В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций

Радиосистемы со сканирующими антеннами: прорывные технологииRadio systems with scanning antennas: breakthrough technologies

Представлен краткий обзор выступлений и докладов на круглом столе по теме "Радиосистемы со сканирующими антеннами", который состоялся в рамках IV Международной конференции "Инжиниринг и телекоммуникации" (29–30 ноября 2017 г., МФТИ).

A brief overview of speeches and reports at the round table on the topic "Radio systems with scanning antennas" was presented at the Fourth International Conference "Engineering and Telecommunications" (29–30 November 2017, Moscow Institute of Physics and Technology).

Ключевые слова:

сканирующие антенны, антенные решетки

Keywords:

scanning antennas, antenna arrays

Московский физико-технический институт и физтехшкола радиотехники и компьютерных технологий (ФРКТ) провели 29 и 30 ноября 2017 г. IV Международную конференцию “Инжиниринг и телекоммуникации”, посвященную инновационным достижениям в области информационных технологий и телекоммуникаций. Председатель Оргкомитета конференции – проректор МФТИ по науке и разработкам, д.т.н., профессор С.Н. Гаричев. Председатель Программного комитета – директор ФРКТ, член-корреспондент РАН, д.т.н., профессор А.В. Дворкович. Заместитель председателя Оргкомитета – заместитель директора ФРКТ, к.т.н. Л.К. Ужинская.

В рамках конференции был организован круглый стол по теме “Прорывные технологии в аэрокосмических, наземных и морских радиоэлектронных системах со сканирующими антеннами”. Ведущие круглого стола – главный конструктор ПАО “Радиофизика”, к.т.н. С.А. Топчиев и заслуженный лектор секции аэрокосмических электронных систем (AESS) IEEE Элай Брукнер (Eli Brookner, США), эксперт в области радиоэлектронных систем различного назначения, участвовавший в разработке таких систем, как Cobra Dane, Pave Paws, Patriot, THAAD и многих других.

Участники дискуссии

В заседании круглого стола приняли участие:

заместитель генерального директора по научной работе – главный конструктор по направлению Нижегородского НИИ радиотехники, д.т.н. А.Б. Бляхман;
профессор Санкт-Петербургского политехнического университета, д.ф.-м.н. А.П. Лавров;
заведующий кафедрой “Радиофизика, антенны и микроволновая техника” Московского авиационного института, д.т.н., профессор Д.И. Воскресенский;
заместитель генерального директора АО “ВИСАТ-ТЕЛ”, главный редактор журнала “Технологии и средства связи”, к.т.н. В.Р. Анпилогов.

Выступление Э. Брукнера на русский переводили В.И. Мельничук и В.В. Гаврилин. Они же перевели ему на английский сообщения других докладчиков.

Слушатели

На заседании круглого стола присутствовали около 40 известных отечественных специалистов в области радиосистем со сканирующими антеннами из отраслевых институтов, коммерческих предприятий и университетов России. Цель круглого стола – обмен мнениями ведущих экспертов в области радиосистем со сканирующими антеннами, обсуждение достижений и перспектив использования новых технологий в практических разработках.

Ниже приведены краткие изложения выступлений участников дискуссии.

Сергей Топчиев

Главный конструктор ПАО “Радиофизика”, к.т.н.

Sergey Topchiev
Chief Designer of PJSC "Radiophysics", Ph.D.

Приветствие

Благодарю участников конференции, что выделили время для участия в дискуссии. Также благодарю руководство МФТИ, ФРКТ и Оргкомитет конференции за организацию этого круглого стола.

Спасибо доктору Брукнеру, который согласился приехать из США на нашу конференцию и участвовать в сегодняшней дискуссии. Мы со студенческих лет знаем книги Брукнера по радиолокации, обработке сигналов и сканирующим антеннам и рады возможности очного общения. Мы собрались в МФТИ – одном из ведущих технических университетов России, внесшем большой вклад в развитие радиолокации и связи в нашей стране. Здесь преподавали основоположники отечественных радиосистем со сканирующими антеннами: А.Л. Минц, А.А. Расплетин, Б.В. Кисунько, Б.В. Бункин, В.К. Слока, А.А. Толкачев и многие другие. Среди выпускников МФТИ – известные ученые и главные конструкторы радиосистем, такие как А.А. Леманский, В.Г. Репин, Г.Г. Бубнов, А.А. Курикша, В.Д. Шилин и другие. Многие присутствующие в зале специалисты, определяющие развитие современной радиотехники, также окончили Физтех.

