Почему так трудно сделать дешевую плоскую фар антенну для спутниковой связи??
Известно, что для терминалов , работающих с низкоорбитальными спутниовыми группировками идеален терминал с плоской антенной , в которой слежение за ИС З производится сканированием луча. Так же такие антенны называются ФАР Фазированной решеткой.
Так же известно, что несмотря на то , что более чем 20 компаний сейчас в мире занимаются разработкой плоских антенн для терминалов спутниковой связи их успехи еще очень далеки от желаемого. Попробуем понять, в чем тут проблема ??
Известно, что ФАР не новая разработка 21 века , их давно применяют для радиолокации . Поговорим сначала о том в каких диапазонах (частотах работают) РадиоЛокационные Станции , где частот применяются такие антенны
Итак вот диапазоны частот, используемые в мире РЛС
Зеленые полосы это частоты, выделенные Мэждународным Союзом Электросвязи для РадиоЛокации.
Радиолокационные системы работают в широком диапазоне излучаемых частот. Чем выше рабочая частота радиолокатора, тем сильнее влияют на распространение электромагнитных волн атмосферные явления, такие как дождь или облака. Но одновременно с этим на более высоких частотах достигается лучшая точность работы радиолокационного средства. На Рисунке 2 показаны диапазоны частот электромагнитных волн, используемые радиолокационными средствами.
А- и В-диапазоны (ВЧ и ОВЧ)
В русскоязычной литературе эти диапазоны называют диапазоном высоких частот (ВЧ) и диапазоном очень высоких частот (ОВЧ, иногда — метровым диапазоном), в англоязычной — диапазоном HF (High Frequency) и диапазоном VHF (Very High Frequency).
Эти радиолокационные диапазоны ниже 300 МГц имеют давнюю историю применения, поскольку именно в этих диапазонах активно развивались радиотехнологии в годы Второй мировой войны. В настоящее время эти частоты используются в радиолокаторах раннего обнаружения и так называемых загоризонтных радиолокаторах (Over The Horizon, OTH). Для таких низких частот легче строить высокомощные передатчики. Затухание электромагнитных волн на таких частотах меньше, чем при использовании более высоких частот. С другой стороны, точность таких радиолокаторов ограничена, поскольку низкие частоты требуют антенн с очень большими физическими размерами, что определяет точность измерения и разрешающую способность по угловым координатам. Кроме того, эти диапазоны частот используются и другими службами, связью и радиовещанием, поэтому полоса частот для радиолокаторов ограничена (что, опять же влияет на точность и разрешающую способность).
Однако, в последнее время, интерес к использованию этих диапазонов частот в радиолокации возвращается, поскольку на этих частотах технологии снижения радиолокационной заметности Stealth не обеспечивают требуемого эффекта.
С-диапазон (УВЧ)
Этот диапазон называется диапазоном ультравысоких частот (УВЧ) или дециметровым диапазоном. В англоязычной литературе — Ultra High Frequency (UHF). Существует не так много радиолокационных систем, разработанных для этого частотного диапазона (от 300 МГц до 1 ГГц). Эти частоты хорошо подходят для радиолокационного обнаружения и сопровождения спутников и баллистических ракет на больших расстояниях. Радиолокаторы, работающие в этом диапазоне частот, используются для раннего обнаружения и предупреждения о целях как, например, обзорный радиолокатор в системе противовоздушной обороны средней дальности MEADS (Medium Extended Air Defense System). Некоторые метеорологические радиолокационные системы, например, предназначенные для построения профиля ветра, работают в этом диапазоне, поскольку распространение электромагнитных волн на таких частотах слабо зависит от облаков и дождя.
D-диапазон (L-диапазон)
Этот частотный диапазон (от 1 до 2 ГГц) является предпочтительным для работы радиолокаторов дальнего обнаружения с дальностью действия до 250 морских миль (около 400 километров). Они излучают импульсы высокой мощности с широким спектром и, зачастую, с внутриимпульсной модуляцией. Вследствие кривизны земной поверхности максимальная дальность обнаружения ограничена для целей, находящихся на малых высотах. Такие цели, по мере увеличения дальности, очень быстро исчезают за радиогоризонтом. В этом диапазоне частот работают радиолокаторы дальнего обнаружения в системе управления воздушным движением, такие как трассовый обзорный радиолокатор (Air Route Surveillance Radar, ARSR). Если букву L подразумевать как первую в слове Large (большой), то обозначение L-диапазон является хорошей мнемонической рифмой для большого размера антенны или большой дальности действия.
