Бортовые цифровые многолучевые антенные решетки для систем спутниковой связи

Оглавление 
1 

Л.И. Пономарев, В.А. Вечтомов, А.С. Милосердов 
 
 
 
 
 
 
 
 
Бортовые цифровые  
многолучевые антенные решетки  
для систем спутниковой связи 

Под редакцией Л.И. Пономарева 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

2-е издание 

Оглавление 

УДК 621.37 
ББК 32.845 
        П56 
 
 
Рецензенты: 
д-р. техн. наук, профессор Г.И. Азаров; 
д-р. техн. наук, профессор В.Н. Митрохин 
 

 
Рассмотрены возможности спутниковых многолучевых зеркальных и линзовых антенн, а также особенности построения бортовых 
цифровых многолучевых антенных решеток на основе крупноапертурных зеркальных и линзовых излучателей. Приводятся результаты 
оптимизации структуры и характеристик крупноапертурных излучателей, а также антенных решеток из них. Показаны преимущества 
многолучевых крупноапертурных излучателей при построении антенных решеток для глобальных систем спутниковой связи и возможные схемотехнические и конструктивные решения по построению цифровых антенных решеток. 
Для специалистов в области разработки систем спутниковой связи, а также аспирантов и студентов, обучающихся по специальностям 
«Радиоэлектронные системы и комплексы» и «Радиотехника». 
 
УДК 621.37 
ББК 32.845 
 
 
 

 
 
 
© Пономарев Л.И., Вечтомов В.А., 
 
    Милосердов А.С., 2016 
 
© Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4808-1 
             МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018              

 
        Пономарев, Л. И.  
П56  
Бортовые цифровые многолучевые антенные решетки для систем 

 
спутниковой связи / Л. И. Пономарев, В. А. Вечтомов, А. С. Милосердов ; под ред. Л. И. Пономарева. — 2-е изд. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. — 197, [1] с. : ил.
 
ISBN 978-5-7038-4808-1 

Оглавление 
3 

 

Оглавление 

Предисловие  .............................................................................................  
5 
Список сокращений  .................................................................................  
7 
Введение  ...................................................................................................  
9 
 
Глава 1. Системы глобальной и региональной спутниковой связи 
и основные требования, предъявляемые к их антенным устройствам  .........................................................................................................  
21 
1.1. Общие принципы построения систем спутниковой связи  ......  
21 
1.2. Гибридно-зеркальные и гибридно-линзовые схемы построения 
       антенн для космических ретрансляторов геостационарных  
       спутников связи  ..........................................................................  
30 
1.3. Антенные системы и диаграммообразующие схемы зарубеж- 
       ных космических ретрансляторов с зонированным обслужи- 
       ванием  ..........................................................................................  
39 
1.4. Проблемы применения ФАР в качестве антенн бортовых  
        ретрансляторов  ..........................................................................  
47 
Глава 2. Бортовая многолучевая зеркальная антенна для геостационарного космического ретранслятора Ku-диапазона  ...............  
56 
2.1. Основные направления повышения эффективности бортового 
       космического ретранслятора для обеспечения связью терри- 
       тории РФ  .....................................................................................  
56 
2.2. Частотно-поляризационный план и структура парциальных  
        лучей МЛА региональной системы спутниковой связи  ........  
57 
2.3. Бортовая гибридно-зеркальная антенна для покрытия терри- 
        тории РФ  ....................................................................................  
60 
2.4. Результаты моделирования антенной системы  .......................  
64 
2.5. Оптимизация и расчет излучателя многоэлементного облуча- 
       теля МЛА  ....................................................................................  
68 
2.6. Конструктивное исполнение МЛА  ...........................................  
70 
2.7. Результаты экспериментальных исследований МЛА  .............  
74 
Глава 3. Зеркальный крупноапертурный излучатель для многолучевой антенной решетки системы спутниковой связи  ...............  
76 
3.1. Крупноапертурный излучатель для многолучевой антенной  
        решетки  ......................................................................................  
78 
3.2. Анализ и оптимизация параметров многолучевого зеркально- 
       го КАИ  .........................................................................................  
80 

