Каковы основные области применения рупорных антенн УВЧ

УВЧ-рупорные антенны являются ключевыми элементами в радарных системах, обеспечивая высокий коэффициент усиления до 20 дБ и низкий КСВН. Они используются в спутниковой связи, достигая скорости передачи данных более 1 Гбит/с, и в радиоастрономии для точного обнаружения сигналов.

Незаменимый элемент для радарных систем

В прошлом году радар S-диапазона одного из эсминцев в Индийском океане внезапно испытал смещение наведения луча на 0,3°, что едва не привело к попаданию зенитной ракеты стоимостью 120 миллионов долларов не в ту цель. После разборки выяснилось, что проблема заключалась в вспомогательной калибровочной УВЧ-рупорной антенне — коэффициент теплового расширения одного винта превысил норму, что привело к деформации апертуры облучателя на 0,8 миллиметра в условиях высокой температуры и влажности. Этот инцидент заставил Исследовательскую лабораторию ВМС США (Naval Research Laboratory) в срочном порядке обновить стандарт MIL-DTL-3922/67, заменив обычные крепежные детали из нержавеющей стали 304 на сплав Inconel.

• Самым важным аспектом военного радара является доплеровская устойчивость, где УВЧ-диапазон имеет врожденное преимущество. Например, когда радар AN/SPY-6 использует основную решетку C-диапазона для точного сопровождения, он должен быть сопряжен с вспомогательной УВЧ-антенной для компенсации смещений частоты ±15 Гц, вызванных ионосферными возмущениями.
• В прошлом году компания Raytheon протестировала обновление для южнокорейского эсминца KDX-III: при использовании УВЧ-рупора со структурой волновода WR-2300 коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) оставался стабильным на уровне 1,25:1 при влажности 94%, что на 40% лучше показателей традиционных микрополосковых антенн.

Недавний скандал вокруг инцидента с промахом HIMARS также был связан с неисправностью УВЧ-антенн. Отчет об аварии Командования материальной части сухопутных войск (AMC) показал, что в определенной партии терминалов связи AN/TRQ-32 диаграмма направленности УВЧ-рупора расширилась на 7,2° в условиях низких температур, что привело к потере команды коррекции ракеты на маршевом участке из-за несовпадения с зашифрованной частотной точкой. Это напрямую привело к введению нового регламента MIL-STD-188-274B, требующего, чтобы все УВЧ-антенны тактического уровня проходили испытания на «замораживание» диаграммы в плоскости E при -40°C.

Ветераны радиолокации знают, что калибровка эффективной площади рассеяния (ЭПР) требует использования УВЧ-рупоров. В прошлом году Lockheed Martin использовала рупорные антенны серии HG48 от Eravant во время модернизации F-35 и зафиксировала значение фронтальной ЭПР на 0,7 дБсм выше расчетного, обнаружив ошибку толщины поглощающего покрытия в бомбоотсеке на 0,3 мм. Без этой возможности точной калибровки в УВЧ-диапазоне характеристики малозаметности не соответствовали бы стандартам вторичной приемки DEF STAN 59-411.

«Любой, кто говорит, что УВЧ-антенны должны быть постепенно выведены из эксплуатации, должен взглянуть на инцидент с загоризонтным радаром JORN в Австралии в 2019 году — после замены функции калибровки УВЧ на X-диапазон ошибки прогнозирования пути тайфуна взлетели до 120 километров». — Отрывок из публикации IEEE Trans. AP 2023 (DOI:10.1109/8.934217)

Передовым направлением сейчас является технология рупоров с диэлектрической нагрузкой. Northrop Grumman в проекте Космических сил по глубокому космическому наблюдению (DSSR) покрыла внутренние стенки УВЧ-рупоров слоем керамики из нитрида кремния толщиной 0,2 мм. Испытания на частоте 94 ГГц показали, что показатель кросс-поляризации упал до -45 дБ, что на два порядка лучше, чем у традиционных металлических рупоров. Если эта технология получит широкое распространение, системы раннего предупреждения о баллистических ракетах смогут сократить количество ложных тревог на 80%.

Испытания на электромагнитную совместимость

В три часа ночи центр управления спутниками внезапно получил сигнал тревоги от Zhongxing 9B — сигнал восходящей линии наземной станции испытал резкое колебание в 2,3 дБ на частоте 6025 МГц. Инженер Лао Чжан схватил фонарик и бросился в безэховую камеру, понимая, что это, скорее всего, связано с обрушением показателей электромагнитной совместимости (ЭМС) антенной системы. Согласно стандарту Международного союза электросвязи ITU-R S.1327, внеполосные побочные излучения для систем спутниковой связи должны контролироваться ниже -110 дБм/МГц; всплеск -105 дБм на анализаторе спектра был подобен кинжалу, готовому пронзить всю линию связи «космос-земля».

