Принципы функционирования, классификация, тенденции развития и отличительные особенности антенных решеток

анализ - в определении свойств и исследовании работоспособности стенда по его описанию, т. е. при синтезе создаются, а при анализе оцениваются проекты испытательных стендов [10].

Резюмируя, следует отметить, что ни один из рассмотренных подходов не позволяет полностью учесть все особенности проведения испытаний целевой аппаратуры. Также следует учитывать, что на определенной стадии эксплуатации КА происходит расширение решаемых задач, что требует их конструкторских изменений. Это приводит к соответствующей модернизации испытательных стендов и созданию новых подходов к их разработке.

Литература

1. Автоматические космические аппараты для фундаментальных и прикладных научных исследований / под ред. Г. М. Полищука и К. М. Пичхадзе. М.: Изд-во МАИ ПРИНТ, 2010.

2. Материалы II Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» (II Козловские чтения). Самара, 2011. С. 124-127.

3. ГОСТ 16504-81. Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения. Утвержден и введен в действие постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 8 декабря 1981 г. N 5297 Переиздание. Март 1991.

4. Захаров Ю. В., Гришко Н. К., Мукеев Т. Т. Моделирование в наземных условиях активного этапа полета летательных аппаратов // Конструирование и технология изготовления космических приборов. М.: Наука, 1988. С. 8-13.

5. Испытания радиоэлектронной, электронно--вычислительной аппаратуры и испытательное оборудование / О. П. Глудкин, А. Н. Енгалычев, А. И. Коробов, Ю. В. Трегубов / под редакцией А. И. Коробова. М.: Радио и связь, 1987. 272 с.

6. Испытательная техника: Спр. в 2-х кн. / под ред. В. В. Клюева. М.: Машиностроение, 1982. кн. 1. 528 с., кн. 2. 560 с.

7. Основы испытаний летательных аппаратов: Учебник для втузов / Е. И. Кринецкий, Л. Н. Александровская, В. С. Мельников, Н. А. Максимов / под ред. Е. И. Кринецкого. М.: Машиностроение, 1989.

8. Теоретические основы испытаний и экспериментальная отработка сложных технических систем / Л. Н. Александровская, В. И. Круглов, А. Г. Кузнецов и др.: Уч. пос. М.: Логос, 2003. 278 с.

9. Ткаченко С. И., Ткаченко О. А., Самсонов В. Н. Методы экспериментальной отработки прочности конструкций летательных аппаратов. Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2007.

10. Эксплуатация испытательных комплексов ракетно-космических систем / А. Г. Галеев, А. А. Золотов, А. Н. Перминов, В. В. Родченко / под ред. д-ра техн. наук А. Н. Перминова. М.: Изд-во МАИ, 2007.

Принципы функционирования, классификация, тенденции развития и отличительные особенности антенных решеток Дробышев С. В.

Дробышев Сергей Викторович /Drobyshev Sergey Viktorovich — инженер, Открытое акционерное общество «Корпорация «Комета», г. Москва

Аннотация: антенные решетки являются самым распространенным классом современных антенн. В статье приведены их особенности, классификация, а также достоинства и недостатки. Ключевые слова: антенная решетка, фазированная антенная решетка, активная фазированная антенная решетка, приемопередающий модуль.

УДК 621.396

Антенна - устройство, предназначенное для изучения или приема радиоволн. Простейшая направленная антенна (симметричный вибратор) имеет невысокую направленность. Для увеличения направленности действия на первых этапах развития антенной техники стали применять систему вибраторов [1].

Антенные решетки (АР) - сложные антенны, состоящие из совокупности отдельных излучающих элементов, расположенных в пространстве особым образом. Излучающими элементами АР могут использоваться различные антенны, как малой, так и большой направленности являются симметричные и несимметричные вибраторы, щелевые вибраторы и др.

АР является самым распространенным классом современных антенн. Это обусловлено несколькими причинами:

• решетка из N элементов позволяет увеличить приблизительно в N раз коэффициент направленного действия и соответственно усиление антенны по сравнению с одиночным излучателем;

• возможность поднятия электрической прочности антенны и увеличение уровня излучаемой или принимаемой мощности путем размещения в каналах решетки независимых усилителей высокочастотной энергии;

• возможность сузить луч для повышения точности определения угловых координат источника излучения;

• быстрый обзор (сканирование) пространства за счет качания луча антенны электрическими методами (электрическое сканирование).

Остановимся немного на классификации решеток.

В зависимости от геометрии расположения излучателей в пространстве АР подразделяются: одномерные, двухмерные и трехмерные. К одномерным относятся линейные, кольцевые, дуговые решетки. К двухмерным - плоские и выпуклые решетки (цилиндрические, конические, сферические), также можно отнести и многогранные, представляющие пространственную систему плоских решеток, располагаемых на гранях выпуклых многогранников. Пространственная структура решетки в простейшем случае представляет собой систему из двух плоских решеток, параллельно расположенных в пространстве.