E/F-диапазон (S-диапазон)
В этом диапазоне атмосферное ослабление выше, чем в D-диапазоне. Радиолокаторам, работающим в этом диапазоне, требуется значительно большая излучаемая мощность для того, чтобы достичь хороших значений максимальной дальности действия. В качестве примера можно привести радиолокатор средней мощности MPR (Medium Power Radar) с импульсной мощностью 20 МВт. В этом частотном диапазоне влияние погодных условий сильнее, чем в D-диапазоне. Поэтому несколько метеорологических радиолокаторов работают в E/F-диапазоне но, в основном, в тропических и субтропических климатических зонах, поскольку тут они могут «видеть» за пределами сильного шторма.
Специальные аэродромные обзорные радиолокаторы (Airport Surveillance Radar, ASR) используются в аэропортах для обнаружения и отображения положения самолетов в воздушном пространстве аэропортов, в среднем, на дальностях 50…60 морских миль (около 100 км). Аэродромные радиолокаторы определяют положение самолетов и погодные условия в районах как гражданских, так и военных аэродромов.
Обозначение S-диапазона (Small, Short – малый, короткий), в противоположность обозначению L-диапазона, может трактоваться как обозначение меньших размеров антенн или меньшей дальности действия.
G-диапазон (С-диапазон)
В G-диапазоне (от 4 до 8 ГГц) работают много военных мобильных радиолокаторов (обзора поля боя, управления оружием и наземной разведки) с малой и средней дальностью действия. Размеры антенн обеспечивают отличную точность измерения и разрешающую способность и, при этом, будучи сравнительно небольшими, не препятствуют быстрому перемещению. Влияние плохих погодных условий очень существенно.
I/J-диапазон (X- и Ku-диапазоны)
В этом диапазоне частот (от 8 до 12 ГГц) соотношение между используемой длиной волны и размером антенны существенно лучше, чем в диапазонах более низких частот. I/J-диапазон является сравнительно распространенным в военных применениях, таких как бортовые радиолокаторы, обеспечивающие функции перехвата воздушной цели и ведение огня по ней, а также атаки наземных целей. Очень малый размер антенны определяет хорошую применяемость. Системы наведения ракет в I/J-диапазоне имеют приемлемые размеры для комплексов, для которых важны мобильность и малый вес, а большая дальность действия не является основным требованием.
K-диапазон (K- и Ka-диапазоны)
Чем выше частота, тем сильнее атмосферное поглощение и затухание электромагнитных волн. С другой стороны потенциальная точность и разрешающая способность тоже возрастают. Радиолокационные системы, работающие в этом диапазоне, обеспечивают небольшую дальность действия, но очень высокое разрешение и высокую скорость обновления данных.
V-диапазон
Вследствие явления рассеяния на молекулах (влияние влажности воздуха) затухание электромагнитных волн в этом диапазоне очень высокое. Радиолокационные применения здесь ограничены дальностью действия в несколько метров.
W-диапазон
В этом диапазоне наблюдаются два явления: максимальное затухание вблизи 75 ГГц и относительный минимум на частоте около 96 ГГц. Оба эти эффекта используются на практике. В автомобилестроении небольшие встроенные радиолокационные средства работают на частотах 75…76 ГГц в парковочных ассистентах, для просмотра слепых зон и ассистентах торможения. Высокое затухание (влияние молекул кислорода О2) снижает уровень помех от таких радиолокационных средств.
Радиолокационные установки, работающие на частотах от 96 до 98 ГГц, используются в качестве лабораторного оборудования. Они позволяют получить представление о применении радиолокации на чрезвычайно высоких частотах, таких как 100 ГГц.
Как мы знаем современные сети спутниковой связи на LEO используют Ку и Ка диапазоны то есть 11/14 и 18/30 Мгц. Про эти частоты сказано:
Очень малый размер антенны определяет хорошую применяемость.
большая дальность действия не является основным требованием.
Для примера возьмем авиационную РЛС
радиолокационная станция «Ирбис» с пассивной фазированной антенной решеткой (ПФАР) многофункциональных сверхманевренных истребителей Су-35С обнаруживает воздушные объекты на расстоянии до 400 километров.
Итак, имеем плоская антенна с фазированной решеткой (причем не активной, а пассивной,то есть один передатчтк на все элементы фазированной решетки) . Размер такой же как у антенны планируемой для СтарЛинк или Киметы 50..80 см в диаметра. Дальность те же самые 400 км (где 400, там и 550 км). Правда стоит она явно не 200 долларов.