Самое сложное в этих тестах — это необходимость угодить сразу трем сторонам:

• Передатчики хотят выжать максимум мощности («насыщение мощности» на профессиональном жаргоне).
• Приемники гиперчувствительны и не терпят никаких помех (уровни чувствительности часто составляют -120 дБм).
• Близлежащее оборудование постоянно создает помехи (например, импульсные всплески радарных систем).

В прошлом году спутник GSAT-11 (Индия) понес крупные убытки. Их транспондер Ku-диапазона не прошел проверку изоляции мультиплексора, в результате чего ТВ-сигналы и сигналы телеметрии столкнулись прямо в космосе, потеряв 1,8 дБ эффективной изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ) спутника. Три месяца отладки на орбите обошлись в 5,3 миллиона долларов, чего хватило бы на покупку 20 комплектов анализаторов спектра Rohde & Schwarz FSW85.

Проще всего совершить ошибку в реальных условиях при анализе продуктов интермодуляции антенны (Intermodulation). В прошлом году во время испытаний радара ракеты «Стандарт-3» компании Raytheon составляющая интермодуляции третьего порядка (IM3) основной антенны X-диапазона и антенны маяка L-диапазона неожиданно попала в диапазон GPS на частоте 1176 МГц. Хотя используемая двухгребневая рупорная антенна Eravant имела номинальный IM3 ≤ -90 дБн, фактические испытания выявили, что отклонение плоскостности фланца волновода на 0,025 мм ухудшило интермодуляцию на 6 дБ. Эта ошибка, тоньше человеческого волоса, задержала весь проект на 11 недель.

Ведущие команды в отрасли сейчас экспериментируют с методами испытаний в реверберационных камерах. Недавно опубликованное решение NASA JPL использует механические мешалки для изменения электромагнитных граничных условий полости в течение 3 миллисекунд в сочетании с анализаторами спектра Keysight N9048B для выполнения 2000 сканирований в секунду. Эта система может завершить статистические испытания однородности поля за 15 минут, которые традиционно занимают 8 часов, что особенно подходит для бортового космического оборудования, конструкцию которого невозможно изменить после запуска.

Однако команда Лао Чжана недавно обнаружила новое «минное поле»: вторичные радиационные помехи, вызванные базовыми станциями 5G. Во время приемочных испытаний наземной станции в новом районе Сюнъань, хотя само оборудование прошло ЭМС, находящиеся поблизости мобильные базовые станции вызвали паразитные сигналы в диапазоне 28 ГГц. Используя программное обеспечение для 3D-электромагнитного моделирования Altair Feko, они проследили путь помехи до пространственной связи между боковым лепестком антенны базовой станции и боковым лепестком луча приема спутника, образующим паразитный канал. Эти межсистемные помехи теперь заставляют их привозить имитатор сигналов 5G в качестве «спарринг-партнера» во время испытаний.

Планирование вещательной базовой станции

Прошлым летом региональная вещательная группа столкнулась со странным явлением — их недавно построенная базовая станция 700 МГц испытывала обрывы сигнала каждый день в три часа дня. Тестеры напряженности поля показали, что радиус покрытия сократился с проектных 18 километров до всего лишь 7 километров, превратив цифровое ТВ в «мертвую зону» под вышкой. Как инженеры по микроволновому излучению, участвовавшие в пересмотре стандарта ITU-R BS.412, мы поспешили на место с нашим Keysight N5291A и обнаружили, что азимутальная установка УВЧ-рупорной антенны отклонилась на полные 12 градусов.

Выбор площадки для вещательной базовой станции должен строго соответствовать трем параметрам: перепад высот в пределах ±15 метров (согласно модели распространения на местности ITU-R P.1546), угол между соседними базовыми станциями ≥110° (для предотвращения перекрытия лучей) и расстояние от высоковольтных линий не менее 300 метров (чтобы избежать помех промышленной частоты 50 Гц). В проекте в горной местности в прошлом году мы использовали дроны, чтобы поднять антенну на заброшенную водонапорную башню, сэкономив более 2 миллионов юаней по сравнению со строительством новой вышки.

