Анализ перспективного применения полосковых антенн для активных фазированных решёток (АФАР) беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) при использовании низкоорбитальной спутниковой системы связи (НССС)

При подавлении радиоэлектронных средств связи с помощью средств радиоэлектронной борьбы (РЭБ) на начальном этапе происходит определение несущих частот работы. Этот диапазон несущих частот сигналов может находиться в районе от сотен мегагерц до десятков гигагерц. Отсюда требование литерного деления диапазона АФАР на БПЛА. В [1-9] мы показали принципы создания и обработки сигнала в АФАР в диапазоне от 250 МГц до 3 ГГц на основе предлагаемых унифицированных радио-модулей и полосковых антенн на патч. Кроме того, в АНО «НТИЦ «Техком» были проведены первые эксперименты по созданию отладочного радио-модуля в данном диапазоне частот (рис. 1) ещё в мае 2017 года, а годом ранее также была испытана АФАР в безэховой камере с необходимой ДН (рис. 2) в диапазоне 2,7-2,9 ГГц. Полученные испытания подтвердили теоретические выкладки.

Рис. 1. Первый образец мобильного устройства для абонентов

Рис. 2. Диаграмма направленности АФАР в относительных единицах измерения

Кроме того, исходя из практических результатов известно, что при чувствительности минус 67 дБм обеспечивается минимальное значение для всех услуг связи, которые требуют бесперебойного и надежного обмена данными, минус 70 дБм – сигнал достаточный для выхода в интернет, прочтения электронной почты и новостей. Поэтому, на рисунке 3 и 4 приведено выделение частоты Доплера и сигнала в 38 Мбит/сек при минус 86 дБм для пробного макета радио-модуля, исходя из того, что минус 80 дБм это минимальное значение для подключения.

Рис. 3. Выделенная частота доплеровского смещения при приеме на уровне сигнала на входе минус 86 дБм

Рис. 4. Вид сигнала на входе АЦП при приеме 38 Мбит/сек на уровне сигнала на входе минус 86 дБм

Было также получено и видеоизображение, что показано на рисунке 5.

Рис. 5. Результаты принятия видеоизображения

Собственно, исходя из полученных результатов с отсутствием альтернативы у таких корпораций как «Роскосмос», «Космические системы связи», «Ростех», ФГУБ НИИР, Минцифры, и других подобных организаций оставалось лишь продолжить указанные работы с выделением необходимых средств под пилот-проект, что не требовало больших денежных затрат. Однако данные организации заняли совсем противоположную позицию и отказали в выделении государственных денег. Они заявили, что данный проект является недоработанным и ГКРЧ РФ даже не выделила необходимых радиочастот частот под данный пилот проект даже под минимально возможное продолжение работ, о чём нам неоднократно было сообщено через администрацию Президента РФ (последний ответ был на наше обращение в Администрацию РФ от 2.02.23 г. № А26-02-13402032–СО1). Иными словами, здесь уместно вспомнить известную басню Эзопа: «Однажды лисица увидела сочный и спелый виноград, но не смогла достать его, тогда она заявила, что он зелен». При этом данные организации утверждали, что для низкоорбитальных спутниковых систем связи разработанный нами вариант работать не будет.

И вот теперь через 7 лет выясняется, что аналогичная связь через НССС была опробована в наши дни операторами «Starlink» для связи со смартфонами с передачей сигнала порядка 17 Мбит/сек [10]. Результаты приёма сигнала со спутника на прямую на не модифицированный смартфон Samsung c Android показан на рисунке 6.

Рис. 6. Результаты передачи со спутника Starlink напрямую на смартфон

В ходе замеров параметров канала передачи данных использовался диапазон 4G/LTE, предоставленный T-Mobile US. DTC-спутники Starlink оснащены специальными фазированными антенными решётками с приёмниками высокой чувствительности и мощными передатчиками, что позволяет им улавливать сигналы от антенн мобильных телефонов, предназначенных для подключения к наземным базовым станциям. Илон Маск считает, что DTC «значительно меняет правила игры», устраняя мёртвые зоны сотовой связи, при этом, не конкурируя с наземными сетями. Технология обеспечивает услуги голосовой и текстовой связи, а также передачи данных в отдалённых районах без наземной инфраструктуры. Инженер SpaceX Бен Лонгмьер, один из руководителей программы Starlink Direct to Cell, подтвердил, что команда размещает сообщение на X через спутники Starlink. К своему посту он прикрепил фото тропы в горах Санта-Крус (рис. 7), где нет сотовой связи с обычными провайдерами, и откуда шла передача данных через Direct to Cell.

Рис. 7. Картинка изображения, полученная при передаче со скоростью 17 Мбит/сек

Как известно диапазон 4G/LTE используемый в России при Band 7 составляет 2620–2690 МГц. При этом полоса пропускания составляет 70 МГц. Мы просили полосу в 38 МГц в этом же диапазоне частот, что, собственно, позволяло бы совмещать возможности сотовой и космической связи.