В общем как уверяют нас некоторые авторы комментариев — всего то делов построить конвейер и наштамповать 1 миллион штук.
И даже есть видео как примерно сейчас делают элементы фазированной решетки:
Ну не так просто, но и не дай бог что .
Но есть один момент
//Н035 «Ирбис» — российская авиационная многорежимная радиолокационная станция с фазированной антенной решёткой, разработки НИИП и ГРПЗ. Средняя мощность радара на излучение — порядка 5 кВт, максимальная — 20 кВт. Управление лучом электронное (с механическим доворотом полотна антенны двухстепенным электрогидроприводом для увеличения угла отклонения луча). Дальность обнаружения воздушных целей до 400 км
5 киловатт!!!! И самолетный радар работает ИМПУЛЬСНО!! А теперь представим, что терминал СтарЛинка потребляет эти 5 киловатт и терминал у нас работает постоянно!!. А его кпд, то есть сколько энергии уйдет в радиоволну это хорошо, если 1% (раз в 7 меньше, чем у паровоза 🙂 остальные 99% энергии уходит в тепло. Думаю скоро антенна, постоянно требующая 5 квт , просто расплавится вместе с крышей дома!! То есть инженерам Спейс х опыт создания АФАР для РЛС мягко говоря не подходит, им нужны системы с гораздо большей эффективностью преобразования энергии в радиосигнал!! (безусловно лобовое сравнение РЛС и спутникового канала не совсем корректно , нам не нужно получать отраженный сигнал обратно , что справедливо отметил в комментах уважаемый 
dsv_nsk
Как отметил уважаемый sas1 в комментах , при увеличении расстояния с 400 до 550 км мощность растет в 1,9 раза, но с другой стороны потери можности сигнала (его затухание в атмосфере значительно сильнее чем в космосе).
Вот что написал уважаемый electronick
// Приемный терминал Starlink должен состоять из сканирующей антенной системы и модема. С модемом все понятно.
Сканирующая антенная система — это фактически две активные фазированные решетки (АФАР) — приемная и передающая.
В состав АФАР входит канальный элемент и процессор управления. С процессором тоже все ясно.
Канальный элемент — это фазовращатель плюс приемный или передающий модуль (МШУ или УМ в нем).
Рисунок взят из коммента уважаемого good_oncle
Идеально, если канальный элемент будет собран в одном миниатюрном корпусе. Нужно их несколько сотен (определяется углами сканирования антенны и требуемыми скоростями).
Если в бизнес планах SpaceX писал, что терминал должен стоить 300$, то канальный элемент должен стоить 1$. Этого близко нет. СВЧ техника пока совсем не миниатюрная и не дешевая (сотовые телефоны не в счет — там антенна штырь)))
Отсюда начинается «костыли».
А вот мнение еще одного специалиста
//Терминал работает на частотах 10,7-14,5 ГГц . Обычные электронные материалы и компоненты не подходят для этих частот. Даже обычные материалы для печатных плат имеют слишком большое рассеивание и слишком большие вариации параметров. Вам нужно использовать гораздо более дорогие и сложные для обработки материалы — обычно
high frequency circuit materials are filled PTFE (random glass or ceramic) composite laminates (русское название я подобрать не могу)
for use in high reliability, aerospace and defense applications. . Обычный лист такого материала уже является относительно дорогим, и, кроме того, он требует очень тщательной обработки для получения многослойной платы с очень жестко контролируемыми параметрами. Многослойная микроволновая плата размером с пиццу в настоящее время не является чем-то дешевым.
Фазированный массив для антенны, вероятно, будет иметь 256 отдельных приемных элементов и такое же количество передающих элементов . Это означает фильтры, малошумящие усилители, усилители мощности, задержки с цифровым управлением для каждого такого элемента. Они должны быть изготовлены для работы с высокими частотами, плюс пассивные компоненты (например волноводы) должны иметь очень низкими потери мощности сигнала в них. Самая дешевая технология, оптимизированная для такого применения, сильно дороже, чем технология для создания чипов для высокопроизводительных процессоров для серверов.
То есть , как я понял здесь речь идет не просто о том, чтобы просто нарисовать некий необычный чип , а о том, что есть много конструкторско технологических проблем, как увязать несколько сложных требований на небольшом пространстве, а потом еще и сделать такое устройство дешевым..
