Сверхширокополосные антенные системы «свернутый рупор»

Сверхширокополосные антенные системы класса «свернутый рупор» (Fold Horn) — ключевой элемент процесса создания прорывных технологий в области телекоммуникаций и систем транспортной безопасности.

Совершенствование системы безопасности транспортного комплекса требует не только разработки новых прорывных технологий, но и комплексного решения вопросов инновационного развития сферы транспорта.

Одной из прорывных технологий, предопределяющих, на основе комплексного подхода, инновационное развитие мировой радиоэлектроники на ближайшие 30-50 лет, является разработанная и запатентованная в России технология синтеза многоуровневых широкополосных и сверхширокополосных антенных решеток с элементами, линейные размеры которых больше длины волны. Для обозначения конструкции антенных систем этого класса зарубежными экспертами в англоязычной литературе введен в оборот термин «Fold Horn» («FH») – «свернутый рупор». Указанная технология способна существенным образом влиять на развитие радиотехники во многих отраслях деятельности человека в течение десятилетий, в том числе в сфере связи, телекоммуникаций, радиолокации, наземного, водного, воздушного транспорта и космических систем, обороны и общественной безопасности, медицины, образования, добычи углеводородов и других полезных ископаемых, археологии, строительства, коммунального хозяйства, освоения космоса и планет солнечной системы и т.д. Именно поэтому она рассматривается в качестве основы для объединения компаний по функциональному признаку с целью организации и проведения деятельности по реализации (использованию) результатов долгосрочных научно-технических прогнозов, то есть в качестве основы новых технологических платформ, в том числе и в области транспортной безопасности.

Авторами технологии синтеза многоуровневых широкополосных и сверхширокополосных антенных решеток с элементами, линейные размеры которых больше длины волны, являются российские ученые Суховецкий Б.И. и Суховецкая С.Б.. По состоянию на 01.10.2013 их разработки защищены более, чем 20 патентами Российской Федерации. Антенны «свернутый рупор» — это многофункциональные сверхширокополосные антенные решетки, состоящие из иерархически упорядоченных, многоуровневых и многомодовых структур, выполненных по полосковой или микрополосковой технологии. До настоящего времени эти антенны уже востребованы заказчиками из 7 стран мира (в.ч. из США, Израиля, Южной Кореи, Чехии, Германии).

Рис.1 — Внешний вид некоторых сверхширокополосных антенных систем с элементами, линейные размеры которых больше длины волны

Известно, что, в зависимости от назначения, требуемых технических характеристик и используемых технологий изготовления, стоимость современных, классических ФАР и АФАР может исчисляться величинами до нескольких миллионов и даже до нескольких миллиардов долларов. Антенные элементы, с линейными размерами больше длины волны, выполненные по технологии «свернутый рупор», способны снизить стоимость ФАР в десятки и сотни раз при одновременном существенном расширении технических возможностей этих ФАР. На ближайшие 30 — 50 лет СШП-антенны класса «свернутый рупор» («Fold Horn») являются не только технически наиболее эффективными и перспективными, но и экономически наиболее выгодными антенными устройствами. Они выступают в качестве ГЛАВНОГО, КЛЮЧЕВОГО ЭЛЕМЕНТА, предопределяющего процессы создания ПРОРЫВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ в области связи, телекоммуникаций и радиолокации. Поэтому развитие систем обеспечения движения и безопасности на транспорте напрямую связано с использованием этих технологий.

Только одно это обстоятельство уже является очень весомым, важным поводом для того, чтобы чиновники, бизнесмены и специалисты незамедлительно обратили особое внимание на сверхширокополосные антенны класса «свернутый рупор» с целью их использования как в существующих, так и в разрабатываемых перспективных радиоэлектронных устройствах.

Тот, кто сумеет первым разработать, произвести и внедрить в практику сверхширокополосные антенны класса «свернутый рупор» и сопутствующие им технологии для систем телекоммуникаций и специальных технических систем, в ближайшие десятилетия будет одним из доминирующих игроков на стремительно развивающемся мировом рынке сверхширокополосных систем радиолокации, связи и телекоммуникационных услуг.