С учётом сказанного для сравнения оценим предлагаемые нами варианты с тем, что уже получено операторами «Starlink», так как результат получения изображений в реальном масштабе времени через низкоорбитальную спутниковую связь с учётом распознавания и искусственного интеллекта открывает возможности уничтожения любых объектов и на больших дальностях. При этом нет необходимости иметь устойчивую космическую связь с наличием изображения в течение всего времени полёта, достаточно иметь её на конечном промежутке времени в момент нанесения поражения цели. На протяжении всего полёта есть необходимость только в навигационных данных. Проведём необходимые расчёты исходя из варианта группировки в 98 космических аппаратов (КА) на орбитах на высоте порядка 650 км [11, с. 21-85]. При этом КА имеет оптимизацию параметров по наличию антенн по рисунку 8.

Рис. 8. Пример модели спутника для реализации способа навигации и связи при группировке в 98 КА с расположением 15 антенн для обзора пятна на Земле (диаметр 4852 км при высоте 650 км) в секторе 360 градусов по углу азимута и 150 градусов по углу места

Оценим необходимую полосу пропускания при использовании антенны предлагаемого радио-модуля, который устанавливается на БПЛА сверху для связи с КА на низких орбитах. При расчётах будем исходить из известных аналогов и прототипов. Вначале выберем коэффициент усиления антенны мобильного устройства типа смартфона размерами порядка 14 см×7 см. Надо отметить, что для связи с БПЛА малого радиуса действия сейчас предлагается использовать радио-модуль, показанный на рисунке 9.

Рис. 9. Радио-модуль БПЛА для связи на малых дальностях

При таких размерах на поверхности предлагаемого радио-модуля в диапазоне 2,7 ГГц может разместиться порядка двух излучателей (патч). При этом нам известен аналог антенны на 4 патч с воздушным заполнением по рисунку 10 с коэффициентом усиления в 14,5 дБ при КСВ равным 1,2, в диапазоне 2,35 ГГц-2,55 ГГц [12].

Рис. 10. Антенна АФАР из 4-х элементов с воздушным заполнением

Диаграмма направленности представлена на рисунке 11.

Рис. 11. Антенна из 4-х элементов патч, моделирование – это сплошные линии, штриховые линии – это экспериментальные с шириной диаграммы направленности в 34 градуса

Отсюда с учётом уменьшения количества патч в 2 раза (3 дБ) можно выбрать коэффициент усиления антенны порядка G_аб=14,125 (11,5 дБ). Так как нами в КА используются 15 антенн и каждая содержит 256 патч [11], то достижимый максимум будет равняться G=14,5 дБ (28,18 раз) + 18 дБ (64 раз)=32,5 дБ. В соответствии с этим будем считать коэффициент усиления антенны КА G_ка=1000 (30 дБ). Надо отметить, что в низкоорбитальных спутниковых системах связи Iridium, Globalstar, One Web, Starlink используются многочастотные режимы, что в усилителях мощности требует использование линейного режима («А»), но при этом снижается коэффициент полезного действия (КПД) в потребляемой мощности по сравнению с режимом («В») [13, с. 235]. То есть, КПД выше при работе на одной частоте в усилителях мощности в режиме («В») вместо режима («А»), и это повышает коэффициент полезного действия усилителей мощности, работающих в режиме «В» (78%) в 1,625 раза больше, чем в режиме «А» (30%–48%). Собственно это видно по усилителям мощности стоящих в антенне КА Globalstar, которые выдают в многочастотном режиме 4,5 Вт, а в одночастотном режиме выдавали бы 4,5 Вт×1,625=7,3 Вт, при том же энергетическом потреблении, то есть, столько же, сколько мобильное устройство Iridium. В [9, с. 9-35] мы использовали в предлагаемом радио-модуле четыре усилителя мощности для получения круговой поляризации с исходной мощностью одного усилителя в 1 Вт, но с учётом использования режима «В» мы можем повысить мощность при работе в дальней зоне в одночастотном режиме с 1 Вт до 1,625 Вт. В этом случае общая излучаемая мощность составит 6,5 Вт. Это меньше, чем мощность излучения мобильного устройства Iridium, которая составляет 7 Вт с учётом потерь в антенне. Оценим полосу пропускания по восходящей линии от мобильного устройства до КА с учётом наклонной дальности D=1400 км. По нисходящей линии от КА до абонента мы можем повысить мощность излучения кратно, поэтому выбираем худший вариант по восходящей линии. При этом мы учитываем, что испытания для «Starlink» проводились с поддержанием подключения мобильных телефонов через спутники Starlink которые находятся на орбите 360 км, что примерно на 200 км ниже их рабочей высоты. Напомним, что предполагаемое количество спутников «Starlink» составляет 12000. С учётом высоты полёта наших КА в 650 км это соответствует угловому обзору пятна на Земле порядка ±60 градусов. Если необходимо обеспечить полное покрытие, то количество спутников по мере необходимости может быть увеличено. Считаем несущую частоту равной f =2,7 ГГц (λ=0,111 м) с мощностью передатчика в импульсе P_прд =6,5 Вт (здесь учитывается, что работа передатчика мобильного устройства будет происходить на последнем участке), выберем отношение сигнал/шум q=26 (вероятность ошибки для ФКМ сигнала 10^-6-10^-7 [14]. Для «Starlink» потери информации в передаваемом пакете при 17 мбит/сек составили 15%, что равносильно вероятности ошибки порядка 10^-2. Отсюда при шумовой температуре Т_ш=600 К, необходимая полоса частот мобильного устройства для возможного приёма сигнала вычисляется по формуле:

