Миниатюрные антенны для малых космических аппаратов Cubesat

Введение. В настоящее время наблюдается активная тенденция по разработке и введению в эксплуатацию 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 кластерных или попутных запусков;

– возможность оперативного и скрытного запуска из любой точки земного шара с помощью ракетоносителя подземного, воздушного базирования при высокой оперативности подготовки к запуску [1];

– технологичность создания, отвечающая стратегии сокращения расходов и риска [2; 3];

– возможность быстрой модификации для решения широкого круга задач с различным целевым назначением;

– снижение степени влияния спутниковой платформы на работу полезной нагрузки из-за меньшего собственного гравитационного, электромагнитного и газового (внешняя собственная атмосфера) фона;

– экономическая эффективность целевого использования на высотах функционирования до 1000 км и особенно на высотах 200–500 км, на которых срок активного существования других классов КА, например 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 утилизации объекта, что, в свою очередь, ведёт к уменьшению 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, невыступающих антеннах для класса малых КА [7; 8].

Целью данной статьи является разработка малогабаритной, невыступающей антенной системы для класса сверхмалых КА CubeSat.

Основные проблемы. CubeSat – формат сверхмалых КА для исследования космоса. КА CubeSat обычно имеют объём до 1 литра и массу, не превышающую 1,33 кг. Относительная лёгкость создания и небольшая стоимость сделала такие спутники доступными для массового производства. В табл. 2 приведены 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 используются различные типы антенн: спиральные, вибраторные, рупорные, щелевые, зеркальные, открытый конец волновода и др. [11].

Так как площадь поверхности КА, предназначенная для установки АФУ, например, для КА типа CubeSat, составляет не более 10×10 см (табл. 2), то необходимо использовать такой тип антенны, который удачно размещался бы на поверхности. В свою очередь, необходимо также обеспечить приемлемые электрические характеристики антенной системы малого 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

Рис. 2. Каркасная конструкция КА CubeSat: а – размером 1U; б – размером 2U; в – размером 3U

в

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 антенной 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 многослойные конструкции, состоящие из проводящей подложки, одного или нескольких слоёв диэлектрика и помещённых на них плоских проводящих излучающих 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 аэродинамическими, механическими и температурными характеристиками.

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 применению печатных технологий при изготовлении [20];

– простой конструкцией из-за минимального количества элементов, входящих в конструкцию самой антенны, что в свою очередь повышает надёжность;

– возможностью быстрого изготовления при серийном производстве благодаря простой конструкции, повторяемости характеристик и т. д.;

– низкой стоимости благодаря малой металлоёмкости и возможности быстрого изготовления.

Результаты моделирования. При моделировании бортовых антенн сверхмалого КА CubeSat был применён метод конечных элементов [21].

Как правило, для осуществления связи с бортом применяются частоты 435–438 МГц любительского УКВ-диапазона спутниковой связи. Бортовая антенная система включает в себя и навигационную антенну (ГЛОНАСС, GPS).

В работах [22; 23] предложены и подробно представлены конструкция разработанной антенны и применяемые материалы в качестве диэлектрика подложки. Подобный подход позволил уменьшить габариты бортовой антенны в 2–2,5 раза по сравнению с существующими аналогами.

На рис. 5 представлены исследуемые электродинамические модели связной бортовой антенны сверхмалого КА.

Как видно на рис. 5, моделирование осуществлялось на поверхности КА трёх форматов (1U, 2U и 3U), так как это наиболее используемые в настоящий момент форматы сверхмалого КА CubeSat. Габариты модели составили 59×59 мм, толщина – 8 мм, материал диэлектрика – ФЛАН–10 (ε = 10; tg δ = 1,5·10–3). При построении данной модели также был использован предложенный ранее способ миниатюризации УКВ МПА [23].

На рис. 6 представлены зависимости коэффициента 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 согласованию за счёт подбора места расположения запитывающего штыря (точки возбуждения) [24], на рабочих частотах 435–438 МГц КСВ минимален (рис. 6), что соответствует предъявляемым требованиям по согласованию к бортовым антеннам малых КА [12].

На рис. 7 представлены диаграммы направленности (ДН) модели антенны, где видно, что в пределах рабочих углов ±60°, согласно предъявляемому требованию к ДН антенн малых КА [12], изменение габаритов 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) модели антенны.

Видно, что в пределах рабочих углов ±60°, согласно предъявляемому требованию к КУ антенн малых КА [12], изменение габаритов самого КА незначительно влияет на КУ бортовой МПА и составляет менее 0,5 дБ (рис. 8).

Результаты моделирования бортовой связной МПА сверхмалого КА CubeSat сведены в табл. 3.

Разработанная МПА излучает линейную поляризацию. Данный выбор сделан из следующих соображений. При приёме на круговую поляризацию в случае неориентированного полёта приём с противоположной поляризацией невозможен. А антенна с линейной поляризацией даёт ослабление сигнала только 3 дБ. Также предложенная антенна может быть использована не только как связная, но и в качестве телеметрической и телекомандной.

Таким образом, разработана малогабаритная, невыступающая, связная бортовая МПА сверхмалого КА CubeSat с приемлемыми характеристиками направленности [25].

Экспериментальное исследование. Измерение характеристик направленности бортовых МПА проводилось на территории антенного полигона АО «НИИЭМ» в полубезэховой камере [26].

В ходе измерений использовано следующее оборудование:

– 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 проводились 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 помощью координатно-поворотного устройства в пределах 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 исследуемой антенны от частоты. На рис. 12 приведены ДН антенны.

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

22 Г-

427 428 429 430 431 432 433 434 435 435 437 438 438 440 441 442 443 444 445 446 f. МГц

Рис. 6. КСВ модели бортовой связной МПА сверхмалого КА CubeSat

• Fig. 6.    VSWR of model of on-board connected microstrip antenna of CubeSat

а

ЛК л 6

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

Параметры оценки	Предъявляемые требования	Полученный результат
Формат	1U       2U       3U	1U          1	2U         1	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°

Результаты моделирования МПА сверхмалого КА CubeSat

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 (изрезанный) вид, что в свою очередь вызвано влиянием корпуса сверхмалого КА CubeSat формата 1U, размещённых вокруг бортовой антенны элементов конструкции малого КА (см. рис. 10), а также конструктивными 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 вспомогательной связной антенны, которая размещается вместе с навигационной антенной на одной стороне сверхмалого КА CubeSat благодаря малым габаритам. Основная связная антенна располагается на противоположной 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 построения бортовой антенной системы сверхмалого КА типа CubeSat с помощью МПА. Представлены результаты электродинамического моделирования и натурного эксперимента. Показано хорошее совпадение результатов моделирования и эксперимента [28].