К числу неоспоримых технических преимуществ многоуровневых антенных систем (АС) с элементами, линейные размеры которых больше длины волны, перед антеннами других классов относятся:

• высокая степень сверхширокополосности АС (коэффициент частотного перекрытия f_в / f_н = 50 и более)
• возможность излучать сигналы очень большой мощности (до единиц, десятков и даже сотен ГВт – для формирования импульсов нано- и пикосекундной длительности, и до десятков МВт — для формирования длительных импульсов);
• высокая степень согласования АС с пространством (предельно низкие значения КСВ во всем диапазоне рабочих частот);
• возможность обеспечить новый способ электронного сканирования луча в диапазоне углов более ±60° (т.е. более 120°), что более чем в два раза превосходит возможности лучших из существующих аналогов;
• компактность, легкость, технологичность АС;
• возможность получать диаграмму направленности (ДН) антенны от «игольчатой» до круговой с высокой амплитудной равномерностью, получать АС с разностными ДН, в одной АС формировать суммарный и разностный каналы;
• конструкция антенн может быть либо плоской (с торцевым излучением, неподвижным фазовым центром и линейной поляризацией) либо трехмерной (с электронным управлением положением фазового центра и возможностью одновременно работать со всеми видами поляризации: вертикальной, горизонтальной, круговой правого и левого вращения, а также с их сочетаниями в любом наборе)
• возможность независимого подключения к одной антенне нескольких передатчиков, приемников или приемопередатчиков, работающих на одинаковых или различных частотах (с энергетической развязкой между отдельными входами по полю излучения не менее 24 дБ);
• экологичность и очень лёгкое решение проблем электромагнитной совместимости (за счет того, что одно антенное устройство способно выполнить функции нескольких антенн различных радиодиапазонов);
• уменьшение количества элементов в составе ФАР в десятки раз при использовании антенных элементов класса «FH», существенное упрощение систем суммирования и фазирования ФАР и, вследствие этого существенное уменьшение трудоемкости, времени и стоимости работ по настройке и эксплуатации ФАР;
• существенное расширение динамических и технических возможностей прикладных технических систем при использовании в этих системах АС класса «FH»;
• способность инициировать начало разработок новых, ныне ещё не существующих классов технических систем.

Использование рассматриваемых антенн в составе ныне используемых технических средств может быть весьма ограниченным: их широкое, массовое использованием связано с разработкой принципиально новых радиоэлектронных систем, в том числе перспективных многофункциональных АС и радиотехнических комплексов, которые способны довольно просто обеспечить одновременное функционирование нескольких радиолиний различных частотных диапазонов на одну АС, легко поддаются модернизации и постепенному наращиванию своих мощностей, и одновременно решают проблемы взаимного влияния и помехозащищенности. Предложенный подход к созданию многомодовых структур позволяет довольно просто освоить конструирование миниатюрных сверхширокополосных антенных решеток в диапазоне до 50 — 100 ГГц.

Совершенно очевидно, что в области связи, локации и комплексной безопасности транспортного комплекса России, особенное место в котором занимают транспортные компании Иркутска, практическое применения антенных систем класса «свернутый рупор» позволяет уже сегодня, в короткие сроки, при минимальных затратах временных, трудовых и финансовых ресурсов, получить принципиально новые высокоэффективные технические системы связи, управления, навигации, безопасной эксплуатации транспортного комплекса, а также средства для комплексной системы безопасности населения на транспорте, обеспечивающие предупреждение и пресечение актов незаконного вмешательства, в том числе террористической направленности; предупреждение и ликвидацию чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.

СШП-антенны класса «свернутый рупор» могут широко использоваться в качестве элементов инфраструктуры космодромов, аэропортов, портов, вокзалов, метрополитенов, городского и колесного транспорта. В частности, они могут быть использованы для создания:

• ФАР командно-измерительного комплекса для управления космическими аппаратами в ближнем и дальнем космосе;
• систем слепой посадки самолетов в аэропортах;
• диспетчерских систем (слежения за самолетами, поездами, вагонами, автомобилями);
• систем управления движением (навигационных систем) в воздухе, на море, на внутренних водных;
• систем досмотра и мониторинга перемещения грузов, личного багажа, ручной клади в аэропортах, портах и на вокзалах;
• систем контроля и охраны периметров и территорий аэропортов и др. объектов;
• систем телеметрии подвижного железнодорожного состава, средств городского транспорта, судов;
• систем предотвращения столкновения транспортных средств;
• систем дистанционного контроля состояния нефте- и газопроводов, очагов пожаров, зон экологического бедствия, техногенных и природных катастроф;
• систем дистанционного считывания данных с персональных устройств идентификации личности, устройств идентификации транспортных средств и устройств идентификации грузов;
• комплексных сервисных телекоммуникационных систем (для покрытия территории сигналами цифрового эфирного телевидения, широкополосного интернета, голосовой связи, видеосвязи с помощью одной излучающей антенны);
• единой широкополосной среды мультиоператорных indoor-систем для реализации любых видов беспроводного доступа (включая GSM/UMTS/WLAN/Wi-Fi/WiMax/4G и пр.) в аэропортах, портах, вокзалах, в зданиях и сооружениях, метро, тоннелях и т.д.;