(1)

Здесь k – постоянная Больцмана.

Иными словами, мы имеем аналогичные характеристики по скорости передачи информации, но наш вариант обеспечивает лучшие характеристики для приёма и передачи изображений по сравнению с результатами, полученными в «Starlink» даже для одного мобильного устройства размерами со смартфон, так как вероятность ошибки значительно меньше при связи на большей дальности. Понятно, что на БПЛА может устанавливаться АФАР, состоящая из нескольких мобильных устройств предлагаемых радио – модулей [9, с. 9-35]. В этом случае возможная полоса пропускания растёт пропорционально количеству используемых в АФАР патч и количеству используемых усилителей мощности. Так как предлагаемые радио-модули являются многофункциональными и могут замещать функции навигаторов на БПЛА, то произведём соответствующее сравнение с используемым помехозащищённым навигатором «Каскад-4М» представленным на рисунке 12.

Рис. 12. Навигационный приёмник «Каскад-4М» размерами 13см×13см×2,2см, при энергопотреблении в 6 Вт, и весе 250 г

Предлагаемый радио-модуль состоит из двух плат размерами 14см×7см×2см, что показано на рисунках 13 и 14.

Рис. 13. Отладочная плата № 1 предлагаемого радио-модуля

Рис. 14. Отладочная плата № 2 предлагаемого радио-модуля

При этом платы образуют общий модуль согласно рисунку 15.

Рис. 15. Конструкция с боку предлагаемого радио-модуля с размерами 14см×7см×2см

Для обеспечения круговой поляризации с учётом наличия двух патч было предложено расположение усилителей по рисунку 16.

Рис. 16. Размещение усилителей на платах с наличием согласования с патч-элементами антенны

Однако мы здесь представляем отладочные двусторонние печатные платы без использования многослойных печатных плат, которые существенно позволяют сократить габаритные размеры и довести их до величины 13см×6,5см. В этом случае у нас, при тех же размерах по сравнению с навигатором «Каскад-4М», появляются функции АФАР, состоящей из двух радио-модулей, и выполняются функции навигатора за счёт группировки низкоорбитальных КА, с улучшением помехозащищённости при ответно-запросной навигационной системе за счёт изменения радиотехнических параметров. Есть возможности использования режима дуплекса с учётом использования промежуточной частоты. При этом за счёт увеличения общего коэффициента усиления АФАР на БПЛА в 2 раза (14,5 дБ) и общей мощности усилителей в 1 Вт (общая 8 Вт) мы можем иметь скорость передачи информации по формуле (1) в 41 Мбит/сек, что соответствует оптимальным радиотехническим параметрам, выбранным по [1-9]. Таким образом, мы можем размещать вместо навигационного приёмника «каскад-4М» на БПЛА активную фазированную решётку (АФАР), которая в самом худшем случае состоит из двух радио-модулей с расширением и улучшением характеристик.

Соответственно, предлагаемая конструкция симметричного размещения усилителей и разнесения усилителей мощности (УМ) и малошумящих усилителей (МШУ) на две платы исключает дополнительный нагрев МШУ. При этом с учётом габаритных размеров смартфона с использованием двух патч, наличием любой поляризации даёт значительный выигрыш, по энергетическому потенциалу, по чувствительности и по помехозащищённости, что было подробно рассмотрено в [1-9].

Как мы отмечали ранее, радио интерфейс, определённый 3GPP для 5G, известный как New Radio (NR), имеет полосу частот: FR1 (600–6000 МГц).

В соответствии с этим необходимо рассмотреть вариант создания предлагаемых радио-модулей и для диапазона частот в 6000 МГц, что возможно, если учесть, что данный диапазон частот используется и для современных микросхем, типа AD9361 которые выполняют функцию приёмопередатчика при размерах в 1 см по длине и ширине. Понятно, что данный вариант потребует радио элементную базу в данном диапазоне частот, однако в остальном можно обойтись той же функциональной схемой, радио-модулей, которая использовалась до 3 ГГц. Для решения проблемы повышения несущих частот в АФАР до 5–6 ГГц с использованием унифицированных радио-модулей фиксированного размера (13см×6,5см) без учёта будущей микроминиатюризации радиоузлов, мы должны разбить каждый патч АФАР размером стороны квадрата 6,5 см на 4 патч с размерами стороны квадрата в 3,25см с использованием шлейфового питания аналогичного с вариантом антенны по рисунку 10. В этом случае один радио-модуль должен обслуживать 8 патч с обеспечением вертикальной и горизонтальной поляризации как показано на рисунке 17.

