Активная передающая антенная система радиоподавления низкоорбитальных спутников-ретрансляторов системы связи Российский патент 2019 года по МПК H01Q21/00 G01S7/38 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам излучающим радиопомехи создающие радиоподавление приемной аппаратуре спутников-ретрансляторов (CP) спутниковой группировки современных низкоорбитальных систем спутниковой связи (НССС) L-диапазона.

Известна неподвижная квазиконформная фазированная антенная решетка с полусферической рабочей зоной [1], содержащая N плоских фазированных антенных решеток, примыкающих друг к другу и расположенные кольцевыми поясами, покрывающими осесимметричную поверхность двойной кривизны, и распределительное устройство, соединенное с каналами передачи подрешеток, и каналами приема, при этом плоские фазированные антенные подрешетки выполнены одинаковыми по конструкции с прямоугольной апертурой, и могут быть приемопередающими активными фазированными антенными решетками (ФАР), и расположены так, что в каждом покрывающем кольцевом поясе количество подрешеток кратно и в каждом последующем покрывающем поясе меньшего размера количество подрешеток на три меньше, чем в предыдущем покрывающем поясе, обзор полусферического пространства выполняется фазово-конформным способом одновременно тремя лучами, при этом проекции этих лучей на азимутальную плоскость отстают друг от друга на 120°.

Недостатком данного устройства является то, что оно не обеспечивает формирования диаграммы направленности антенны в интересах излучения помеховых сигналов в верхнюю полусферу одновременно всем низкоорбитальным СР.

Известны многогранные фазированные антенные решетки (ФАР) [2], такие как пирамидальные ФАР, имеющие плоские подрешетки размещенные на гранях правильной или усеченной пирамиды с числом боковых граней М=3…6, и такие как квазиконформные ФАР в виде вписанных в сферу многогранников с большим количеством (20…400) почти одинаковых граней, на которых расположены одинаковые плоские подрешетки, которые могут быть реализованы в виде поясной или икосаэдрической структуры. Количество излучающих элементов в одной подрешетке (10…100) определяется необходимым общим количеством излучателей ФАР N, минимально допустимым количеством подрешеток N_np и удобством эксплуатации системы.

Недостатком данных устройств является то, что все подрешетки имеют одинаковое количество излучателей, которые формируют равномерную диаграмму направленности, имеющую избыточную мощность в азимутальном направлении и недостаточную мощность в угломестной и большей степени рассчитаны на прием радиосигнала, а не на излучение радиопомех.

Активная передающая антенная система радиоподавления низкоорбитальных спутников ретрансляторов системы связи, представляющая собой устройство, в виде многогранника верхняя грань в виде правильного многоугольника параллельно основанию, а боковые грани имеющие форму равнобедренной трапеции, которые сформированы в виде ярусов имеющие разные углы наклона с размещенными на этих гранях излучающих элементов активной передающей фазированной антенной решетки (АПФАР), а количество излучающих элементов зависит от угла наклона грани яруса обеспечивая формирование и излучение радиопомех с требуемой для радиоподавления CP НССС мощностью в пределах телесного угла, в открытой публикации из всех доступных источников информации не найдено.

Целью изобретения является создание активной передающей антенной системы (АПАС) радиоподавления низкоорбитальных спутников ретрансляторов системы связи, обеспечивыающей радиоподавления линий радиосвязи, осуществляющих обмен информацией между абонентами CP НССС, мощностью в пределах телесного угла, определяемого в азимутальной и угломестной плоскостях значениями ширины главного лепестка диаграммы направленности (ДН), элементов АПФАР составляющих АПАС, в соответствующих плоскостях.

Поставленная цель достигается тем, что АПАС радиоподавления низкоорбитальных CP системы связи представляет собой многогранник, имеющий верхнюю грань параллельно основанию, представляющую собой правильный многоугольник, имеющий М сторон, и K ярусов содержащих М граней в форме равнобедренной трапеции, с размещенными на всех гранях излучающих элементов АПФАР, количество которых зависит от угла наклона грани яруса обеспечивая формирование и излучение радиопомех с требуемой для радиоподавления CP НССС мощностью в пределах телесного угла.