Когда история радиосистем с электрически сканирующими антеннами только начиналась, на конференциях специалисты обсуждали довольно узкий круг вопросов, связанных с разработкой фазовращателей, излучающих структур ФАР с учетом взаимных связей и вопросов построения ФАР.

В современных радиосистемах электрически сканирующие антенные решетки составляют до 80% объема аппаратуры станции, включая излучающие структуры, приемо-передающие модули, цифровые или фотонные устройства передачи и пространственно-временной обработки сигналов, системы электропитания и охлаждения. Это требует взаимопонимания и согласованной работы инженеров разных специальностей. Мы собрались, чтобы обсудить перспективы развития систем связи и локации с применением новых технологий.

Дмитрий Воскресенский

Заведующий кафедрой “Радиофизика, антенны и микроволновая техника” Московского авиационного института, д.т.н., профессор

Dmitry Voskresensky
Head of the department “Radiophysics, antennas and microwave technology" of the Moscow Aviation Institute, Doctor of Technical Sciences, Professor

Цифровые приемные и передающие АФАР

В приемной решетке преобразование сигнала в цифровой вид осуществляется в каждом канале. В передающей решентке сигналы в каналах на выходе диаграммоформирователя – цифровые, и преобразуются в аналоговый вид для усиления до уровня требуемой СВЧ-мощности и излучения в пространство. Есть другие определения цифровых решеток, но именно решетки, построенные по указанному принципу, имеют ряд существенных преимуществ: возможность формирования большого количества лучей одной апертурой, широкополосность за счет использования временных задержек в цифровых каналах, адаптивное управление формой ДН в условиях работы с помехами, гибкое формирование ДН неэквидистантных решеток с оптимальным размещением излучателей.

В цифровых устройствах приемных АФАР, наряду с пространственной обработкой, может осуществляться временная обработка когерентных сигналов, что позволяет реализовать их временное накопление и работать с сигналами, имеющими уровни ниже шума.

Возможности современных цифровых АФАР в решающей степени зависят от достигнутого уровня интегральных схем, технологии которых достигли высокого уровня и постоянно совершенствуются.

Необходима стандартизация терминов и определений применительно к АФАР с цифровым диаграммоформированием, а также выделение грантов Минобрнауки ведущим лабораториям университетов для проведения НИР по изучению влияния параметров цифровых устройств на характеристики АФАР.

Андрей Лавров

Профессор Санкт-Петербургского политехнического университета, д.ф.-м.н.

Andrey Lavrov
Professor of St. Petersburg Polytechnic University, Doctor of Physical and Mathematical Sciences

Широкополосные антенные решетки с фотонным диаграммообразованием

В каналах таких решеток устанавливаются не фазовращатели, а линии задержки. Это позволяет расширить рабочую полосу частот до более чем четырех октав.

Управление временными задержками в каналах антенной решетки выполняется в оптическом диапазоне после преобразования радиосигнала с использованием модуляции оптической несущей по интенсивности. При прохождении по оптическому волокну несущая и ее радиочастотная огибающая получают временную задержку, зависящую от длины волокна. Радиосигнал вновь восстанавливается после демодуляции, на выходе фотодетектора, но уже с задержкой.

Одним из способов управления временной задержкой является коммутация отрезков волоконно-оптической или интегрально-оптической линии разной длины. Другой подход основан на применении волоконно-оптических отражающих брэгговских решеток. В простейшем случае временные задержки можно реализовать, используя дисперсионные свойства стандартного одномодового волокна.