Оглавление 

3.3. Оптимальные схема и алгоритм возбуждения многоэлемент- 
        ного облучателя  .........................................................................  
89 
3.4. Моделирование рельефа КУ многолучевого зеркального  
         крупноапертурного излучателя  ...............................................  
92 
3.5.Оптимизация уровня пересечения соседних лучей и рельефа  
      КУ в зеркальном КАИ с 7-элементным облучателем  ..............  
94 
3.6. Диаграмма направленности и рельеф КУ многолучевого зер- 
       кального КАИ с облучателем в виде семи круглых волноводов, 
       заполненных диэлектриком ........................................................  
98 
3.7. Коэффициент избыточности многолучевых антенных реше- 
       ток из КАИ ...................................................................................  100 
Глава 4. Линзовый многолучевой диэлектрический крупноапертурный излучатель МАР  ......................................................................  102 
4.1. Выбор профиля апланатической линзы  ...................................  102 
4.2. Электродинамическое моделирование линзового КАИ с облуча-  
      телем из семи волноводно-стержневых антенн  ........................  107 
4.3. Оптимизация профиля линзы и элемента облучателя КАИ  .........  109 
4.4. Диаграмма направленности линзового КАИ  ...........................  117 
4.5. Рельеф коэффициента усиления линзового КАИ  ....................  123 
4.6. Анализ частотных характеристик линзового КАИ  .................  127 
Глава 5. Многолучевой линзовый крупноапертурный излучатель, 
выполненный на основе волноводной линзы  ...................................  130 
Глава 6. Многолучевые цифровые антенные решетки из крупноапертурных излучателей  ..................................................................  136 
6.1. Схемы построения бортовых многолучевых ЦАР из КАИ  ..........  136 
6.2. О минимальном количестве излучателей в многолучевых антен- 
       ных решетках из КАИ  ................................................................  140 
6.3. Диаграммы направленности многолучевых антенных реше- 
       ток из КАИ  ..................................................................................  146 
6.4. Адаптивная антенна миллиметрового диапазона волн КА  
        Milstar-II  .....................................................................................  156 
6.5. Адаптивная многолучевая система для космического аппарата  
       третьего поколения — Advanced ENF  ......................................  159 
Глава 7. Схемотехнические и конструктивные решения по построению цифровой бортовой МЛА Х-диапазона  ............................  162 
7.1. Структурная схема входных цепей МАР  .................................  162 
7.2. Конструктивные особенности цифровых антенных решеток  
        из КАИ  ........................................................................................  166 
7.3. Анализ прочностных характеристик приемной бортовой  
        антенны  ......................................................................................  169 
7.4. Цифровая обработка сигналов в бортовой антенне  ................  178 
7.5. Технические решения по реализации конструкции АЦП  .......  188 
 
Литература  ................................................................................................  193

Предисловие 
5 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

С начала 2000-х гг. наблюдается интенсивное развитие систем 
спутниковой связи. Подобные системы решают проблему обеспечения связью и другими видами мультимедийных услуг с широкополосным доступом (Интернет, телевидение и т. д.) многочисленной группы абонентов в пределах территорий развитых стран и 
сопредельных государств. Однако дальнейшее развитие систем 
спутниковой связи как в интересах гражданского населения, так и 
для использования в военных целях, наталкивается на ряд серьезных научно-технических проблем, связанных с необходимостью 
разработки высокоэффективных космических бортовых ретрансляторов, обеспечивающих прием и передачу сигналов в пределах 
практически всего земного шара (зоны видимости космического 
аппарата). 
Важнейшим моментом при разработке таких ретрансляторов 
является создание бортовых многолучевых антенных устройств, с 
помощью которых достигается высокий энергетический потенциал 
для принимаемого и ретранслируемого сигналов в направлениях 
абонентов, находящихся в любой видимой с геостационарной орбиты точке земной поверхности. 
В монографии последовательно анализируются требуемые характеристики, динамика и возможные пути дальнейшего развития 
бортовых многолучевых антенн для систем спутниковой связи. 
В первых трех главах даны проблематика и аналитический обзор существующих типов спутниковых антенн и результаты разработки многолучевой гибридно-зеркальной антенны для региональной (в пределах Российской Федерации) системы спутниковой 
связи Ku-диапазона. 
В последующих главах (4−6) рассматриваются возможности и 
особенности построения цифровых многолучевых антенных решеток на основе крупноапертурных излучателей, а также анализируются и оптимизируются характеристики и параметры зеркальных 
и линзовых крупноапертурных излучателей. 

Предисловие 

В гл. 7 приводятся возможные схемотехнические и конструктивные решения по построению цифровых многолучевых антенных решеток на основе крупноапертурных излучателей. 
Монография написана как на основе анализа открытых зарубежных и отечественных источников по существующим бортовым 
многолучевым антеннам, так и в значительной степени на основе 
оригинальных работ авторов. 
Книга может быть полезной специалистам в области разработки систем спутниковой связи, а также аспирантам и студентам 
старших курсов радиотехнических факультетов и вузов, специализирующихся в области космической связи. 

Список сокращений 
7 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

ААР 
— адаптивная антенная решетка 
АР  
— антенная решетка 
АТ  
— абонентский терминал 
АС  
— антенная система 
АФАР  
— активная фазированная антенная решетка 
АЦП  
— аналого-цифровой преобразователь 
БРТК  
— бортовой радиотехнический комплекс 
БЦП  
— бортовая цифровая платформа 
ВЭО  
— высокоэллиптическая орбита 
ГСО  
— геостационарная орбита 
ГЗА  
— гибридно-зеркальная антенна 
ГЛА  
— гибридно-линзовая антенна 
ДН  
— диаграмма направленности 
ДОРА  
— долговременная радиационностойкая аппаратура 
ДОС  
— диаграммообразующая схема 
ЗС  
— земная станция 
ИСЗ  
— искусственный спутник Земли 
КА  
— космический аппарат 
КАИ  
— крупноапертурный излучатель 
КИП  
— коэффициент использования поверхности 
КЛТР 
— коэффициент линейного температурного расширения 
КУ  
— коэффициент усиления 
КНД  
— коэффициент направленного действия 
КПД  
— коэффициент полезного действия 
МАР  
— многолучевая антенная решетка 
МБЦП  
— мультисервисная бортовая платформа 
МЛА  
— многолучевая антенна 
МЛС  
— межспутниковая линия связи 
ММВ  
— миллиметровые волны 
МШУ  
— малошумящий усилитель 
МШПр  
— малошумящий преобразователь (частот) 
НО  
— направленный ответвитель 
ПЛИС  
— программируемая логическая интегральная схема 
ППРЧ  
— псевдослучайная перестройка частоты 