P.S. Уважаемые Читатели , автор сего поста крайне заинтересован понять ценность для Вас этих его «многабукофф». Для чего, если Вас это не затруднит, просит Вас френдить .его ЖЖ и/или нажимать на кнопочку «понравилось» в старой версии ЖЖ она вверху Это поможет Автору понять запросы Аудитории и улучшить свои посты .Конечно, прямая критика, что не так, всячески приветствуется.
Активная фазированная антенная решетка
Активная фазированная антенная решетка (АФАР) является следующим этапом в развитии пассивной. В такой антенне каждая ячейка решетки содержит свой приемопередатчик. Их количество может превысить одну тысячу.
Активная фазированная антенная решетка (АФАР) является следующим этапом в развитии пассивной. В такой антенне каждая ячейка решетки содержит свой приемопередатчик. Их количество может превысить одну тысячу. То есть, если традиционный локатор — это отдельные антенна, приемник, передатчик, то в АФАР приемник с передатчиком и антенна «рассыпаются» на модули, каждый из которых содержит щель антенны, фазовращатель, передатчик и приемник.
Раньше, если, например, вышел из строя передатчик, самолет становился «слепым». Если в АФАР будут поражены одна-две ячейки, даже десяток, остальные продолжают работать. В этом и есть ключевое преимущество АФАР. Благодаря тысячам приемникам и передатчикам повышается надежность и чувствительность антенны, а также появляется возможность работать на нескольких частотах сразу.
Но главное, что структура АФАР позволяет РЛС параллельно решать несколько задач. Например, не только обслуживать десятки целей, но и параллельно с обзором пространства очень эффективно защищаться от помех, ставить помехи радарам противника и картографировать поверхность, получая карты высокого разрешения.
Перспективы развития фар
К наиболее важным направлениям дальнейшего развития теории и техники ФАР относятся: 1) широкое внедрение в радиотехнические устройства ФАР с большим числом элементов, разработка элементов новых типов, в частности для активных ФАР; 2) развитие методов построения ФАР с большими размерами раскрывов, в том числе неэквидистантных ФАР с остронаправленными антеннами, расположенными в пределах целого полушария Земли (глобальный Радиотелескоп), 3) дальнейшая разработка методов и технических средств ослабления вредных влияний взаимной связи между элементами ФАР; 4) развитие теории синтеза и методов машинного проектирования ФАР; 5) разработка теории и внедрение в практику новых методов обработки информации, принятой элементами ФАР, и использования этой информации для управления
ФАР, в частности для автоматического фазирования элементов (самофазирующиеся ФАР) и изменения формы ДН, например понижения уровня боковых лепестков в направлениях на источники помех (адаптивные ФАР); 6) разработка методов управления независимым движением отдельных лучей в многолучевых ФАР.
Рис. 1. Структурные схемы некоторых фазированных антенных решеток (ФАР) — линейной эквидистантной с симметричными вибраторами и общим зеркалом (а); линейной неэквидистантной с полноповоротными зеркальными параболическими антеннами (б); плоской с прямоугольным расположением рупорных излучателей (в); плоской с гексагональным расположением диэлектрических стержневых излучателей (г); конформной с щелевыми излучателями (д); сферической со спиральными излучателями (е); системы плоских фазированных антенных решеток (ж);
В — вибраторы; Ф — линии возбуждения (фидеры); З — токопроводящее зеркало (рефлектор); А — зеркальные антенны; Р — рупоры; ВР — возбуждающие радиоволны; Э — металлический экран; Щ — щелевые излучатели; К — коническая ФАР; Ц — цилиндрическая ФАР; С — спиральные излучатели;
Рис. 2. Примеры фазированных антенных решёток с электромеханическим (а), частотным (б) и электрическим (в) сканированием: Щ, — щелевые излучатели; В — прямоугольный возбуждающий волновод; Н — продольная пластина (нож) с управляемой глубиной погружения в волновод (служит для изменения фазовой скорости волны в волноводе);
Рис. 3. Типовые схемы возбуждения фазированных антенных решёток (ФАР) с последовательных возбуждением (а), параллельным возбуждением (б), многолучевой ФАР (в), квазиоптических ФАР — проходного (г) и отражательного (д) типов: В — возбуждающий фидер; И — излучатели;
ПН — поглощающая нагрузка; Л — диаграмма направленности (луч); B1 — B4 входы ФАР; ДС — диаграммообразующая схема; ОИ — основные излучатели; ВИ — вспомогательные излучатели; СИ — совмещенные излучатели; О — облучатель; От — отражатель; φ — фазовращатель; пунктиром изображена электромагнитная волна с плоским фазовым фронтом, излучаемая ФАР, штрих-пунктиром — со сферическим фазовым фронтом, излучаемая облучателем.