Сущность изобретения активной передающей антенной системы радиоподавления низкоорбитальных спутниковых систем связи поясняется следующими рисунками. На фиг. 1 показан внешний вид АПАС (вид сбоку), на фиг. 2 показан внешний вид АПАС (вид сверху), на фиг. 3 показан график зависимости требуемой и реализуемой эквивалентной изотропно излучаемой мощностью (ЭИИМ) от угла места CP, на Фиг. 4 показана таблица зависимости ЭИИМ и ширины ДН в угломестной плоскости от числа излучающих элементов, на фиг 5 показана таблица параметров АПАС, на фиг. 6 показаны углы наклона оси НД излучающих элементов АПФАР размещенных на гранях многогранника относительно горизонта.

Активная передающая антенная система радиоподавления низкоорбитальных спутников ретрансляторов системы связи представляет собой многогранник 1, состоящий из первого яру 1.2, второго яруса 1.3, K-го яруса 1.K.

Верхняя грань 1.1.1, расположена параллельно основанию многогранника 1, представляет собой правильный многоугольник имеющего М сторон.

Первый ярус 1.2 состоит из М граней 1.2.1, количество, которых соответствует количеству сторон верхней грани 1.1.1 правильного многоугольника. Форма граней 1.2.1 представляет собой равнобедренную трапецию верхняя сторона, которой взаимодействует со сторонами верхней грани 1.1.1, а боковые стороны взаимодействуют между собой и расположены грани 1.2.1 под неким углом к верхней грани 1.1.1.

Второй ярус 1.3 состоит из М граней 1.3.1, количество которых соответствует количеству граней первого яруса 1.2, а форма этих граней представляет собой равнобедренную трапецию верхняя сторона, которой взаимодействует с нижней стороны граней 1.2.1, боковые поверхности взаимодействуют между собой и расположены грани 1.3.1 под неким углом к граням 1.2.1.

Последующие ярусы по K-ый, имеют конфигурацию и взаимодействие между гранями, как между первым ярусом 1.2 и вторым ярусом 1.3.

На гранях 1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.K.1 размещены излучающие элементы АПФАР 2. Количество излучающих элементов АПФАР 2 зависит от угла наклона яруса, который определяется расчетным путем из условий формирования в верхней полусфере распределенной ЭИИМ.

Расчетный метод создания активной передающей антенная система радиоподавления низкоорбитальных спутников ретрансляторов системы связи позволяет сформировать многогранник 1 определив углы наклона граней 1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.K.1 ярусов 1.2, 1.3, 1.K, в зависимости от размещенных на гранях 1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.K.1 количество излучающих элементов АПФАР 2.

Совокупность излучающих элементов АПФАР 2 АПАС формируют в верхней полусфере ЭИИМ Э_АПАС(ϕ,θ) по азимуту ϕ (0≤ϕ≤360°) и углу места θ (θ_min≤θ≤90°), удовлетворяющее условию:

где Э_ТР(ϕ,θ) - требуемый для радиоподавления CP НССС уровень ЭИИМ;

θ_min - минимальный угол места CP, при котором еще обеспечивается требуемое качество связи, составляющий величину порядка 5°-10°.

Требуемый уровень ЭИИМ Э_ТР(ϕ,θ) в общем случае определяется из условия:

где Р_П - уровень мощности помехи на входе приемника CP, зависящий от ЭИИМ, характеристик антенной системы CP (коэффициента усиления антенны, ослабления усиления по боковым лепесткам ДН и др.), а также от дистанции радиоподавления, которая в общем случае зависит от углов ϕ и θ;

Р_С - уровень полезного сигнала от абонентского терминала на входе приемника CP;

q_ПС - требуемое для обеспечения радиоподавления соотношение уровней помеха/сигнал.

С учетом изложенного задача выбора варианта исполнения АПАС неразрывно связана с конструктивно-техническими решениями входящих в ее состав АПФАР (на фиг. не показано) имеющие излучающие элементы 2 размещенные на гранях 1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.K.1 и их параметрами (излучаемой мощностью, характеристиками ДН и др.).