Рис. 17. Радио-модуль с размерами 13см × 6,5см с обслуживанием 8 патч

Здесь красным цветом отображён четвертьволновый полосковый делитель, дающий вертикальную поляризацию, и он расположен на своём слое многослойной печатной платы с подсоединением через металлизированное отверстие к верхнему слою металлической пластины патч АФАР с прохождением без контакта через металлизированный слой, отображающий «землю». На рисунке 17 это отмечено металлизированным отверстием с контуром красного цвета. Далее через металлизированное отверстие (отмечено на рисунке 17 линией окружности контура зелёного цвета с красным заполнением) идёт соединение со слоем многослойной печатной платы АФАР, в котором может быть осуществлено согласование через полосковые линии и подобрана соответствующая длина в λ/4 между точками подсоединения к патчу между вертикальной и горизонтальной поляризацией. Этот слой многослойной печатной платы обозначен зелёным цветом, и через металлизированное отверстие зелёного цвета осуществляется подсоединение к противоположному последнему слою с подсоединением к малошумящему усилителю (МШУ) на плате № 1 с платы № 2, например, через СВЧ разъём типа «защёлки» (показан на рисунке 18) или усилителю мощности (УМ) на плате № 2 по рисунку 15.

Рис. 18. СВЧ разъём типа «защёлка» с бочонком и с размерами при максимально плохом совпадении осей соединений, что и даёт расстояние между платами в 8,3мм. При хорошем совпадении будет 6мм

Таким образом, на основе предлагаемых радио-модулей, возможно, обеспечить весь диапазон FR1 от 600 до 6000 МГц.

Однако, способ конструкции представленный на рисунке 17 имеет недостаток связанный с тем, что при дроблении патч на более мелкие с учётом использования дополнительных слоёв многослойной печатной платы и подсоединения с помощью шлейфов по принципу рисунка 10 на несколько патч приходится одна и та же фаза от радио-модуля за счёт балансного модулятора (фазовращателя). Поэтому, в случае использования данного радио-модуля как элемента АФАР нужно учитывать, что отклонение ДН АФАР на угол φ можно обеспечить путём дискретного линейного изменения фазы сигнала от элемента к элементу так, чтобы разность фаз между соседними элементами составляла 2×π×d×sin(φ)/λ [15, с. 26]. Соответственно при расстоянии между излучателями при дискретном изменении фазы через d=2×λ дополнительный симметричный дифракционный максимум появится при отклонении луча в ±30 градусов и ±90 градусов.

Понятно, что нет необходимости отклонения луча АФАР от нормали на 90 градусов в силу того, что в этом случае мы имеем минимальную площадь антенны в данном направлении. Поэтому существует оптимум количества патч с одинаковой фазой, который можно допустить при использовании варианта по рисунку 17. Так при использовании и расположении 15 полотен АФАР с количеством в каждом полотне по 256 патч на КА как показано на рисунке 8 для обслуживания всего пятна (4852 км) на Земле нам требуется иметь отклонение луча от нормали ±15 градусов.

Кроме того, можно расширить угловой обзор без наличия дополнительных дифракционных максимумов, если на плате АФАР (это фактически многослойная печатная плата № 2) предусмотреть наличие ключей (возможно с расположением их на верхнем слое совместно с патч). Ключи будут менять длину отрезков шлейфов, расположенных в многослойной печатной плате на излучатели в зависимости от угла отклонения луча АФАР от нормали таким образом, чтобы сигналы, например, от близко расположенных излучателей (патч) складывались в фазе. Однако в данном случае придётся при больших углах отклонения луча АФАР отказаться от круговой поляризации и использовать либо вертикальную, либо горизонтальную поляризацию в зависимости от направления луча. Если исходить из приёма информации от АФАР на смартфоны, то поляризация не имеет принципиального значения, так как смартфон можно расположить соответствующим образом с учётом максимума принимаемой мощности, а отражения от Земли в силу использования высокой скорости передачи порядка 40–50 Мбит/сек будут иметь малое значение. Так, при передаче в 50 Мбит/сек мы будем иметь площадь отражения порядка 9 метров в квадрате и при потерях при отражении от Земли в минус 20 дБ, будем иметь эквивалент поверхности рассеяния 9 м²/100= 0,09 м². С учётом приёма сигнала из задней полусферы по боковому лепестку добавляются потери ещё на 20–30 дБ. В итоге отражения от Земли будут эквивалентны поверхности рассеяния (ЭПР) в 0,0009 м²-0,00009 м². В нашем случае площадь ЭПР смартфона составляет 0,13 м×0,065 м=0,0845 м², то есть отражённый сигнал от Земли будет значительно ниже порога чувствительности.