• Нарушение поляризационной развязки — это катастрофа: одна городская радиостанция использовала кросс-поляризованный рупор, и ржавчина в волноводном вращающемся соединении привела к тому, что коэффициент дискриминации кросс-поляризации (XPD) упал с 35 дБ до 18 дБ, что вызвало жалобы слушателей на то, что FM-вещание смешивалось с литературной программой другой станции.
• На каждые 100 метров набора высоты мощность передачи должна быть снижена на 0,25 дБ (согласно стандарту ETSI EN 302 326), но прибрежные базовые станции требуют дополнительного учета коррозии от солевого тумана. Посеребренный волновод в Циндао всего за 8 месяцев использования показал увеличение шероховатости поверхности Ra с 0,8 мкм до 3,2 мкм, что удвоило вносимые потери.

Сейчас серьезные игроки используют 3D-формирование луча. В качестве примера возьмем пригородную экспериментальную станцию под Пекином: 8-элементная УВЧ-решетка может сканировать вертикально регулируемые углы наклона от -3° до +5°, улучшая равномерность покрытия на 60% по сравнению с традиционным механическим наклоном. Однако здесь есть ловушка — фазовая ошибка фидерной сети должна быть <1,5° (фазовый шум вызывает расщепление луча). В прошлый раз у делителя мощности одного вендора был чрезмерный температурный дрейф, что привело к искажению диаграммы под воздействием полуденного солнца.

В районах с плотной городской застройкой необходимо применять технологию адаптивного подавления помех (adaptive nulling). Случай в районе Хункоу, Шанхай, является наиболее типичным: используя генератор векторных сигналов для имитации 7 путей сильного отражения, весовые коэффициенты решетки корректировались в реальном времени через ПЛИС (FPGA), подавляя многолучевые помехи на 22 дБ. Умный ход — в фидер рупора был вставлен диэлектрический фазовращатель, обеспечивающий точность регулировки фазы 0,3° на шаг.

При техническом обслуживании следите за этими показателями: КСВН >1,5 вызывает немедленную тревогу (указывает на попадание воды или окисленные разъемы), отклонение по азимуту >0,5° инициирует автоматическую коррекцию (с использованием датчиков угла системы Beidou), а давление в волноводе ниже 80 кПа запускает осушение (согласно стандартам защиты от проникновения влаги MIL-STD-188-164A). В прошлый раз дождевой чехол базовой станции был сорван тайфуном, и внутри волновода в течение двух часов образовался конденсат, что привело к короткому замыканию и задымлению всего комплекта полосовых фильтров.

Самая большая головная боль сейчас — это базовые станции 5G, конкурирующие за пространство: диапазон УВЧ вещания и мобильный диапазон n28 разделены всего 10 МГц. В прошлом месяце в Ханчжоу горизонтальное расстояние между антеннами двух систем составляло всего 15 метров, что вызывало взаимные помехи и эффект мозаики на экранах ТВ (значение PESQ-MOS упало до 2,1). Это заставило нас за одну ночь переделать весь план формирования луча и установить полосовые фильтры (вносимые потери в пределах 0,8 дБ).

Конфигурация микроволновой безэховой камеры

В прошлом году во время отладки спутниковой полезной нагрузки для одного института внезапно вышло из строя вакуумное уплотнительное кольцо волновода, в результате чего коэффициент эллиптичности, измеренный в безэховой камере, подскочил с 1,2 дБ до 4,5 дБ — если бы это случилось в космосе, характеристики излучения спутниковой антенны были бы полностью испорчены. Согласно стандарту MIL-STD-461G, нам пришлось восстановить электромагнитную среду в течение 36 часов, иначе весь график запуска спутника сдвинулся бы на три месяца.

Микроволновая безэховая камера (Chamber) — это, по сути, электромагнитная «операционная». В качестве примера возьмем нашу обновленную 10-метровую безэховую камеру дальней зоны: все четыре стены покрыты ферритовыми и полиуретановыми композитными клиньями (Ferrite/PU Hybrid Wedge). Такая комбинация позволяет подавить отражательную способность ниже -50 дБ в диапазоне 2–40 ГГц, что эквивалентно ослаблению внешних помех в 100 000 раз. Однако есть ловушка: высота клина должна строго соответствовать принципу λ/4. В прошлом году команда неправильно установила клинья для 18 ГГц со смещением в 3 см, что привело к появлению паразитных сигналов в диапазоне 22 ГГц.