Каждая АПФАР из состава АПАС состоит из нескольких парциальных каналов синтеза, усиления и излучения радиопомех (КСУИРП). Излучающие элементы АПФАР 2, конструктивно представляет собой линейную решетку излучателей в виде логопериодических антенн.

Количество сторон М правильного многоугольника 1.1.1 определяется из условия, а соответственно количество М граней 1.2.1, 1.3.1, 1.K.1 в каждом ярусе 1.2, 1.3, 1.K:

где Δϕ₀ - ширина главного лепестка ДН АПФАР в азимутальной плоскости по уровню минус 3 дБ;

ceil(z) - функция от z, соответствующая наименьшему целому числу, большему или равному z.

При количестве граней каждого яруса многогранника, удовлетворяющем условию (3), суммарная (эквивалентная) диаграмма направленности АПФАР каждого яруса в азимутальной плоскости будет близка к круговой.

Количество излучающих элементов АПФАР 2 размещаемых на каждой грани каждого яруса многогранника 1 одинаково по отношению к данному ярусу и увеличивается с увеличением номера яруса (сверху вниз). Количество излучающих элементов i_k каждой АПФАР K-то яруса (k=0, 1, 2, …, K, где K - количество ярусов многогранника 1), размещаемых на той или иной грани многогранника 1, углы наклона граней 1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.K.1 и, соответственно, углы ориентации осей главных лепестков ДН АПФАР в угломестной плоскости, являющихся нормалями к плоскостям граней 1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.K.1 многогранника 1, выбираются таким образом, что бы было выполнено условие (1).

Учитывая, что количество граней одного яруса многогранника 1, выбираемое в соответствии с выражением (3), обеспечивает формирование близкой к круговой ДН в азимутальной плоскости, математическое выражение критерия радиоподавления (1) можно представить в виде:

где Э_АПАС(θ) - ЭИИМ АПАС, соответствующая углу места θ, дБ⋅Вт;

Э_ТР(θ) - требуемый уровень ЭИИМ для радиоподавления CP НССС, находящегося по отношению к АПАС под углом места θ, дБ⋅Вт.

Выполнение условия (4) достигается:

- выбором необходимого количества каналов синтеза, усиления и излучения радиопомех КСУИРП (на фиг. не показано) в составе АПФАР каждого яруса, обеспечивающего создание требуемого уровня ЭИИМ в области главного лепестка ее ДН;

- выбором оптимальных углов наклона боковых граней 1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.K.1 многогранника 1, на которых размещаются излучающие элементы АПФАР 2, определяющих ориентацию осей ДН АПФАР в угломестной плоскости.

Определение необходимого количества i излучающих элементов АПФАР 2, размещенных на 1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.K.1, производится по формуле:

где Э_АПФАР(θ) - ЭИИМ АПФАР, соответствующая углу места θ, дБ⋅Вт;

Р - мощность помехового сигнала, подводимого ко входу одного излучающего элемента АПФАР 2;

G - коэффициент усиления одного излучающего элемента АПФАР 2.

Характеристики ДН АПФАР, представляющей собой линейную решетку синфазно возбуждаемых логопериодических антенн, в частности, ширина главного лепестка ДН в угломестной плоскости Δθ_i по уровню минус 3 дБ, зависят от числа i излучающих элементов АПФАР 2. Определение значения этого параметра может быть проведено по формуле:

либо, что предпочтительнее, на основе экспериментальных данных или с использованием методов математического моделирования распределения уровней электромагнитного поля, формируемого АПФАР в дальней зоне.

Соотношение (5) в сочетании с результатами расчета (измерения) ширины ДН АПФАР при различном числе излучающих элементов является основой для определения параметров АПФАР для различных ярусов 1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.K.1 многогранника 1: количества излучающих элементов АПФАР 2, ориентации осей главных лепестков АПФАР в пространстве.

