антенной решетки системы спутниковой связи, обеспечивающий наиболеевысокий и равномерный рельеф КУ в глобальном секторе обзора; предложены конфигурации приемных цифровых многолучевых антенных решеток X- иKa-диапазона и произведено моделирования их характеристик направленности; проанализированы возможные методы улучшения характеристик направленности бортовых многолучевых антенных решеток, состоящих из крупноапертурных излучателей,предназначенных для систем глобальной спутниковой связи.Методы исследований, используемые для решения поставленных в диссертации задач, основываются на применении электродинамических методов теории антенн, численныхметодов решения прикладных задач электродинамики.

Результаты электродинамического4моделирования получены с применением метода моментов и методов геометрической и физической оптики, и с использованием компьютерного моделирования.Научная новизна работы заключается в обосновании структуры МАР, обеспечивающей заданный сектор обзора при минимальном числе излучателей. В разработке алгоритмаанализа характеристик направленности КАИ и, в частности, в разработке алгоритма оптимального возбуждения КАИ, обеспечивающего максимальный рельеф КУ в глобальном секторе обзора, и использование этого алгоритма для определения предельно достижимых характеристик КАИ и МАР из этих излучателей, а также в исследовании характеристикнаправленности КАИ в зависимости от их геометрии и структуры.Практическая значимость результатов работыПолученные в процессе работы над диссертацией результаты могут стать основой дляразработки перспективной бортовой МАР для системы глобальной спутниковой связи.

Прииспользовании этой антенны в системе спутниковой связи возможно обеспечение устойчивой связи между абонентами, расположенными в произвольных точках земной поверхности,увеличение абонентской емкости сети связи, повышение пропускной способности каналовсвязи, обеспечение их высокой надежности и помехозащищенности.Реализация и внедрение результатов работыРезультаты диссертационной работы нашли практическое применение.

В частности,полученные результаты вошли в составную часть эскизного проекта по построению бортовых многолучевых антенн (ОКР «Сфера»).Достоверность полученных результатов обуславливается корректностью исходныхположений и математических преобразований при составлении моделей как отдельных КАИ,так и бортовых многолучевых антенных решеток и подтверждается в частных случаях совпадением результатов электродинамического моделирования с результатами, известными изтеории антенн, а также с результатами, полученными другими авторами в этой области.5Основные положения, выносимые на защиту1. Двухступенчатая схема формирования многолучевой диаграммы направленности бортовой АР ССС (в X-диапазоне) обеспечивает требуемые характеристики направленности всекторе обзора, соответствующем половине поверхности земного шара.2.

Найденный алгоритм возбуждения крупноапертурных излучателей позволяет уменьшитьпровалы в рельефе КУ КАИ до -1,4 дБ и максимально увеличить коэффициент эффективности (коэффициент усиления) бортовой МАР системы глобальной спутниковой связи.3. Линзовый крупноапертурный излучатель, выполненный из отрезков квадратных волноводов, в наибольшей степени удовлетворяет совокупным требованиям, предъявляемых кбортовым антенным устройствам систем спутниковой связи.4.

Смоделированный крупноапертурный излучатель имеет характеристики и параметры, внаибольшей степени удовлетворяющие требованиям к антенным устройствам, используемым в системах глобальной спутниковой связи (радиус апертуры крупноапертурногоизлучателя 6,04λ, фокусное расстояние 14,7λ, при этом, максимальное значение коэффициента усиления составляет 28,13 дБ, а коэффициент эффективности 0,45).Апробация результатов работыОсновные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 10-й Междунар. конф. «Авиация и космонавтика – 2011» (Москва, 8– 10 ноября 2011 г.); Молодёжной науч.-практич. конф.

«Инновации в авиации и космонавтике – 2012» (Москва, 17–20 апреля 2012 г.); дважды на Молодёжной науч.-практич. конф.«Инновации в авиации и космонавтике – 2013» (Москва, 16–18 апреля 2013); XIX Междунар.науч.-технич. конф. «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 16–18 апреля 2013 г.); 12-ймеждунар. конф. «Авиация и космонавтика» (Москва, 12–15 ноября 2013 г.); 11-й междунар. конф.«Радиолокация и связь – перспективные технологии» (Москва, 21 ноября 2013 г.).ПубликацииРезультаты исследований, проведенных в процессе выполнения диссертационной работы, опубликованы в 14 печатных работах, из них 1 коллективная монография, 6 научных6статей (4 в журналах, включенных в перечень ВАК), 7 тезисов докладов.