Список сокращений 

ПСС  
— подвижная спутниковая связь 
РДМ  
— регулируемый делитель мощности 
РН  
— ракета-носитель 
РСС-ВСД  — Российская спутниковая система высокоскоростного доступа 
РДМ 
— регулируемый делитель мощности 
РТР  
— ретранслятор 
САС  
— срок активного существования 
СВЧ  
— сверхвысокие частоты 
СБИС  
— сверхбольшая интегральная схема 
ССС  
— система спутниковой связи 
ТТХ  
— тактико-технические характеристики 
УБЛ  
— уровень боковых лепестков 
УВК  
— управляемые весовые коэффициенты 
УМ  
— усилитель мощности 
ФАР  
— фазированная антенная решетка 
ФСС  
— фиксированная спутниковая связь 
ЦАР  
— цифровая антенная решетка 
ЦАП 
— цифро-аналоговый преобразователь 
ЦДОС  
— цифровая диаграммообразующая схема 
ЦС  
— центральная станция 
ШПД  
— широкополосный доступ 
ЭИИМ  
— эффективная изотропно-излучаемая мощность 
ЭМС  
— электромагнитная совместимость 
CDTI  
— Испанский центр развития промышленной техники 
DVB (Digital Video Broadcast) — европейский стандарт цифрового телевещания 
DVB-S (DVB-Satellite) — европейский стандарт цифрового спутникового 
телевещания 
DVB-RCS (DVB-Return Cannel via Satellite) — европейский стандарт 
цифрового спутникового телевещания с обратным спутниковым каналом 
ESA — Европейское космическое агентство 
ITU (International Telecommunication Union) — Международный союз 
электросвязи (МСЭ) 
G/T (Gain-to-noise temperature) — добротность станции на прием (дБ/°K); 
QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) — квадратурная фазовая манипуляция 
VSAT (Very Small Aperture Terminal) — спутниковый терминал с малым 
размером антенны 

Введение 
9 

ВВЕДЕНИЕ 

Важнейшей составляющей качественного совершенствования базовых информационно-управляющих систем является 
космический сегмент спутниковой связи, в том числе с использованием геостационарных (ГСО) и высокоэллиптических 
(ВЭО) космических аппаратов (КА) связи. Поэтому создание 
перспективных космических ретрансляторов (РТР) с использованием бортовых многолучевых антенн (МЛА) и мультисервисных бортовых цифровых платформ (МБЦП) (рис. В1) является 
актуальной задачей. Первые серьезные проработки бортовых 
МЛА относятся к 1983 г. [1–3]. 
Комплекс «МЛАМБЦП» позволяет существенно экономить 
орбитально-частотный ресурс, многократно используя выделенную 
частотную полосу; увеличить пропускную способность системы 
спутниковой связи (ССС) за счет адресности передачи; обеспечить 
высокую пространственную селекцию между лучами за счет зонированного обслуживания, повышая при этом помехозащищенность 
каналов связи. Кроме того, комплекс позволяет коммутировать сигналы из луча в луч, устанавливая «односкачковую» связь между 
маломощными абонентскими терминалами (АТ) в сетях «каждый с 
каждым» и снижая требования к пропускной способности радиолинии «центральная станция (ЦС)РТР», а также защитить РТР от 
несанкционированного использования. 
Бортовые комплексы «МЛАМБЦП» уже широко используются за рубежом, обеспечивая не только повышение энергетического 
потенциала и пропускной способности спутникa-ретранслятора 
(например «Anik-F2», «Taicom-4» и др.), но и реализуя сети VSAT 
(Very Small Aperture Terminal — спутниковый терминал с малым 
размером антенны) любой топологии без строительства ЦС. 
Однако в РФ процесс разработки и применения комплекса 
«МЛАМБЦП» неоправданно затянулся. Проведенные маркетинговые и научно-технические исследования, широко освещаемые в 

 

Введение 

 

Рис. В1. МЛА с узкими лучами на КА связи (а); мультисервисная бортовая цифровая платформа на КА (б) 

научных и бизнес-журналах [4–13], позволяют выяснить причину 
такого положения и установить три основные области использования 
комплекса «МЛАМБЦП» в перспективных бортовых РТР. Это: