MINIATURE ANTENNAS FOR CUBERSAT

全文:

Введение. В настоящее время наблюдается актив- ная тенденция по разработке и введению в эксплуата- цию малых космических аппаратов (КА) вместо больших КА. Малые КА обладают рядом преимуществ перед другими классами КА: - сравнительно малый срок разработки (от трёх до пяти лет вместо пяти-десяти лет); - удешевление вывода на орбиту за счёт кла- стерных или попутных запусков; - возможность оперативного и скрытного запус- ка из любой точки земного шара с помощью ракето- носителя подземного, воздушного базирования при высокой оперативности подготовки к запуску [1]; - технологичность создания, отвечающая страте- гии сокращения расходов и риска [2; 3]; - возможность быстрой модификации для реше- ния широкого круга задач с различным целевым на- значением; - снижение степени влияния спутниковой плат- формы на работу полезной нагрузки из-за меньшего собственного гравитационного, электромагнитного и газового (внешняя собственная атмосфера) фона; - экономическая эффективность целевого исполь- зования на высотах функционирования до 1000 км и особенно на высотах 200-500 км, на которых срок активного существования других классов КА, напри- мер тяжёлых КА, без применения соответствующих средств коррекции орбиты достаточно мал; - возможность утилизации в случае выхода из строя за счёт полного или частичного сгорания КА в верхних слоях атмосферы, т. е. простой способ утили- зации объекта, что, в свою очередь, ведёт к уменьше- нию космического мусора на орбите и околоземного пространства [4]; - ценовая привлекательность. Например, при запуске ракетоносителя «Союз-2.1а» 14 июля 2017 г. с космодрома Байконур были выведены одновременно 73 малых отечественных и зарубежных КА: КА «Канопус-В-ИК», КА «Ис- кра-МАИ-85» и др. [5], а на рис. 1 представлено их размещение на ракетоносителе. Таким образом, появился новый класс КА - малые КА, классификация которых приведена в табл. 1. Миниатюризация космической техники привела и к миниатюризации бортовой антенной системы [6]. Таблица 1 Классификация класса малых КА по стартовой массе № п/п Класс КА Масса КА, кг 1 Фемто- До 0,1 2 Пико- От 0,1 до 1 3 Нано- От 1 до 10 4 Микро- От 10 до 100 5 Мини- От 100 до 500 6 Малый От 500 до 1000 В настоящий момент, учитывая всё вышесказанное, существует острая потребность в малогабаритных, не- выступающих антеннах для класса малых КА [7; 8]. Целью данной статьи является разработка мало- габаритной, невыступающей антенной системы для класса сверхмалых КА CubeSat. Основные проблемы. CubeSat - формат сверхма- лых КА для исследования космоса. КА CubeSat обыч- но имеют объём до 1 литра и массу, не превышаю- щую 1,33 кг. Относительная лёгкость создания и не- большая стоимость сделала такие спутники доступ- ными для массового производства. В табл. 2 приведе- ны характеристики данного класса сверхмалых КА. Таблица 2 Размеры и вес сверхмалых КА CubeSat Обозначение Размеры Вес 1U 100×100×113,5 мм До 1,33 кг 2U 100×100×226,5 мм До 2,67 кг 3U 100×100×340,5 мм До 4 кг 4U 100×100×533,5 мм До 5,33 кг 5U 100×100×665,5 мм До 6,67 кг 6U 100×200×340,5 мм До 8 кг На рис. 2 и 3 представлены примеры конструкций КА CubeSat [9; 10]. Традиционно в качестве бортовых АФУ КА ис- пользуются различные типы антенн: спиральные, виб- раторные, рупорные, щелевые, зеркальные, открытый конец волновода и др. [11]. Так как площадь поверхности КА, предназначен- ная для установки АФУ, например, для КА типа CubeSat, составляет не более 10×10 см (табл. 2), то необходимо использовать такой тип антенны, кото- рый удачно размещался бы на поверхности. В свою очередь, необходимо также обеспечить приемлемые электрические характеристики антенной системы ма- лого КА [12]. Рис. 1. Ракетоноситель «Союз-2.1а» с малыми КА (дата запуска - 14.07.2017 г.) Fig. 1. The rocket carrier “Soyuz-2.1 a” with small spacecrafts (launch date 14.07.2017) а б в Рис. 2. Каркасная конструкция КА CubeSat: а - размером 1U; б - размером 2U; в - размером 3U Fig. 2. The frame construction of CubeSat 1U, 2U, 3U а б в Рис. 3. Конструкция КА CubeSat с применением сплошных стенок: а - размером 1U; б - размером 2U; в - размером 3 U Fig. 3. The construction of CubeSat 1U, 2U, 3U with using of solid walls Вариант построения миниатюрной бортовой антенной системы КА CubeSat. Проведен анализ научно-технической литературы по изысканию путей построения малогабаритной, невыступающей антен- ной системы для класса малых КА [13-16]. В ходе обзора был сделан выбор в пользу микро- полосковых (печатных) антенн (МПА) [17]. МПА, как правило, представляют собой много- слойные конструкции, состоящие из проводящей под- ложки, одного или нескольких слоёв диэлектрика и помещённых на них плоских проводящих излучаю- щих элементов, как показано на рис. 4 [18; 19]. Рис. 4. Структура МПА Fig. 4. Structure of microstrip antenna МПА способны излучать энергию с линейной, круговой и эллиптической поляризацией, допускают удобные конструктивные решения для обеспечения одно-, двух- и многочастотных режимов, позволяют легко объединить несколько излучателей в антенную решётку и разместить их на поверхности сложной формы. Также МПА обладают высокими аэродина- мическими, механическими и температурными харак- теристиками. Данный тип антенн обладает рядом неоспоримых преимуществ для построения указанной антенной системы малых КА, а именно: - малогабаритной, невыступающей конструкцией; - обеспечивают заданные требования к бортовым антеннам, составляющим антенную систему малых КА [12]; - высокой технологичностью благодаря примене- нию печатных технологий при изготовлении [20]; - простой конструкцией из-за минимального ко- личества элементов, входящих в конструкцию самой антенны, что в свою очередь повышает надёжность; - возможностью быстрого изготовления при се- рийном производстве благодаря простой конструк- ции, повторяемости характеристик и т. д.; - низкой стоимости благодаря малой металлоём- кости и возможности быстрого изготовления. Результаты моделирования. При моделировании бортовых антенн сверхмалого КА CubeSat был при- менён метод конечных элементов [21]. Как правило, для осуществления связи с бортом применяются частоты 435-438 МГц любительского УКВ-диапазона спутниковой связи. Бортовая антен- ная система включает в себя и навигационную антен- ну (ГЛОНАСС, GPS). В работах [22; 23] предложены и подробно пред- ставлены конструкция разработанной антенны и при- меняемые материалы в качестве диэлектрика подлож- ки. Подобный подход позволил уменьшить габариты бортовой антенны в 2-2,5 раза по сравнению с суще- ствующими аналогами. На рис. 5 представлены исследуемые электроди- намические модели связной бортовой антенны сверх- малого КА. Как видно на рис. 5, моделирование осуществля- лось на поверхности КА трёх форматов (1U, 2U и 3U), так как это наиболее используемые в настоящий мо- мент форматы сверхмалого КА CubeSat. Габариты модели составили 59×59 мм, толщина - 8 мм, матери- ал диэлектрика - ФЛАН-10 (ε = 10; tg δ = 1,5·10-3). При построении данной модели также был использо- ван предложенный ранее способ миниатюризации УКВ МПА [23]. На рис. 6 представлены зависимости коэффициен- та стоячей волны (КСВ) модели антенны от частоты. Как видно, влияние габаритов корпуса КА на КСВ бортовой антенны незначительное. С увеличением габаритов наблюдается смещение частоты вправо по частотной оси. Однако благодаря хорошему согласо- ванию за счёт подбора места расположения запиты- вающего штыря (точки возбуждения) [24], на рабочих частотах 435-438 МГц КСВ минимален (рис. 6), что соответствует предъявляемым требованиям по согла- сованию к бортовым антеннам малых КА [12]. На рис. 7 представлены диаграммы направленно- сти (ДН) модели антенны, где видно, что в пределах рабочих углов ±60°, согласно предъявляемому требо- ванию к ДН антенн малых КА [12], изменение габа- ритов самого КА незначительно влияет на ширину и форму ДН бортовой МПА и составляет менее 1 дБ (рис. 7). На рис. 8 показан коэффициент усиления (КУ) мо- дели антенны. Видно, что в пределах рабочих углов ±60°, соглас- но предъявляемому требованию к КУ антенн малых КА [12], изменение габаритов самого КА незначи- тельно влияет на КУ бортовой МПА и составляет ме- нее 0,5 дБ (рис. 8). Результаты моделирования бортовой связной МПА сверхмалого КА CubeSat сведены в табл. 3. Разработанная МПА излучает линейную поляри- зацию. Данный выбор сделан из следующих сообра- жений. При приёме на круговую поляризацию в слу- чае неориентированного полёта приём с противопо- ложной поляризацией невозможен. А антенна с ли- нейной поляризацией даёт ослабление сигнала только 3 дБ. Также предложенная антенна может быть ис- пользована не только как связная, но и в качестве те- леметрической и телекомандной. Таким образом, разработана малогабаритная, не- выступающая, связная бортовая МПА сверхмалого КА CubeSat с приемлемыми характеристиками на- правленности [25]. Экспериментальное исследование. Измерение характеристик направленности бортовых МПА про- водилось на территории антенного полигона АО «НИИЭМ» в полубезэховой камере [26]. В ходе измерений использовано следующее обо- рудование: - измерительная антенна П6-23А (эталонная); - измеритель КСВ и затухания «Обзор 304/1» фирмы «ПЛАНАР», г. Челябинск; - координатно-поворотное устройство; - технологические кабели; - программное обеспечение для антенных измерений. Измерения характеристик направленности прово- дились в соответствии с программой и методикой для космической продукции двойного назначения. На рис. 9 представлена измерительная установка для проведения измерений с применением метода эталонной антенны [27]. Изменение положения модели КА меняется с по- мощью координатно-поворотного устройства в пре- делах полного телесного угла. МПА 435 МГц в масштабе 1×1 была размещена на корпусе КА, как показано на рис. 10. На рис. 11 представлена зависимость КСВ иссле- дуемой антенны от частоты. На рис. 12 приведены ДН антенны. а б в Рис. 5. Модели бортовой связной МПА сверхмалого КА CubeSat: а - формата 1U; б - формата 2U; в - формата 3U Fig. 5. Models of on-board connected microstrip antenna of CubeSat 1 U, 2U, 3U Рис. 6. КСВ модели бортовой связной МПА сверхмалого КА CubeSat Fig. 6. VSWR of model of on-board connected microstrip antenna of CubeSat а б Рис. 7. ДН модели бортовой связной МПА сверхмалого КА CubeSat: а - при φ = 0°; б - при φ = 90° Fig. 7. Radiation pattern of model of on-board connected microstrip antenna of CubeSat: а - under φ = 0°; b - under φ = 90° а б Рис. 8. КУ модели бортовой связной МПА сверхмалого КА CubeSat: а - при φ = 0°; б - при φ = 90° Fig. 8. Gain of model of on-board connected microstrip antenna of CubeSat : а - under φ = 0°; b - under φ = 90° Таблица 3 Результаты моделирования МПА сверхмалого КА CubeSat Параметры оценки Предъявляемые требования Полученный результат Формат 1U 2U 3U 1U 2U 3U Габариты, см Не более 10×10×1 Не более 5,9×5,9×0,8 Частотный диапазон, МГц 435-437 МГц 435-437 МГц КСВ Не более 2 Не более 1,1 Рабочая полоса частот, МГц Не менее 3 18 17 25 ДН Полусфера ±180° по уровню -11 дБ КУ, дБ В рабочем секторе углов +3,3 дБ в направлении максимума излучения и +0,5 дБ в секторе углов ±60° Рис. 9. Фото измерительной установки Fig. 9. The photo of the measuring system Рис. 10. Фото антенного макета сверхмалого КА CubeSat формата 1U с МПА 435 МГц Fig. 10. The photo of the antenna layout Рис. 11. Зависимость КСВ МПА 435 МГц сверхмалого КА CubeSat формата 1U от частоты Fig. 11. VSWR of 435 MHz microstrip antenna of CubeSat 1U а б Рис. 12. Ненормированная ДН бортовой МПА сверхмалого КА CubeSat формата 1U: а - φ = 0°; б - φ = 90° Fig.12. The non-normalized radiation pattern of 435 MHz microstrip antenna of CubeSat 1U: а - φ = 0°; b - φ = 90° Из представленных результатов (рис. 12) видно, что измеренные ДН антенны имеют искажённый (из- резанный) вид, что в свою очередь вызвано влиянием корпуса сверхмалого КА CubeSat формата 1U, разме- щённых вокруг бортовой антенны элементов конст- рукции малого КА (см. рис. 10), а также конструктив- ными особенностями самой МПА. В ходе экспериментального исследования были получены следующие значения КУ бортовой МПА 435 МГц сверхмалого КА CubeSat: - КУ = 3,2 дБ в направлении максимума излучения; - КУ = 0,5 дБ в рабочем секторе углов ±60°. Заключение. Разработанная антенна (см. рис. 10) предназначена для применения в качестве вспомога- тельной связной антенны, которая размещается вме- сте с навигационной антенной на одной стороне сверхмалого КА CubeSat благодаря малым габаритам. Основная связная антенна располагается на противо- положной стороне аппарата, направленной на Землю. Такое расположение бортовых антенн позволяет обеспечивать связь между КА и наземными пунктами приёма в случае неориентированного полёта. Таким образом, в работе предложен вариант по- строения бортовой антенной системы сверхмалого КА типа CubeSat с помощью МПА. Представлены резуль- таты электродинамического моделирования и натур- ного эксперимента. Показано хорошее совпадение результатов моделирования и эксперимента [28].

作者简介

A. Generalov

JSC “Research Institute for Electromechanics”

Email: otd24@niiem.ru
11, Panfilova Str., Istra, 143502, Russian Federation

E. Gadzhiev

JSC “Research Institute for Electromechanics”

11, Panfilova Str., Istra, 143502, Russian Federation

参考

补充文件