Ось главного лепестка АПФАР, находящейся на грани 1.1.1 направлена в зенит, т.е. θ_1.1.1=90°. Уровень ЭИИМ излучаемый излучающими элементами АПФАР 2 на этой грани определяется из условия:

где Э_1.1.1 - ЭИИМ, соответствующая АПФАР с числом излучающих элементов i_1.1.1 дБВт;

Э_ТР(90°) - требуемая ЭИИМ, соответствующая углу возвышения CP, равному 90, т.е. находящемуся относительно АПАС в зените, дБВт;

Константа в выражении (7), равная 3, соответствует требуемому энергетическому запасу по мощности излучения АПФАР в пределах ширины ее главного лепестка ДН по уровню половинной мощности, выраженному в децибелах.

Число излучающих элементов АПФАР 2 выбирается минимальным из всех, удовлетворяющих условию (7).

Уровень ЭИИМ, излучаемый излучающими элементами АПФАР 2 на гранях 1.2.1 яруса 1.2, определяется из условия:

где θ_1.2.1 - угол наклона оси ДН АПФАР по отношению к горизонту, зависящий от числа излучающих элементов

Э_1.2.1 - ЭИИМ, соответствующая АПФАР с числом излучающих элементов i_1.2.1, дБВт;

Э_ТР(θ_1.2.1) ^- требуемая ЭИИМ, соответствующая углу возвышения CP, равному в θ_1.2.1 и определяемому по формуле:

где Δθ_1.1.1 - ширина главного лепестка ДН АПФАР с числом излучающих элементов i_1.1.1, размещаемых на верхней грани 1.1.1 многогранника 1;

Δθ_1.2.1 ^_ ширина главного лепестка ДН АПФАР с числом излучающих элементов i_1.2.1, размещаемых на одной грани 1.2.1 яруса 1.2.

Также как и в предыдущем случае, число излучающих элементов АПФАР 2 i_1.2.1 выбирается минимальным из всех, удовлетворяющих условию (8).

Расчет параметров АПФАР с излучающими элементами 2, размещаемыми на гранях 1.3.1 ярусе 1.3 и последующих сверху ярусах многогранника 1, проводится аналогичным образом. При этом математические соотношения для АПФАР некоторого K-го яруса многогранника 1 выглядят следующим образом:

где -сумма ширины главных лепестков ДН АПФАР находящихся между верхней гранью 1.1.1 и гранью 1.К.1 нижнего яруса 1.К.

Изложенный выше алгоритм расчета параметров АПАС различных граней 1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.K.1 ярусов 1.1, 1.2, 1.3, 1.K многогранника 1 (последовательно от верхней грани к нижней грани нижнего яруса) продолжается до тех пор, пока не будет найдено такое K, для которого будет выполнено условие:

где θ_min - минимальный угол возвышения CP, составляющий величину порядка 5°-10°.

Таким образом, в результате реализации изложенного алгоритма будут определены: количество ярусов K и боковых граней М каждого яруса многогранника 1, а также все необходимые параметры АПФАР различных ярусов.

Реализация АПАС на основе многогранника 1 с определенными в соответствии с изложенным алгоритмом параметрами, обеспечивает радиоподавление одновременно всех спутников-ретрансляторов НССС, находящихся в верхней полусфере относительно АПАС.

Представлен вариант конструктивно-технического исполнения АПАС с АПФАР (фиг. 1, фиг. 2) на основе логопериодических антенн, предназначенный для одновременного радиоподавления CP НССС «Иридиум» и «Глобалстар», использующих в направлениях линий радиосвязи «Земля-космос» полосы радиочастот в L-диапазоне.

Основными исходными данными для определения параметров АПАС и конструктивного исполнения многогранника являются:

- ширина ДН АПФАР, представляющих собой линейные решетки вертикально расположенных логопериодических антенн с различным количеством излучателей, в азимутальной плоскости;

- зависимости ЭИИМ и ширины ДН АПФАР в угломестной плоскости от числа излучателей (КСУИРП);

- зависимость требуемой ЭИИМ от угла места СР.

Ширина главного лепестка ДН линейной АПФАР на основе логопериодических антенн в азимутальной плоскости Δϕ₀ практически не зависит от числа излучателей в решетке и составляет величину в приделах от 90 до 120° [3].

Зависимости ЭИИМ и ширины ДН в угломестной плоскости от числа излучателей представлены в таблице 1. Фиг. 4.

Зависимости требуемого уровня ЭИИМ от угла места CP представлены на фиг. 3, где сплошная линия - для НГСС «Иридиум», пунктирная - для НГСС «Глобалстар».

При определении параметров АПАС в качестве Э_ТР(θ), входящей в выражение (4), использовалась зависимость, определенная следующим образом:

где Э_{ТР_IR}(θ), Э_{ТР_}GB(θ) - зависимости требуемого уровня ЭИИМ от угла места CP, соответствующие НССС «Иридиум» и «Глобалстар».

При таком выборе Э_ТР (θ) обеспечивается радиоподавление CP обеих рассматриваемых систем спутниковой связи.

С учетом приведенных исходных данных значение параметра М, определяющего количество сторон правильного многоугольника 1.1.1 и соответственно количество граней 1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.K.1 в каждом ярусе 1.2,1.3, 1.K многогранника 1, вычисленное по формуле (3), равно 4. В этом случае верхняя грань 1.1.1 многогранника 1 будет представлять собой правильный четырехугольник, т.е. квадрат, и соответственно, количество боковых граней на каждом ярусе 1.2, 1.3, 1.K многогранника 1 также равно 4.

Результаты определения других параметров АПАС, полученные в соответствии с изложенным выше алгоритмом и содержащие: количество излучающих элементов 2 в составе АПФАР различных граней 1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.K.1 ярусов 1.2, 1.3, 1.K многогранника 1, углы наклона осей ДН АПФАР в угломестной плоскости, общее количество ярусов многогранника 1, представлены в таблице 2 фиг. 5.

Внешний вид активной передающей антенной системы радиоподавления низкоорбитальных спутников ретрансляторов системы связи, представлен на фиг. 1 и фиг. 2.

Зависимости реализуемой ЭИИМ от угла места CP представлены на фиг. 3, где точечная линия - реализуемый уровень ЭИИМ при включении на излучение одиночных АПФАР из состава АПАС, штрихпунктирная линия - реализуемый уровень ЭИИМ при включении на излучение одновременно всех АПФАР из состава АПАС.

При использовании излучающих элементов АПФАР 2 другой конструкции меняется конфигурация многогранника 1. У многогранника 1 меняется число сторон правильного многоугольника 1.1.1 и соответственно количество граней в каждом ярусе, и число ярусов.

Список литературы

1. Патент 2406193 РФ, МПК H01Q 21/00. Неподвижная квазиконформная фазированная антенная решетка с полусферической рабочей зоной / А.А. Клинцов и др. (РФ); Открытое акционерное общество «Конструкторское бюро «Аметист» (РФ). - №2009114777/07; Заявлено 21.04.2009; Опубл. 10.12.2010, Бюл. 34. - 9 с.: 3 ил.

2. Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток): Учебн. Пособие для вузов. Воскресенский Д.И., Грановская Р.А., Давыдова Н.С.и др. / Под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1981. С. 157-161.

3. Журавлев А.В. Новые способы обеспечения электромагнитной совместимости техники радиоподавления и аппаратуры потребителей глобальных навигационных спутниковых систем / А.В. Журавлев. - Воронеж: Научная книга, 2017. - С. 55.

Активная передающая антенная система радиоподавления низкоорбитальных спутников-ретрансляторов системы связи относится к радиотехнике, в частности к устройствам, излучающим радиопомехи, создающие радиоподавление приемной аппаратуре спутников-ретрансляторов (CP) спутниковой группировки современных низкоорбитальных систем спутниковой связи (НССС) L-диапазона. Активная передающая антенная система (АПАС) радиоподавления низкоорбитальных спутников-ретрансляторов (CP) системы связи представляет собой многогранник, состоящий из нулевого яруса, представляющего собой правильный многоугольник, имеющий М сторон, и из K ярусов, имеющих М граней в форме равнобедренной трапеции, с размещенными на всех гранях излучающими элементами активной передающей фазированной решетки (АПФАР), на всех гранях многогранника размещены излучающие элементы АПФАР, количество которых различно и зависит от совокупности излучающих элементов АПФАР АПАС, излучающих в верхнюю полусферу эквивалентной изотропно излучаемой мощности (ЭИИМ) Э_АПАС(ϕ,θ) по азимуту ϕ (0≤ϕ≤360°) и углу места в (θ_min≤θ≤90°). Технический результат заключается в обеспечении радиоподавления линий радиосвязи, осуществляющих обмен информацией между абонентами СР НССС. 6 ил.

Активная передающая антенная система (АПАС) радиоподавления низкоорбитальных спутников-ретрансляторов (CP) системы связи, представляющая собой АПАС, обеспечивающую радиоподавление CP низкоорбитальных систем спутниковой связи (НССС), имеет вид многогранника, имеющего верхнюю грань параллельно основанию, выполненную в виде правильного многоугольника, имеющего М сторон, и K ярусов, содержащих М граней в форме равнобедренной трапеции, с размещенными на всех гранях излучающих элементов активной передающей фазированной антенной решетки (АПФАР), количество которых различно и зависит от совокупности излучающих элементов АПФАР АПАС, излучающих в верхнюю полусферу эквивалентной изотропно излучаемой мощности (ЭИИМ) Э_АПАС(ϕ,θ) по азимуту ϕ (0 ≤ ϕ ≤ 360°) и углу места θ (θ_min ≤ θ ≤ 90°), удовлетворяющее условию Э_АПАС(ϕ,θ) ≥ Э_ТР(ϕ,θ), где Э_ТР(ϕ,θ) - требуемый для радиоподавления CP НССС уровень ЭИИМ; θ_min - минимальный угол места CP, при котором будет обеспечено требуемое качество связи, требуемый уровень ЭИИМ, Э_ТР(ϕ,θ) определяется из условия где Р_П - уровень мощности помехи на входе приемника CP, зависящий от ЭИИМ, характеристик антенной системы CP, а также от дистанции радиоподавления, которая в общем случае зависит от углов ϕ и θ; Р_С - уровень полезного сигнала от абонентского терминала на входе приемника CP; ^q_ПС - требуемое для обеспечения радиоподавления соотношение уровней помеха/сигнал, количество сторон М правильного многоугольника из условия, а соответственно количество М граней в каждом ярусе: где Δϕ₀ - ширина главного лепестка диаграммы направленности (ДН) АПФАР в азимутальной плоскости по

уровню минус 3 дБ; ceil(z) - функция от z, соответствующая наименьшему целому числу, большему или равному z, количество излучающих элементов i определяется по формуле где Э_АПФАР(θ) - ЭИИМ АПФАР, соответствующая углу места θ, дБ⋅Вт; Р - мощность помехового сигнала, подводимого ко входу одного излучающего элемента АПФАР, G - коэффициент усиления одного излучающего элемента АПФАР, углы наклона граней определяются из выражения: где 90° - ось главного лепестка ДН АПФАР верхней грани, Δθ_1.1.1 - ширина главного лепестка ДН АПФАР с числом излучающих элементов i_1.1.1, размещенных на верхней грани, Δθ_1.К.1 - ширина главного лепестка ДН АПФАР с числом излучающих элементов i_1.К.1, размещенных на гранях нижнего яруса, - сумма ширины главных лепестков ДН АПФАР, находящихся между верхней гранью и гранью нижнего яруса, алгоритм расчета параметров АПАС различных граней ярусов многогранника (последовательно от верхней грани к нижней грани нижнего яруса) продолжается до тех пор, пока не будет найдено такое K, для которого будет выполнено условие: θ_1.К.1 + Δθ_1.К.1 ≤ θ_min, где θ_min - минимальный угол возвышения CP, составляющий величину порядка 5-10°.