Mary Ann Ingram†, Robert Romanofsky*, Richard Q. Lee*, Felix Miranda*, Zoya Popovic?, John Langley§, William C. Barott†, M. Usman Ahmed†, and Dan Mandl‡ перевод Хлуднева А. В.
†Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332-0250,
*NASA GRC,21000 Brookpark Rd, Cleveland OH 44135, ?University of Colorado, Boulder, CO 80309-0425, §Saquish
Group, POB 3554, Half Moon Bay, CA 94019, ‡NASA GSFC, Code 584, Greenbelt, MD 20771
Аннотация – представляется архитектура новых адаптивных антенных решеток наземных станций для связи со спутниками на низкой околоземной орбите. Планируется, что данные наземные станции не будут иметь в своем составе движущихся частей и потенциально могут быть использованы в населенных районах, в которых предпочтительна земная интерференция. Элементы антенной решетки, каждый из которых направляется по аппроксимированной траектории на спутник, адаптивно объединяются, усиливая соотношение сигнал-интерференция-плюс-шум (SNIR) необходимого спутника. Размер каждого элемента ФАР будет зависеть от числа элементов таким образом, чтобы для достичь оптимальной стоимости при допустимом пороге величины битовых ошибок. Две предлагаемые архитектуры ФАР имеют в качестве прототипов пространственно-питаемые линзовые антенны и зеркальные антенны. Если два спутника, использующие один и тот же частотный диапазон, находятся в зоне обзора ФАР, то техника многопользовательского определения будет в состоянии производить синхронную демодуляцию сигналов спутников, также известную как пространственное разделение множественного доступа (SDMA). Мы докладываем о фазе I проекта, в которой фиксированные направляющие элементы адаптивно объединяются в прототип для демодуляции S-полосы канала передачи данных со спутника EO-1 на Землю.
I. ВВЕДЕНИЕ
Типичная наземная станция для, используемого НАСА, спутника на низкой околоземной орбите (НЗО) использует зеркальную антенну размером 10-11м и сопровождает единовременно только один спутник, используя механическое сканирование с углом раскрыва большим, чем 160 градусов. Канал связи со спутника на Землю поддерживает скорость передачи данных от 2 кбит/с до 150 Мбит/с Для максимизации контакта с этими полярно-орбитальными и в то же время прецизионными спутниками наземные станции располагают рядом с полюсами. На постройку каждой наземной станция уходит от 2 до 4 миллионов долларов, кроме того она имеет высокие эксплуатационные затраты. Целью проекта, представляемого в статье, является определение осуществимости удаленно программируемой наземной станции, в идеале без движущихся частей, расположенной в неполярных регионах и стоимостью меньшей, чем десятая часть от стоимости существующих наземных станций при учете расходов на постройку и эксплуатацию. Вместо единственной тарелки, наземная станция будет состоять из некоторого числа элементов ФАР с мало изменяющимися размерами апертуры, и выходные сигналы ФАР будут адаптивно комбинироваться для максимизации соотношения сигнал-шум производимой спутниковой передачи. Архитектура фокусируется на физическом уровне: разработке получаемого фронта диаграммы направленности и обработке выходных цифровых сигналов ФАР. Архитектура фокусируется на физическом уровне: разработке получаемого фронта диаграммы направленности и обработке выходных цифровых сигналов ФАР.
Проектируемые наземные станции не будут поддерживать такую высокую скорость передачи данных, которую на сегодняшний день предоставляют наземные станции с большими зеркальными антеннами, однако, учитывая то, что станции будут развернуты на спутник, данные можно будет загружать в заданном порядке по мере того, как спутник будет перемещаться от одной станции к другой. Наше видение решения данной проблемы заключается в том, что базовые станции будут связаны друг с другом через Интернет, таким образом любой заданный НЗО спутник сможет находиться в практически непрерывной связи с сетью на Земле. Хотя данный проект фокусируется на задаче осуществления связи наземной станции только с одним спутником единовременно, предлагаемая архитектура исследовалась на предмет возможности оперативного электронно-управляемого переконфигурирования для возможности быстрого переключения с одного спутника на другой в пределах одного объединения или одновременной связи с множеством спутников.
Исследователями Glenn Research Center при НАСА и исследовательского центра при университете Колорадо было предложено две технологии ФАР. Одна из них, пространственно-облучаемая линзовая решетка, состоит из питающей решетки и излучающей решетки, в которой передающие элементы попарно соединяются соединительными линиями различной длины для получения радиального переднего фронта волны. Другая, зеркальная ФАР, имеет поверхность, состоящую из интегрированных фазовых элементов и радиаторов, облучается единственным облучателем, расположенным в виртуальном фокусе. Сигнал проходит через отражающую поверхность фазовых элементов и излучается как коллимированный луч в заданном направлении в полусфере перед антенной. Обе разработки предполагают возможность электронного сканирования, не имеют движущихся частей и предположительно имеют низкую стоимость.