Рис. 1. Типы антенных решеток: а - линейная; б - дуговая; в - кольцевая; г - плоская; д - цилиндрическая; е - коническая; ж - сферическая; з — многогранная

Размещение излучателей в самой решетки может быть эквидистантное, т. е. расстояние между излучателями величина постоянная, и неэквидистантное - расстояние меняется по определенному закону или случайным образом.

По способу возбуждения излучателей различают так называемый пространственный способ возбуждения, при котором антенная решетка возбуждается облучателем. В этом случае возможны два варианта АР (рис. 2): проходной (а) и отражательный (б). Второй способ возбуждения фидерный, при котором решетку возбуждают системой линии передач СВЧ. При этом возможны следующие схемы питания излучателей: последовательная (в), параллельная (г) и двоично-этажная (елочка). При последовательном питании элементы решетки возбуждаются падающей волной последовательно друг за другом, а при параллельном - независимо, елочка же образуется за счет каскадного деления подводимой мощности на две части. Так же применяют различные комбинации совместного параллельно-последовательного, пространственного и фидерного способов возбуждения элементов АР.

Рис. 2. Схемы АР при пространственном (а, 6) и фидерном (в, г, д) возбуждении

При механическом сканировании, выполняемом поворотом все антенны, максимальная скорость движения луча в пространстве ограничена и при современных скоростях летательных аппаратов оказывается недостаточной. Поэтому возникла необходимость в разработке новых типов антенн -фазированных антенных решеток (ФАР) [2]. Это такие решетки, направление излучения и форма соответствующей диаграммы, направленности которых регулируется изменением амплитудно-фазового распределения токов или полей возбуждения на излучающих элементах. Данные системы позволяют осуществлять быстрый обзор пространства, многофункциональный режим работы, комплексирование радиосредств, адаптацию к конкретной обстановке, предварительную обработку сверхвысокочастотных сигналов, обеспечение электромагнитной совместимости и т. д. Они позволяют суммировать в пространстве мощности большого числа передающих модулей, управлять диаграммой направленности и производить электронное сканирование пространства.

Применение ФАР в радиолокационных специальных системах имеет многолетнюю историю. Прогресс в создании новых типов самолетов и ракет, который стал особенно интенсивен к середине XX века, привел к значительному росту скоростей целей и уменьшению их эффективной поверхности рассеяния [2]. Это потребовало существенного усовершенствования радиолокационных станций (РЛС), как одного из наиболее эффективных средств обнаружения воздушных целей и наблюдения за ними. Именно в этот период ФАР начали широко внедряться в РЛС различного назначения. Современные сверхвысокочастотные и высокочастотные фазоуправляемые решетчатые антенны пользуются широким спросом из-за их способности управлять волновым сигналом в пространстве без физического перемещения элементов антенны, что необходимо для быстрого перенаправления сигнала или его формирования. Это достигается при помощи электронного управления фазой сигнала

в системе антенны. Таким образом, можно сформировать любую форму сигнала антенны и направить его в нужную сторону, не приводя в движение ни один элемент антенны.

Дальнейшим развитием современных антенных систем является построение активных фазированных антенных решеток (АФАР). Эти решетки состоят из модулей, в которые входят кроме фазовращателей и излучателей, активные элементы для усиления, аналого-цифровые преобразователи, преобразователи частот, а так же другие устройства предварительной пространственно-временной обработки сигнала [3].

Отличительной чертой АФАР является перераспределение усиления из группового тракта приема и передачи в апертуру антенны за счет добавления нового элемента - приемопередающего модуля (ППМ). Этот модуль является основой пространственного канала обработки сигнала в АФАР. В его состав входит активный элемент - усилитель, который делает это устройство электродинамически невзаимным. Поэтому для обеспечения возможности работы устройства, как на приём, так и на передачу в нём разделяют передающий и приёмный каналы [4]. Современные ППМ выполняет следующие функции:

• формирует заданный уровень СВЧ-мощности в излучателе АФАР; принимает СВЧ-сигналы с требуемой чувствительностью и защитой малошумящего усилителя (МШУ) приемного канала;

• управляет раздельно амплитудой и фазой, излучаемых и принимаемых СВЧ-сигналов с обеспечением требуемой глубины регулировки, точности установки и стабильности во времени, в заданном частотном и динамическом диапазонах;

• переключает поляризации, излучаемых и принимаемых СВЧ-сигналов;

• управляет переключателями прием-передача;

• компенсирует температурную зависимость коэффициентов передачи ППМ в режимах передачи и приема;

• принимает и хранит кодовые команды цифрового вычислителя; выдает коды состояния основных параметров и общего сигнала исправности для контроля.

В результате применения ППМ появляются новые возможности системы в сравнении с ФАР, такие, как амплитудно-фазовое формирование лучей, улучшение технических характеристик и как результат повышенный ресурс и надежность РЛС. Сформулируем достоинства и недостатки АФАР.

Достоинства АФАР:

• Высокая надежность, поскольку отказ любого элемента решетки ухудшает работу антенны на долю процента.

• Способность управлять усилением индивидуальных ППМ. Простота эксплуатации из-за невысокого напряжения (питающее напряжение активных модулей от 24 до 30 В) и высокой фазовой стабильности.