В СПбПУ разработан макет фотонного диаграммоформирователя для приемной решетки, работающий в диапазоне 1–18 ГГц. Макет выполнен на коммерческих оптоэлектронных компонентах. Использована технология плотного волнового мультиплексирования, DWDM: радиосигнал от каждого из антенных элементов модулирует свою оптическую несущую. Шаг расположения несущих по частоте равномерный и составляет 100 ГГц. Модулированные оптические несущие объединены в единое волокно мультиплексором, и далее поступают в блок временных задержек, где разные оптические несущие получают друг относительно друга требуемый временной сдвиг. Продемонстрирована возможность управления временной задержкой в диапазоне до 200 пс с СКО управляемой задержки 1,65 пс. Время переключения задержки – менее 1 нс при использовании интегрально-оптических переключателей на ниобате лития. Результаты измерений диаграммы направленности 5-элементной антенной решетки с фотонным диаграммоформирователем показывают возможность отклонения луча без изменения направления максимума в секторе углов ±36 град. на частотах 6, 9 и 12 ГГц.

Совершенствование технологий изготовления фотонных устройств позволит использовать их для создания сверхширокополосных диаграммоформирователей с приемлемыми эксплуатационными характеристиками.

Выделение грантов Минобрнауки исследовательским лабораториям университетов способствовало бы более интенсивному развитию фотонного диаграммоформирования в России.

Элай Брукнер

Заслуженный лектор секции аэрокосмических электронных систем (AESS) IEEE

Eli Brookner
Honored lecturer of the Aerospace Electronic Systems (AESS) section of the IEEE

Прорывные технологии в радиосистемах с электрическим сканированием

Чтобы увидеть перспективы радиосистем со сканирующими антеннами, обратимся вначале к истории.

Этапы развития радиосистем во второй половине ХХ века:

создание РЛС с пассивными ФАР и передатчиками на вакуумных приборах позволило обнаруживать и сопровождать большое количество быстродвижущихся объектов;
применение активных ФАР (АФАР) на твердотельных приборах позволило увеличить количество сопровождаемых РЛС-объектов, повысить точность построения траекторий и создать системы спутниковой связи в движении;
создание аналоговых микросхем (MMIC) привело к созданию АФАР в короткой части сантиметрового и в миллиметровом диапазонах частот, а также дало возможность увеличивать количество каналов (и, соответственно, потенциал) АФАР за счет уменьшения габаритов и массы элементов;
применение цифрового диаграммоформирования в АФАР, в том числе на уровне элементов решетки, позволило повысить пропускную способность радиостанций благодаря существенному увеличению количества независимых лучей (до тысяч) и помехоустойчивость за счет высокой разрядности аппаратуры и адаптивно-когнитивных алгоритмов;
создание дешевых цифроаналоговых ИС, в частности на SiGe, сделало возможным массовое производство автомобильных и персональных РЛС для повышения безопасности движения, а также станций с АФАР для сотовой связи.

Перспективные направления развития:

увеличение плотности цифровых и аналоговых микросхем и количества элементов в них за счет совершенствования технологий;
уменьшение энергопотребления элементной базы и модулей АФАР;
применение новых материалов (графен, нанотрубки, метаматериалы и т.п.);
применение квантовых компьютеров;
создание интегральных схем с оптическими и инфракрасными линиями передачи данных;
создание сверхширокополосных и многодиапазонных АФАР.

Александр Бляхман

главный конструктор по направлению Нижегородского НИИ радиотехники, д.т.н.

Alexander Blyakhman
Chief Designer in the direction of the Nizhny Novgorod Research Institute of Radio Engineering, Doctor of Technical Sciences

Радиолокация на просвет

Эта радиолокация использует известный факт, что плотность потока мощности поля рассеяния объекта вперед больше на 3–4 порядка, чем плотность потока мощности поля рассеяния назад.

ЭПР типичных объектов, в том числе выполненных по технологии “стелс”, при отражении поля назад составляет доли квадратного метра, что требует применения высокопотенциальных РЛС с излучаемой мощностью в десятки киловатт. При рассеянии вперед ЭПР этих объектов независимо от их покрытия определяется геометрической площадью затенения, создаваемого объектом, и составляет тысячи квадратных метров в максимуме и сотни квадратных метров в области боковых лепестков диаграммы переднего рассеяния.