Другая часть проекта посвящена обработке сигналов с выходов ФАР, которые могут быть определены в качестве направляющих элементов (НЭ). Задача устройства обработки принимаемых сигналов заключается в следующем:
- предоставление частотной и временной синхронизации для каждого (НЭ);
- подсчет адаптивных весов, которые будут подаваться НЭ перед их суммированием;
- демодуляция и детектирование передаваемых символов;
- перемещение НЭ.
Сосредоточение на обработке сигналов в первый год выполнения проекта прежде всего затрагивало первые три задачи. Для демонстрации функций обработки принимаемых от спутника EO-1 сигналов был разработан четырехэлементный прототип. Прототип демонстрировался на крыше GCATT в Атланте.
II Пространственно-облучаемая линзовая антенна
Использование дискретных линзовых решеток (ДЛР) в качестве антенной системы для наземной станции имеет ряд преимуществ над привычными зеркальными антеннами или электронно-следящими ФАР. Оперативное механическое перемещение большого рефлектора сопряжено с трудностями, возникающими в результате больших габаритов и массы антенны, что порождает большие эксплуатационные затраты как результат некоаксиальности движущихся частей. С другой стороны, большие стационарные ФАР также имеют значительную эксплуатационную стоимость и кроме того не отличаются высокой эффективностью как результат комбинации большой мощности с потерями в фокусе для больших апертур. К тому же температурный режим данных антенных конструкций также является значительной проблемой, что связано с высокой интеграцией плотности.
ДЛР является пространственно-облучаемой, поэтому в ней отсутствуют комбинационные ошибки в раскрыве облучателя. Более того, сканирования луча осуществляется путем переключения между смежными облучателями, используя пин-диоды или MESFET переключатели вместо фазовых переключателей, что заметно упрощает архитектуру и проблему температурного режима. К тому же, небольшие массивы облучателей с амплитудно-контролируемыми элементами могут быть использованы для обеспечения сглаженного переключения между крайними лучами, делая сканирование более простым.
Как показано на рисунке 1, ДЛР состоит из питающей решетки и излучающей решетки с соединительными линиями, соединяющими каждую пару передающих элементов. Для предлагаемой ДЛР фокальная поверхность, где расположены облучатели, составляет 2.5 lo, а пространство между элементами – 0.5 lo, где lo – длина волны в свободном пространстве.
Рис.1 – Схема ДЛР
Дизайн и симуляция работы элементов антенны осуществлялись с применением программного обеспечения Ansoft Designer CAD. Для питающей стороны решетки был выбран 7.3мм квадратный элемент с линейной поляризацией, работающая на частоте примерно 8.2ГГц. Во время симуляции были получены потери меньшие 50дБ при коэффициенте усиления в 2.8дБ. Элементом для излучающей решетки является квадратный элемент с усеченными углами с использованием левой круговой поляризации на той же частоте. Моделируемое осевое отношение для такой антенны составляет 0.13 дБ на 0° и менее чем 3 дБ по всему обзору ±55°; и моделируемое усиление 2.1дБ. Полученные при моделировании результаты хорошо согласуются с измеренными данными участка.
На рисунке 2 показана взаимосвязь, имеющаяся в составном элементе антенны, между элементом с питающей стороны и излучаемым элементом с помощью соединительных линий различной длины, что обеспечивает необходимую фазовую задержку и получение луча в прямом направлении.
Рис.2 – Составной элемент антенны и взаимосвязь между его частями
Рис.3 – Распределение пассивной ДЛР
На рисунке 3 представлено полученное в AUTOCAD распределение пассивной ДЛР. После разработки и реализации активной ДЛР, а также последующего тестирования пассивной ДЛР, распределение пассивной ДЛР стало настолько близко к распределению активной решетки насколько это возможно. Таким образом, данные пассивной решетки могут быть использованы для калибровки соотношения усиление/потери активной антенной решетки. В ходе исследований было рассчитано соотношение усиление/температура для ДЛР и было определено, что оно строго зависит от числа и типа составных элементов ФАР. Для 100-элементной ДЛР это соотношение составляет от 8 до 17.3дБ/К° в зависимости от типа используемых элементов. Результаты дальнейших исследований будут опубликованы в ближайшем будущем.
Литература:
1. R. R. Romanofsky and A. H. Qureshi, “A Model for Ferroelectric Phase Shifters,” IEEE Trans. Magn., Vol. 36, Sept. 2000, pp. 3491-3494.
2. R. R. Romanofsky, et al., “Analysis and Optimization of Thin Film Ferroelectric Phase Shifters,” Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 603, 2000, pp. 3-14.
3. T. S. Rappaport, Wireless Communications: Principles & Practice. New Jersey:Prentice Hall, 1996.
4. Sergio Verdu, Multiuser Detection, Cambridge University Press, 1998.
5. G. Karam, F. Daffara, and H. Sari, “Simplified Versions of the Maximum-Likelihood Frequency Detector”, Conf. Rec. GLOBECOM’92, Orlando, FL, Dec. 6-9, 1992, paper 11.02.
6. Simon Haykin, Adaptive Filter Theory, 2nd ed., Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1991.