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 зеркаль-
ных и линзовых антенн, а также особенности построения бортовых 
цифровых многолучевых антенных решеток на основе крупноапер-
турных зеркальных и линзовых излучателей. Приводятся результаты 
оптимизации структуры и характеристик крупноапертурных излуча-
телей, а также антенных решеток из них. Показаны преимущества 
многолучевых крупноапертурных излучателей при построении ан-
тенных решеток для глобальных систем спутниковой связи и воз-
можные схемотехнические и конструктивные решения по построе-
нию цифровых антенных решеток. 
Для специалистов в области разработки систем спутниковой свя-
зи, 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. Мило-
сердов ; под ред. Л. И. Пономарева. — 2-е изд. — Москва : Изда-
тельство 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 устрой-
ствам  .........................................................................................................  
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 геоста-
ционарного 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 много-
лучевой 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 крупноапер-
турный 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 круп-
ноапертурных 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 по-
строению 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 обеспе-
чения связью и другими видами мультимедийных услуг с широко-
полосным доступом (Интернет, телевидение и т. д.) многочислен-
ной 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 серьез-
ных научно-технических проблем, связанных с необходимостью 
разработки высокоэффективных космических бортовых ретранс-
ляторов, 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 ор-
биты точке земной поверхности. 
В монографии последовательно анализируются требуемые ха-
рактеристики, динамика и возможные пути дальнейшего развития 
бортовых многолучевых антенн для систем спутниковой связи. 
В первых трех главах даны проблематика и аналитический об-
зор существующих типов спутниковых антенн и результаты разра-
ботки многолучевой гибридно-зеркальной антенны для региональ-
ной (в пределах Российской Федерации) системы спутниковой 
связи Ku-диапазона. 
В последующих главах (4−6) рассматриваются возможности и 
особенности построения цифровых многолучевых антенных реше-
ток на основе крупноапертурных излучателей, а также анализиру-
ются и оптимизируются характеристики и параметры зеркальных 
и линзовых крупноапертурных излучателей. 

Предисловие 

В гл. 7 приводятся возможные схемотехнические и конструк-
тивные решения по построению цифровых многолучевых антен-
ных решеток на основе крупноапертурных излучателей. 
Монография написана как на основе анализа открытых зару-
бежных 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 разработ-
ки систем спутниковой связи, а также аспирантам и студентам 
старших курсов радиотехнических факультетов и вузов, специали-
зирующихся 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 теле-
вещания 
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 манипу-
ляция 
VSAT (Very Small Aperture Terminal) — спутниковый терминал с малым 
размером антенны 

Введение 
9 

ВВЕДЕНИЕ 

Важнейшей составляющей качественного совершенствова-
ния базовых информационно-управляющих систем является 
космический сегмент спутниковой связи, в том числе с исполь-
зованием геостационарных (ГСО) и высокоэллиптических 
(ВЭО) космических аппаратов (КА) связи. Поэтому создание 
перспективных космических ретрансляторов (РТР) с использо-
ванием бортовых многолучевых антенн (МЛА) и мультисервис-
ных 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 зони-
рованного 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 маркетинго-
вые и научно-технические исследования, широко освещаемые в 

 

Введение 

 

Рис. В1. МЛА с узкими лучами на КА связи (а); мульти-
сервисная 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: 

Введение 
11 

 гражданские ССС, управляемые российскими операторами 
космической связи (ФГУП «ГПКС», ФГУП «Морспутник»,  
ЗАО «Глобалтел», ОАО «Газком» и др. [6]); 
 развитие сетей на базе российской государственной группи-
ровки для решения социальных проблем [7, 8]; 
 совершенствование ССС в интересах развития телекоммуни-
кационных систем с двойным применением [9]. 
Первое направление — реализация комплекса «МЛАМБЦП» 
на КА, управляемых российскими операторами космической связи 
(серии «Экспресс АМ», ФГУП «Космическая связь» и «Ямал», 
ОАО «Газпром космические системы» (рис. В2)), представляется 
маловероятным, поскольку при реализации этого проекта необхо-
димо перестраивать сеть земных станций (ЗС). 
Несмотря на то что спрос на спутниковые транспондеры с 
прямой ретрансляцией сигналов неуклонно растет [4], идти на 
большие финансовые затраты, связанные с внедрением бортово-
го комплекса «МЛАМБЦП», без поддержки со стороны госу-
дарственного бюджета операторы ССС пока не готовы. Макси-
мум, на что могут пойти операторы ССС, — это применение 
МЛА в целях создания контурных диаграмм направленности 
(ДН) с высокой крутизной скатов и возможностью реконфигу-
рирования зоны обслуживания путем включения и выключения 
парциальных лучей в процессе эксплуатации РТР. В настоящее 
время для создания контурных ДН в ССС, как правило, исполь-
зуются профилированные зеркальные антенны, обеспечиваю-
щие зоны обслуживания, достаточно точно совпадающие с тер-
риторией РФ и сопредельных государств (рис. В3). 
На рисунке В3, а цифрами дана эффективная изотропно излу-
чаемая мощность (ЭИИМ) в дБВт, а на рисунке В3, б сверху — 
ЭИИМ, снизу — отношение усиления к эквивалентной шумовой 
температуре. 
Второе направление применения комплекса «МЛАМБЦП» 
на РТР российской спутниковой группировки связано с решением 
важной социальной задачи — создания единого информационного 
пространства РФ. Только ССС может обеспечить население РФ 
современными информационными технологиями на ее громадной 
территории. Ни сотовая, ни радиорелейная (в том числе и тропо-
сферная), ни волоконно-оптическая связи не обладают такими 

Введение 

возможностями, особенно применительно к Восточной Сибири и 
Дальнему Востоку. 

Рис. В2. КА серии «Экспресс АМ» (а); КА «Ямал-200» в сборочном цехе (б); 
КА «Ямал-200» в транспортном положении (в) 

Эта задача рассматривалась в 2009 г. в рамках работы комис-
сии по модернизации и технологическому развитию экономики 
России. Системный проект «Обоснование и выбор оптимальных 
системно-технических решений в части космического сегмента 
российской спутниковой системы высокоскоростного доступа 
(РСС-ВСД)» [14–16], представленный этой комиссией, направлен