Использование предлагаемых радио-модулей в АФАР БПЛА оправдано при небольшом количестве патч, например, порядка 32 (это 16 радио-модулей при 3 ГГц), что собственно соответствует количеству волноводно-щелевых излучателей в одной из 12 панелей РЛС бокового обзора TerraSAR-X. При большом количестве патч порядка 256 требуется 128 радио-модулей. Здесь становится нерационально использовать законченные устройства типа смартфонов в силу излишнего потребления энергии на функции радиоэлементов, которые в данном АФАР не используются. При этом мы также имеем рост веса и массогабаритных характеристик.

В этом случае функциональная схема плат радио-модуля меняется и поэтому желательно использовать специализированные АФАР. Суть данной специализации сводится к тому, что при сохранении управления фазой для патч за счёт балансного модулятора для каждого радио-модуля, состоящего, например, из 2-х патч, в платах № 1 и № 2 убираются те радиоэлементы, которые обеспечивали дополнительные функции. В этом случае один радио-модуль уже не является отдельным законченным приёмо-передающим устройством способным выполнять функции смартфона. При этом сигналы на промежуточной частоте от каждого специализированного радио-модуля суммируются или разделяются за счёт сумматоров и делителей прежде, чем будет осуществляться их цифровая обработка при приёме или разделении сигнала при передаче. То есть, фактически применяются приёмо-передающие модули аналогичные тем, что применяются для щелевых антенных решёток по рисунку 19.

Рис. 19. Функциональная схема приёмо-передающего модуля АФАР Х-диапазона

Однако в этом случае применяется слотовое (поперечное) расположение радиоэлементов к щелевым излучателям, как показано на рисунке 20. Из рисунка 20 видно, что планарное размещение платы радио-модуля невозможно вдоль щелевых излучателей, так как расстояние между излучателями при 10 ГГц будет не более 1,5 см как в длину, так и в ширину. Соответственно к радио-модулям подсоединяется управляющая плата АФАР с планарным размещением элементов относительно поверхности антенны.

Рис. 20. Модуль СВЧ АФАР Х-диапазона

В нашем случае с учётом размеров патч при 6 ГГц мы имеем теоретическое расстояние в длину (при наличии двух патч) порядка 5 см и в ширину (один патч) порядка 2,5 см. Иными словами, по отношению к предлагаемому радио-модулю с многослойными печатными платами порядка 13см на 6,5см за счёт удаления радиоэлементов, дающих полное функциональное исполнение в качестве смартфона, нужно сократить размеры каждого специализированного радио-модуля состоящего из 2-х патч и двух плат № 1 и № 2 в 2,6 раза. При этом мы имеем как бы промежуточный вариант между планарным размещением радиоэлементов и поперечным (слотовым) их размещением. В результате получаются следующие функциональные схемы для плат № 1 и № 2 (рис. 21-22) с размещением цифровой обработки в управляющей плате АФАР (рис. 23) на нижней стороне плат № 1 по рисунку 15.

Рис. 21. Функциональная схема платы № 2

Опишем принцип функционирования платы № 2. Здесь при передаче поступает сигнал с учётом информации с балансного модулятора (БМ), который расположен на плате № 1, где с малоразмерной программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) поступает значение фазы на БМ для 2-х патч. Модуляция передаваемого сигнала информацией осуществляется в БМ управляющей платы АФАР, которая располагается снизу платы № 1. Далее сигнал поступает на ключ 1 и через него на предусилитель. На следующем этапе происходит деление сигнала на два, и одна часть поступает на трансформатор, который обеспечивает противофазные сигналы, а другая часть на делитель. В данном случае рассматривается упрощённый вариант фиксированной круговой поляризации, где необходимая разница в круговой поляризации при приёме и передаче, обеспечивается за счёт, например, сумматора и трансформатора при приёме, которые обеспечивают сдвиг на 180 градусов, в то время как при передаче используется только делитель в соответствующих каналах на УМ. Сдвиг на 180 градусов может быть осуществлён и иным способом, например эмиттерным повторителем. Это также сокращает элементы в платах № 1 и № 2. Полученные сигналы поступают на соответствующие усилители мощности и далее через ключи на два патч АФАР. По сравнению с вариантом передачи сигнала по рисунку 18 мы не имеем на плате № 2 фазовращателя с аттенюатором, циркулятора. При этом мы используем 4 усилителя мощности вместо двух с образованием круговой поляризации на основе 2-х патч. Собственно, так как один радио-модуль обслуживает один щелевой излучатель по рисунку 19, то мы не имеем превышения по количеству элементов. При этом, так как у нас есть управление усилителями мощности, то мы можем обеспечивать любую поляризацию.

При приёме сигнала на патч АФАР через входные ключи информация на несущей частоте поступает через разъёмы типа «защёлка» на плату № 1, где расположены 4-е МШУ по рисунку 22. С первого и четвёртого МШУ усиленные сигналы поступают на трансформатор для получения синфазного сигнала, а усиленные принимаемые сигналы со второго и третьего МШУ поступают также на сумматор и трансформатор, дающий изменение фазы на 180 градусов, который обеспечивает левую круговую поляризацию при приёме, когда при передаче используется правая круговая поляризация. Далее через сумматор общий принятый сигнал через СВЧ разъём типа «защёлка» поступает с платы № 1 на плату № 2 (рис. 21). Здесь также осуществляется усиление сигнала соответствующим МШУ для компенсации потерь. На следующем этапе происходит смещение принятого сигнала в смесителе на промежуточную частоту. В качестве гетеродинного сигнала выступает сигнал с балансного модулятора, который расположен на плате № 1 (рис. 22). Для управления фазой луча АФАР в этом БМ на плате № 1 предусмотрен малоразмерный ПЛИС (А3P250) и ЦАП. При этом гетеродинный сигнал поступает на смеситель с платы № 1 через ключ и усилитель. Перенесённый на промежуточную частоту принятый сигнал усиливается, фильтруется и затем вновь усиливается до необходимого уровня с поступлением через плату № 1 на управляющую плату АФАР, которая находится в нижней части.

Рис. 22. Функциональная схема платы № 1

Соответственно теперь нам остаётся рассмотреть принцип работы управляющей платы АФАР (рис. 23), где происходит цифровая обработка принятого сигнала, обеспечение фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и модуляция сигналом информации передаваемого сигнала. Будем предполагать, что у нас полотно АФАР, состоящая из 256 элементов излучения (патч) делится на четыре подАФАР. В этом случае один космический аппарат (КА) при 15 полотен АФАР будет способен формировать одновременно до 60 лучей. Для примера один КА спутниковой системы «Iridium» формирует одновременно 48 лучей.

Таким образом, при приёме сигнала от 64 патч после предварительной обработки в платах № 1 и № 2 принятый информационный сигнал на промежуточной частоте от 32 специализированных радио-модулей попадает на управляющую плату АФАР, которая расположена снизу плат № 1.

Рис. 23. Управляющая плата АФАР с ФАПЧ

В управляющей плате АФАР с ФАПЧ в сумматоре происходит суммирование сигнала на промежуточной частоте со всех 32 специализированных радио-модулей. На следующем этапе происходит деление сигнала для смещения сигнала на нулевую промежуточную частоту в смесителях 1 и 2. После этого сигналы информации в квадратуре и наличием смещения на частоту Доплера поступают на дифференциальные операционные усилители, а с них на аналого-цифровые преобразователи для оцифровки принимаемых сигналов. Полученные сигналы поступают в ПЛИС (A3PE3000L), где происходит их обработка с фильтрацией и выделением частоты Доплера. По результату формируется сигнал управления для ФАПЧ, который поступает на ЦАП, а также происходит выделение принимаемой информации. После ЦАП управляющие аналоговые сигналы поступают на балансный модулятор (рис. 23) и далее после усиления и разделения в делителе на плату № 1 (рис. 22), где этот сигнал с учётом смещения по частоте Доплера поступает на соответствующий БМ, где добавляется фаза для управления лучом АФАР. Полученный гетеродинный сигнал поступает через СВЧ разъём типа «защёлка» и ключ на смеситель (рис. 21). Таким образом, осуществляется быстрая фазовая автоподстройка по частоте для выделения сигнала информации. Передача сигналов информации происходит от периферийных устройств от общего устройства управления АФАР, которые поступают на ПЛИС (рис. 23). В ПЛИС происходит формирование протокола передачи и далее сигнал подаётся на ЦАП. Отличие с приёмом сигнала заключается в том, что формируется сигнал не на гетеродинной частоте, а на несущей частоте и в плате № 2 он через ключ 1 поступает на предусилитель и далее распределяется между четырьмя усилителями мощности для образования выбранной поляризации.

Соответственно возникает вопрос о возможности сокращения размеров специализированных плат № 1 и № 2 в 2,6 раза. Оценку можно сделать на основе сравнения с функциональной схемой по рисунку 19 и платой СВЧ диапазона по рисунку 20 с учётом размеров наиболее габаритных радиоэлементов. На передачу в специализированной радио-модуле на два излучателя используются на плате № 2 четыре усилителя мощности и в этом случае нет отличий. Вместо циркулятора по рисунку 19 мы используем ключи на приём и передачу. Вместо ключей на вертикальную и горизонтальную поляризацию у нас используются либо делитель, либо трансформатор с учётом фиксации круговой поляризации на приём и передачу. По аналогии используется предусилитель, а фазовращатель с аттенюатором заменён на балансный модулятор. Таким образом, в плане передачи сигнала мы имеем сравнимые по габаритам радиоэлементы. Приём сигнала осуществляется через четыре МШУ на плате № 1. На плате № 2 при приёме по сравнению с рисунком 19 у нас используется также МШУ для усиления сигнала и вместо блока усиления, мы используем смеситель (3мм×3мм) с усилителем (3,5мм×3,5мм), фильтрацией гармоник гетеродинной частоты и несущей частоты сигнала и логарифмическим усилителем (7мм×6мм), два трансформатора (5,4мм×3,8мм). То есть, здесь нет радиоэлементов, которые могут дать превышение габаритных размеров платы № 2 при размерах 5см×2,5см. При приёме на плате № 1 располагаются четыре МШУ габаритные размеры которых, значительно ниже, чем габаритные размеры УМ на плате № 2. Используются трансформаторы для синфазности и круговой поляризации. Из радиоэлементов, имеющих большие габаритные размеры используется ПЛИС, например, А3P250 c размерами 1,7см×1,7см и ЦАП 8мм×8мм, а также БМ размерами 8,6мм×5,6мм. При этом, надо отметить, что некоторые радиоэлементы платы № 1 можно разместить и на обратной стороне платы, так как для радиоэлементов устройства управления используемая площадь составит 40см×40см. Одновременно и некоторые радиоэлементы платы № 2 (например, логарифмический усилитель) можно перенести на плату № 1. Понятно, что по плате № 1 мы также укладываемся в необходимые габаритные размеры 5см×2,5см при использовании несущей частоты в 6 ГГц. Плата управления АФАР используется в обоих вариантах, как в нашем случае, так и для щелевых АФАР. Для сравнения наземные пользовательские терминалы «Starlink» имеют аналогичные размеры (обычно диаметр порядка 61см), что видно из рисунка 24.

Рис. 24. Пользовательский терминал «Starlink»

Однако при работе Starlink в Ku диапазоне (12–18 ГГц) мы при работе на частоте в 6 ГГц будем иметь преимущество по чувствительности в 4 раза. Таким образом, мы видим, что специализированные АФАР обеспечивают расширение диапазона до 6 ГГц без учёта сужения углового обзора из-за наличия дифракционных максимумов ДН, как это может быть при варианте АФАР, показанном на рисунке 17 при наличии только круговой поляризации.

Однако, как мы отмечали выше, есть возможность использовать вариант АФАР по рисунку 17 с применением круговой поляризации в пределах углового обзора ±15 градусов, например, для АФАР Х диапазона (порядка 10–12 ГГц) в группировке КА низкоорбитальной спутниковой системы. Иными словами, предлагаемые конструктивные решения обеспечивают плавный переход от патч антенн к щелевым излучателям с учётом оптимизированных радиотехнических параметров.

Понятно, что данные радио-модули и специализированные АФАР должны были заинтересовать министерство обороны РФ, так как именно связь очень необходима на театре военных действий. Однако мы получили ответ, который представляем на рисунке 25.

Рис. 25. Ответ из министерства обороны РФ

Надо отметить, что по результатам наших публикаций, мы не принимаем никакого участия в проекте «Сфера», так как этот проект не имеет научного обоснования с указанием преимуществ перед иностранными аналогами, так как он создан на основе предыдущих разработок, которые уже изначально уступали иностранным аналогам.

Не надо думать, что торможение перспективных научно-исследовательских работ осуществляется только в технике, аналогичная ситуация в квантовой механике и физике, где подгонки под результат выдаются как открытия, о чём мы писали в [16, с. 12-32]. Интересен ответ от Администрации Президента РФ, что видно по рисунку 26.

Рис. 26. Ответ из Администрации Президента РФ

Самое интересное в том, что опровергнуть усовершенствование уравнений Максвелла они не могут, так как сам вид уравнений совпадает с существующим видом и сторонние (фиктивные) токи заменены на проекции по времени производных напряжённостей электрических и магнитных полей, что собственно и было необходимо сделать для подчинения уравнениям СТО и ОТО Эйнштейна, а иначе искривления движения света в гравитационном поле не объяснить, нет взаимосвязи. Вопрос касался только замены уже существовавшего названия, проекций сторонних напряженностей полей на эти же проекции только с другим названием на время, да и саму необходимость использования проекций на время ввёл ещё Фейнман только для вектора-потенциалов. Но даже эту элементарную логику «корифеи науки» не в состоянии понять. Мы специально публикуем ответы от соответствующих организаций, так как иначе невозможно заставить их выйти на честный диалог, они просто отмалчиваются и боятся огласки их действий. Понятно, что здесь не обходится без корыстных интересов.

Соответственно сделаем выводы:

1. Предлагаемые радио-модули вполне могут использоваться как в качестве смартфонов, так и элементов АФАР с замещением функций как систем связи, навигации, радиотехнической разведки и радиолокации.
2. Использование предлагаемых радио-модулей возможно и в системах сотовой связи в качестве устройств импорт замещения.
3. Возможно создание специализированных АФАР для КА низкоорбитальной спутниковой связи для обеспечения Интернет с высокой скоростью передачи.
4. Показаны оптимизированные варианты функциональных схем с учётом конструкции и радиотехнических параметров в сравнении с известными аналогами и прототипами в диапазоне частот вплоть до применения волноводно-щелевых антенн.

1. Рысин А.В., Бойкачёв В.Н., Наянов А.М. Способ быстрой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и исключение ошибок, связанных с дискретизацией сигнала по теореме Котельникова. Науч. журнал. «Обществознание и социальная психология» выпуск 2-2(46) 2023. С. 757-778.
2. Рысин А.В., Бойкачёв В.Н., Наянов А.М., Островский Я.Б. Анализ вариантов блоков радиоуправления для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Научный международный журнал. «Актуальные исследования», № 16(146), 2023, часть 1, С. 9-41.
3. Рысин А.В., Бойкачёв В.Н., Наянов А.М., Островский Я.Б. Обоснование и сравнение функциональных схем радиоуправления для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в широком диапазоне частот на основе оптимизированных радиотехнических параметров. Научный международный журнал. «Актуальные исследования», № 21(151), 2023, часть 1, С. 38-81.
4. Рысин А.В., Бойкачёв В.Н., Островский Я.Б. Оптимизация частотной и символьной синхронизации в режиме когерентного накопления по псевдослучайным кодам с целью улучшения помехозащищённости и получением максимальной чувствительности по принимаемому сигналу для управления беспилотными летательными аппаратами (БПЛА). Научный международный журнал. «Актуальные исследования», № 33(163), 2023, С. 17-35.
5. Рысин А.В., Бойкачёв В.Н., Наянов А.М., Островский Я.Б. Оптимизация беспроводного канала связи радио-модуля БПЛА при автономной работе для многофункционального применения при существующей радио элементной базе коммерческого использования. Научный международный журнал. «Актуальные исследования», технические науки, № 40(170), 2023, часть 1, С. 6-22.
6. Рысин А.В., Бойкачёв В.Н., Соколов А.Д., Наянов А.М., Островский Я.Б. Оптимизация и обоснование конструктивного исполнения устройства связи и управления для БПЛА с учётом многофункционального применения при существующей радио-элементной базе коммерческого использования. Научный международный журнал. «Актуальные исследования», № 37(167), 2023, часть 1, С. 9-40.
7. Рысин А.В., Бойкачёв В.Н., Наянов А.М., Островский Я.Б. Оценка использования многофункционального радио-модуля беспилотного летательного аппарата (БПЛА) в составе активной фазированной антенной решётки (АФАР) в широком диапазоне частот. Научный международный журнал. «Актуальные исследования», № 50(180), 2023, часть 1, С. 26-53.
8. Рысин А.В., Бойкачёв В.Н., Соколов А.Д., Наянов А.М. Оценка возможностей использования оптимизированного многофункционального радио-модуля беспилотного летательного аппарата (БПЛА) в качестве элемента активной фазированной антенной решётки (АФАР) как средства связи. Научный международный журнал. «Актуальные исследования», № 3(185), 2024, часть 1, С. 23-51.
9. Рысин А.В., Бойкачёв В.Н., Наянов А.М. Способ радиотехнической разведки (РТР) для создания эффективных помех беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) противника с помощью активных фазированных решёток (АФАР) на БПЛА радиоэлектронной борьбы (РЭБ) на основе радио-модулей. Научный международный журнал. «Актуальные исследования», № 7(189), 2024, часть 1, С. 9-35.
10. https://3dnews.ru/1101215/skorost-zagruzki-so-sputnika-starlink-na-androidtelefon-dostigla-17-mbits.
11. Рысин А.В., Бойкачёв В.Н., Наянов А.М. Использование низкоорбитальных спутниковых систем связи (НССС) для навигации с оптимизацией радиотехнических параметров. Научный международный журнал. «Актуальные исследования», № 9(139), 2023, часть 1, С. 21-85.
12. Дубровка Ф.Ф., Мартынюк С.Е. Полосковая антенная решётка с воздушным заполнением. Вiсник Национального технiного унiверситету Украини «КПП» Серiя-Радiотенiка. Радiоапаратобурудования. 2009, № 38.
13. Мамонкин И.Г. Усилительные устройства. Учебное пособие для вузов. Изд.2-е, доп. и перераб. М., Связь»,1977, С. 235.
14. В.И. Тихонов. Статистическая радиотехника. – М.: Сов. радио. 1966, С. 473.
15. А.И. Леонов, К.И. Фомичёв. Моноимпульсная радиолокация. – М.: Радио и связь,1984, С. 26.
16. Рысин А.В., Никифоров И.К., Бойкачёв В.Н. Подгонки под результат в квантовой механике и физике. Часть 1. Научный международный журнал. «Актуальные исследования», № 51(181), 2023, часть 1, С. 12-32.