• Технологии поглощающих материалов: В решениях военного класса используется композитная пена с добавлением карбида кремния (SiC-doped foam), которая выдерживает плотность мощности 500 Вт/м², тогда как материалы промышленного класса начинают дымиться при 100 Вт непрерывного излучения.
• Герметизация дверей камеры должна быть серьезной: Мы используем двойные гребенчатые контакты из бериллиевой меди для обеспечения эффективности экранирования 80 дБ. Во время одной приемки мы обнаружили утечку на частоте 2,4 ГГц в дверном шве, которая возникла из-за того, что монтажник поленился закрутить шесть болтов.
• Точность поворотного стола критична: Поворотный стол одной частной компании с использованием волновой передачи (Harmonic Drive) показал угловые ошибки более 0,5° во время низкотемпературных испытаний при -40°C, что вызвало значительные искажения диаграммы направленности антенны.

Самым важным вопросом на практике является подавление многолучевых помех (Multipath Cancellation). В прошлом году при испытании одной фазированной решетки мы постоянно наблюдали пульсацию 0,3 дБ на диаграмме частоты 12,5 ГГц. Позже, используя векторный анализатор сетей (Keysight N9048B), мы обнаружили, что сварной шов потолочного кронштейна в безэховой камере вызывает резонанс. Решение было простым, но дорогим — нанесение слоя радиопоглощающего покрытия (LS-24 от ARC Technologies) на сварной шов стоимостью 380 долларов за квадратный метр, но эффект был мгновенным.

Говоря о конфигурациях испытаний, нельзя не упомянуть трюк с калибровкой зонда. Наша команда разработала алгоритм динамической температурной компенсации, который сократил традиционную фазовую ошибку ±0,8° до ±0,15°. Секрет заключается в установке четырех платиновых термометров сопротивления (Platinum RTD) в основании зонда для мониторинга температурных градиентов в реальном времени. Во время 72-часового непрерывного теста эта технология обнаружила отклонение в 0,07°, вызванное перегревом подшипников поворотного стола, что предотвратило серьезную ошибку в данных.

В настоящее время обязательным пунктом при приемке безэховых камер является функция стробирования во временной области (Time Domain Gating). Однажды при тестировании системы радиоэлектронной борьбы заказчик не смог измерить теоретическое значение с помощью анализатора спектра FSW50 от Rohde & Schwarz. Оказалось, что задержка отражения 3,2 пс в месте соединения металлической сетки заземления вызывала проблему. Ошибка такого уровня невидима в частотной области, но приводила к полному обвалу точности измерения дальности в импульсных системах.

Спутниковая наземная станция

В июне прошлого года сигнал маяка Ku-диапазона Intelsat IS-39 внезапно упал на 4,2 дБ (превысив допуски ITU-R S.465-6). В то время я находился в космическом центре Цукуба в Японии, срочно настраивая временную систему мониторинга с использованием стандартных волноводов WR-229. Инженеры на спутниковых наземных станциях знают, что если поляризационная развязка падает ниже 25 дБ, качество связи во всем диапазоне рушится.

В современных радиопрозрачных укрытиях наземных станций двухгребневые рупорные антенны (Dual-Ridged Horn Antenna) являются базовым оборудованием. Они выглядят как большие рупоры, но внутри содержат структуры расширяющейся щелевой линии (Tapered Slot Line) — по сути, они переводят микроволновые сигналы из моды TE10 волновода в квазиплоские волны в свободном пространстве. Наши измерения показали, что на частоте 12,5 ГГц стабильность фазового центра может контролироваться в пределах ±0,03λ, что критично для точности слежения за спутником.

• Процесс вакуумной пайки (Vacuum Brazing): Воздушный зазор в 0,1 мм во фланцевом соединении может вызвать вносимые потери до 0,8 дБ в миллиметровом диапазоне.
• Аварийный режим при солнечных вспышках: Во время пика солнечной активности в прошлом году облучатель антенны одной модели испытал скачок КСВН до 2,5 во время вспышки класса X17, что едва не сожгло мощный усилитель.
• Калибровка совместного позиционирования нескольких спутников: Используя функцию стробирования во временной области векторного анализатора сетей, можно одновременно контролировать несущие сигналы от трех спутников на геостационарной орбите.