Рис. 4. Структурные схемы некоторых активных фазированных антенных решёток — передающей (а), приёмной с фазированием в цепях гетеродина (б) и приёмной с фазированием в трактах промежуточной частоты (в): И — излучатель; УМ — усилитель мощности; В — возбудитель; С — смеситель; Г — гетеродин; УПЧ — усилитель промежуточной частоты; СУ — суммирующее устройство; φ — фазовращатель.
Преимущества:
– превосходят обычные радарные антенны почти во всех отношениях, обеспечивая более высокую следящую способность и надёжность,
– возможность решать параллельно несколько задач.
Применение:
– военная техника,
– военные и гражданские РЛС,
– спутники,
– продукция гражданского назначения: самолеты, экранопланы, экранолеты и пр.
Примечания
Как только страница обновилась в Википедии она обновляется в Вики 2.Обычно почти сразу, изредка в течении часа.
Принцип работы
Антенна подключается к мощному радиопередатчику и излучает короткий импульсный сигнал. Затем передатчик отключается от антенны, и она соединяется с чувствительным приёмником, который усиливает отражения излучённого сигнала от целевых объектов. Измеряя время, которое потребовалось для возвращения сигнала, можно определить расстояние до объекта. Полученный результат используется для дальнейшей обработки или отображается на дисплее.
В общем случае, для сканирования определённой части неба антенна должна физически перемещаться в разных направлениях. С появлением в 1960-х годах твердотельных устройств, позволяющих управлять задержкой передаваемого сигнала, стала возможной практическая реализация антенн с пассивными ФАР больших размеров.
ПФАР распределяет сигнал от одного источника на сотни путей, выборочно задерживая некоторые из них, и посылает на индивидуальные антенны. Радиосигналы от отдельных антенн взаимодействуют в пространстве, а интерференционные картины между ними выстраиваются так, чтобы усиливать сигнал в определённых направлениях и подавлять его во всех остальных.
Задержки могут легко контролироваться электроникой, что позволяет очень быстро управлять лучом, не перемещая антенну. ПФАР может сканировать объём пространства гораздо быстрее, чем традиционные механические системы. Кроме того, благодаря прогрессу в области электроники, появилась возможность генерировать посредством одной ПФАР несколько активных лучей, что позволяет им продолжать просмотр неба и в то же время фокусировать меньшие лучи на определённых целях, например, для отслеживания или направления ракет с полуактивным радиолокационным самонаведением[en].
Центральным источником обычно является магнетрон, клистрон или ЛБВ, которые способны усиливать или генерировать сигнал большой мощности в узком диапазоне частот. Антенны могут быть отражательными или проходными.
Проходные ФАР, в свою очередь, бывают двух видов: с открытой волноводной системой, когда решётка облучается одним широким лучом от слабонаправленного источника, и с закрытой, когда сигнал подаётся к элементам решётки при помощи разветвлённой системы волноводов[2].
ПФАР быстро получили широкое распространение на кораблях и крупных стационарных огневых точках, за которыми с миниатюризацией электроники последовали и бортовые системы.
Управление фазовыми сдвигами
По способу изменения фазовых сдвигов различают ФАР с электромеханическим сканированием, осуществляемым, например, посредством изменения геометрической формы возбуждающего радиоволновода (рис. 2, а); частотным сканированием, основанным на использовании зависимости фазовых сдвигов от частоты, например за счёт длины Фидера между соседними излучателями (рис.
2, б) или дисперсии (См. Дисперсия) волн в радиоволноводе; с электрическим сканированием, реализуемым при помощи фазосдвигающих цепей (См. Фазосдвигающая цепь) или фазовращателей (См. Фазовращатель), управляемых электрическими сигналами (рис. 2, в) с плавным (непрерывным) или ступенчатым (дискретным) изменением фазовых сдвигов.
Наибольшими возможностями обладают ФАР с электрическим сканированием. Они обеспечивают создание разнообразных фазовых сдвигов по всему раскрыву и значительную скорость изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях мощности. На СВЧ в современных ФАР широко используют ферритовые и полупроводниковые фазовращатели (с быстродействием порядка мксек и потерями мощности ~ 20%).
Управление работой фазовращателей осуществляется при помощи быстродействующей электронной системы, которая в простейших случаях управляет группами элементов (например, строками и столбцами в плоских ФАР с прямоугольным расположением излучателей), а в наиболее сложных – каждым фазовращателем в отдельности.