• Малые массогабаритные характеристики ППМ дают выигрыш в массе и габаритных размерах по сравнению с антенными системами, где используются передатчики на электронно -вакуумных приборах, а так же позволяют проектировать многоэлементные решетки с высоким энергетическим потенциалом.

• Меньшие потери в распределительных трактах.

• Работа в более широкой полосе частот и секторе сканирования.

Естественно, что у АФАР есть и свои недостатки. Основными ключевыми особенностями для этой технологии являются:

• Высокая стоимость, как при проектировании, так и при изготовлении.

• Выделение большого количества теплоты и, соответственно, ее рассеивание.

Но в целом, можно сказать, что АФАР превосходят обычные радарные антенны по многим пунктам, обеспечивая надежность и высокую следящую способность. С постоянным развитием технологий постепенно снижается стоимость производства активных решеток, что впоследствии приведет их к более массовому использованию.

Литература

1. Лекции - Антенно-фидерные устройства - Лекция 7. Учебно-методическая литература для учащихся и

студентов. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.studmed.ru/docs/document997?view=8/

(дата обращения: 12.11.2016).

2. Воскресенский Д. М. Устройства СВЧ и антенны, 2003.

3. Воскресенский Д. И., Канащенков А. П. Активные фазированные антенные решетки. М.:

Радиотехника, 2004. 488 с.

4. Активная фазированная антенная решётка: свободная энциклопедия. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ (дата обращения: 12.11.2016).

Формирование требований к системе управления движением микроспутника

CubeSat Казаков А. И.

Казаков Алексей Игоревич /Kazakov Aleksey Igorevich - аспирант, кафедра аэрокосмических измерительно-вычислительных комплексов, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения Институт аэрокосмических приборов и систем, г. Санкт-Петербург

Аннотация: в данной работе исследованы основные требования к системе управления движением микроспутника типа CubeSat. В статье рассмотрены специфические характеристики микроспутников CubeSat, исследованы подходы к стандартизации подобных космических аппаратов на основе требований CubeSat Design Specification, выявлены возможности создания подобных спутников в России. Исходя из обозначенной специфики, определены требования к системе управления движением микроспутника типа CubeSat.

Ключевые слова: микроспутник, CubeSat, система управления, система управления движением.

УДК 629.783

Наша страна первой в мире произвела запуск космического аппарата - первого искусственного спутника Земли. В XXI веке Россия продолжает удерживать первенство в освоении космического пространства. Между тем, в мире широко развиваются проекты по запуску малых спутников независимыми командами разработчиков, а также в рамках учебных программ различных технических университетов. Во многом это определяется тем, что малые спутники, при их относительно небольшой стоимости, позволяют полноценно выполнять различные исследовательские задачи в космосе.

Стандарт CubeSat был создан совместно специалистами Политехнического университета штата Калифорния (США) и лаборатории развития космических систем Стэнфордского университета (США) в 1999 году для облегчения доступа к исследованию космического пространства студентами высших учебных заведений. В стандарте CubeSat были установлены основные подходы в спецификации на малые спутники - определены их размеры, вес и другие параметры, а также описаны процедуры тестирования и подготовки к запуску [7].

С тех пор данный стандарт был принят множеством организаций по всему миру. Сегодня свой вклад в совершенствование стандарта вносят разработчики не только из университетской среды и различных образовательных учреждений, но и частные компании, а также государственные организации. Применение стандарта CubeSat облегчает осуществить проекты доступа к космическому пространству с возможностями запуска спутников на большинстве существующих ракет-носителей. На сегодняшний день действует 13-ая редакция стандарта - CubeSat Design Specification (CDS) REV 13 [6]. Согласно современным подходам к типу CubeSat относятся спутники объемом до 10 см3 с массой до 1,33 кг.

Сегодня спутники типа CubeSat активно используются и космическими агентствами, например, НАСА (NASA) [2].

Важность и актуальность использования микроспутников, поиска наиболее оптимальных решений в области по их запуску и эффективному применению определяется не только научными целями и возможностями привлечения к космическим исследованиям студентов, но и ускоренным техническим развитием цивилизации, использованием все новых материалов в различных сферах производства, необходимостью рационального использования природных ресурсов. Поэтому формирование требований к системе управления движением микроспутников типа CubeSat выглядит важной методологической и практической задачей. При этом необходимо исходить из уже имеющихся требований и ограничений CDS.

Как показывает проведенный анализ подходов CDS, в документе не существует ограничений по использованию типа или вида систем управления (СУ) спутника. Разработчиками стандарта CDS определены, прежде всего, требования к обеспечению формы и размеров исполнения спутника (CubeSat Mechanical Requirements), электрическим характеристикам (Electrical Requirements), управлению по радиосигналу с позиции выбора частот и исключению воздействия на другие спутники (Operational Requirements), проведению испытаний (Testing Requirements) [6].

Вопросы использования какой-либо СУ не нашли своего отражения в стандарте CDS, что создает достаточно широкий простор для творчества команд разработчиков микроспутников типа CubeSat.