В ННИИРТ создан серийный многопозиционный радиолокатор, работающий на просвет и использующий указанные выше преимущества. Он состоит из 11 приемо-передающих антенных постов, устанавливаемых на расстоянии 40–50 км друг от друга и образующих цепь длиной около 500 км, и единого пункта обработки. Мощность каждого передатчика – 1–3 Вт. Типичное значение углового размеры конуса рассеяния от объекта – около 10 град.

Вероятность обнаружения радара – не ниже 0,9 при количестве ложных тревог одна в год. Проведенные эксперименты с низколетящими одиночными объектами и группами объектов показали высокое качество обнаружения, сопровождения и разрешения объектов.

Мы экспериментально показали возможность создания глобальной активной системы радиолокации на просвет с использованием передатчиков мощностью единицы киловатт, установленных на геостационарных или высокоэллиптических спутниках.

Валентин Анпилогов

Заместитель генерального директора АО “ВИСАТ-ТЕЛ”, к.т.н., доцент

Valentin Anpilogov
Deputy General Director JSC “VSAT-TEL”, Ph.D., associate professor

Антенны с электрическим сканированием в системах связи

Общий объем рынка антенн в 2017 г. составляет примерно $22 млрд. Он будет возрастать и к 2025 г. увеличится в 1,4 раза. Более 70% указанного объема – антенны для связи. Из них $6 млрд в 2017 г. приходится на антенные системы для сетей 2G/3G/4G/5G. Этот объем возрастет к 2025 г. до $10–13 млрд. Необходимые варианты антенн для сетей 5G уже разработаны.

Сегмент спутниковых антенн с электрическим сканированием к этому времени составит примерно $0,5 млрд. Его развитие связывают с системами HTS и новыми проектами LEO-/MEO-/HEO-HTS в Ku/Ka/V-диапазонах, для коммерческого успеха которых ключевым элементом являются антенные решетки с электрическим сканированием.

Можно выделить два конкурирующих направления создания таких антенн. Первое – цифровые АФАР с использованием ASIC на SiGe. К 2017 г. в их разработку для выхода на рынок инвестировано до $50 млн. Второе – создание пассивных ФАР с применением электрически управляемых пленок жидких кристаллов. Инвестиции в эти разработки за последние шесть лет составили около $220 млн.

Несмотря на значительные инвестиции, приемлемых технических решений пока нет. Так, стоимость антенны с использованием свойств жидких кристаллов составляет сегодня около $25 тыс., в то время как экономическая эффективность проектов OneWeb, SpaceX и им подобных обосновывалась при цене терминала со сканирующей антенной решеткой не более $300. Соответственно, актуальны исследования для поиска решений, которые позволили бы создать ФАР/АФАР для перспективных спутниковых систем связи, адекватных по техническим и ценовым параметрам.

Выступления участников круглого стола сопровождались вопросами и комментариями присутствующих. Так, В.А. Кашин, начальник научно-технического отделения ПАО “ГСКБ “Алмаз-Антей”, д.т.н., профессор, обратил внимание, что в выступлениях не были упомянуты АФАР с купольными линзами, которые более эффективны для обзора пространства, чем системы в виде четырехгранных пирамид с плоскими АФАР на боковых гранях.

Подводя итоги обсуждения, С.А. Топчиев, главный конструктор ПАО “Радиофизика”, к.т.н., поблагодарил участников за интересные выступления и обратил внимание на то, что, как следует из сообщений, для расширения функциональных возможностей систем радиолокации и спутниковой связи наиболее перспективным направлением развития являются АФАР с цифровым диаграммоформированием, обеспечивающие высокую информативность за счет создания большого количества лучей в широкой полосе частот. Для создания сверхширокополосных сканирующих систем целесообразно развивать фотонное диаграммоформирование.

Безусловно, перспективным является развитие радиолокации на просвет.

Для коммерческих систем связи и локации нужны разработки дешевых сканирующих антенн с приемлемыми характеристиками.