В практических приложениях стоит упомянуть Систему спутников слежения и ретрансляции данных (TDRSS). Во время эксперимента на Тяньгун-2 в 2018 году наземная станция использовала сверхширокополосные двухполяризационные рупоры (Ultra-Wideband Dual-Pol Horn). В то время я находился на объекте, следя за анализатором спектра и обеспечивая удержание коэффициента эллиптичности (Axial Ratio) ниже 3 дБ, иначе видеосигналы астронавтов рассыпались бы на мозаику.

Недавно мы столкнулись с головной болью: фидерная сеть с электронным сканированием (Electronic Scanning Feed Array) частной аэрокосмической компании показала дифракционные лепестки (Grating Lobes) в диаграмме плоскости E во время испытаний в вакуумной камере. Позже мы перепроектировали излучающую апертуру, используя технологию гребневой нагрузки типа «галстук-бабочка» (Bowtie Ridge Loading), подавив уровень боковых лепестков ниже -18 дБ — если бы это произошло на орбите, скорость передачи данных со спутника упала бы вдвое.

Самая критическая проблема в современных антенных системах наземных станций — это компенсация тепловой деформации. Прошлым летом на объекте в Синьцзяне 40-метровая антенна подверглась деформации поверхности рефлектора из-за градиента солнечного освещения, что привело к ошибке наведения луча 0,08°, вынудив нас использовать лазерный теодолитный комплекс для коррекции положения облучателя в реальном времени. Эта система теперь включена в Приложение B стандарта CCSDS 401.0-B-32.

Любой, кто занимается спутниковой связью, знает, что в течение «золотых семи минут» нет места ошибкам. Во время орбитальных испытаний «Фэнъюнь-4» эффективность пропускания радиопрозрачного укрытия внезапно упала с 98,7% до 95,2%. Вся команда работала трое суток и в итоге обнаружила, что диэлектрическая проницаемость опорных стержней из ПТФЭ дрейфовала на 0,15 из-за поглощения влаги — деталь, которую невозможно обнаружить при наземных испытаниях.

Аэропортовая навигационная система

В 3 часа ночи диспетчерская вышка аэропорта Пудун внезапно получила сигнал о дрожании сигнала курсового радиомаяка (Localizer) — самолет A350 при заходе на посадку столкнулся с отклонением от глиссады (Glide Path) более чем на 0,3 градуса. Инженеры бросились в аппаратную и обнаружили, что чистота поляризации (Polarization Purity) УВЧ навигационной антенны рухнула с 35 дБ до 22 дБ, что напрямую привело к срабатыванию защиты автоматического отключения системы слепой посадки категории CAT III.

Если это не исправить, вся западная взлетно-посадочная полоса будет парализована на 12 часов. Ремонтная бригада взяла ручной анализатор FieldFox от Keysight и поднялась на антенную мачту. В итоге они выяснили, что износ уплотнений разъемов привел к росту КСВН (VSWR) до 1,8. После замены деталей они провели перекалибровку с помощью генератора сигналов SMA100B от Rohde & Schwarz, восстановив ширину луча (Beamwidth) до проектного значения ±10 градусов.

Современные аэропорты внедряют два типа передовых технологий:

Инженеры, работающие с навигационными антеннами, знают, как важен спад диаграммы направленности (Pattern Roll-off). В Терминале 3 аэропорта Столичный (Пекин) когда-то возникали частые многолучевые помехи (Multipath) из-за неконтролируемых боковых лепестков (Sidelobe), отражавшихся от светодиодных экранов торгового центра неподалеку. Позже переход на антенны со структурой гофрированного рупора (Corrugated Horn) позволил поддерживать подавление излучения на уровне -25 дБ даже при угле смещения 30 градусов.

В последнее время появились более экстремальные требования — испытания с резким перепадом температур от -40°C до 70°C. Группа авиационной промышленности Чэнду спроектировала специальную версию для аэропорта Лхаса Гонггар с оболочкой из золотосодержащего алюминиево-магниевого сплава толщиной 3 мкм и диэлектрическим наполнением из ПТФЭ (Dielectric Loading) для контроля термического дрейфа. Во время испытаний при снежной буре в прошлом году смещение фазового центра (Phase Center) удерживалось в пределах 0,3 мм, что полностью соответствует стандартам RTCA DO-246D.

В следующий раз, когда будете садиться в самолет, посмотрите на торцы ВПП — эти серые металлические кожухи в форме гигантских рупоров могут быть УВЧ-антеннами, передающими сигналы дифференциальной коррекции (Differential Correction). Говорят, что в аэропорту Дасин уже тестируют версии миллиметрового диапазона, но решение проблемы затухания в дожде (Rain Attenuation) займет еще два года.