Например, в инфраструктуре портов, на судах и морских платформах СШП-антенны класса «свернутый рупор» могут применяться в составе:

• систем «радиовидения» (принципиально новых сверхширокополосных береговых и мобильных РЛС (БРЛС и МРЛС) с многолучевым электронным сканированием);
• роботизированных систем обеспечения безопасности мореплавания (СОБМ) — систем управления движением судов (СУДС), судовых навигационных систем и др. средств навигационного обеспечения (СНО);
• систем интеграции судовых и береговых навигаторов в единую информационную среду;
• перспективных систем связи (в т.ч. систем «импульсного радио» для обеспечения беспроводной сверхширокополосной связи на борту судна или морской нефтедобывающей платформы) и систем беспроводного доступа к сетям передачи и обработки данных;
• комплексных беспроводных систем многоканального информационного обмена «берег — судно» и устройств «последней мили» ВОЛС;
• мобильных сверхширокополосных систем удаленного (беспроводного) заказа и корректуры электронных карт с картографических серверов и систем сверхширокополосного электронного картографирования;
• перспективных систем спутникового слежения за судами на дальнем расстоянии (LRIT);
• высокоточных систем ледовой и пр. разведки, размещаемых на вертолетах, самолетах, беспилотных летательных аппаратах и спутниках;
• систем электронной идентификации судов и грузов (Cargo Card System);
• систем онлайн-слежения и мониторинга перемещения грузов в порту (On-Line Tracking and Tracing System);
• систем управления складскими помещениями (Warehouse System);
• др. систем.

В области радиолокации СШП-антенны класса «свернутый рупор» способны до неузнаваемости изменить облик радиолокационных систем, поскольку позволяют отказаться от вращающихся антенн радиолокаторов и обеспечить сверхбыстрое многолучевое сканирование, как в заданном угловом секторе, так и в полусфере /сфере пространства, за счет работы компактной и легкой невращающейся конструкции антенной решетки. Это имеет особое значение для морских судов и нефтедобывающих платформ, эксплуатируемых в суровых условиях Арктики и Антарктики. Более того, высокая степень сверхширокополосности этих антенн позволяет использовать их в качестве единой антенной системы для одновременной работы нескольких РЛС, работающих на различных частотах или в различных частотных диапазонах. Тем самым снижается неблагоприятная экологическая нагрузка на окружающую среду и людей (например, на экипаж морского судна или нефтедобывающей платформы). В дальнейшем предлагаемые антенны несомненно будут востребованы в сверхширокополосных радиолокационных системах — в системах «радиовидения», позволяющих получать трехмерное радиоизображение облучаемого объекта и определять вещество, из которого такой объект состоит.

Новые технические возможности, предоставляемые СШП-антеннами класса «свернутый рупор» в области мореплавания, способны существенным образом повлиять на содержание разрабатываемой концепции Е-навигации (E-Navigation), разрабатываемых международных стандартов Глобальной морской системы связи при бедствии и для обеспечения безопасности (ГМССБ-2), существенно повысить эффективность и конкурентоспособность многих существующих технических систем, а также предопределить появление принципиально новых технических средств.

В области борьбы с терроризмом, предотвращения и ликвидации чрезвычайных ситуаций СШП-антенны класса «свернутый рупор» незаменимы при создании:

• систем связи;
• стационарных, мобильных и носимых сверхкороткоимпульсных излучателей для нейтрализации радиоуправляемых взрывных устройств;
• систем дистанционного обнаружения людей за препятствиями (в зданиях, завалах, укрытиях);
• систем связи, управления, ретрансляторов и РЛС для беспилотных летательных аппаратов (БЛА) различных классов и назначения;
• радиолокационных томографов для систем разминирования, ледовой разведки, мониторинга разливов нефти (в том числе подо льдом), поиска людей, дистанционного досмотра пассажиров, грузов и пр.;
• систем радио- и радиолокационной разведки, радиоэлектронной борьбы (РЭБ), систем электронного поражения, электронного и радиоэлектронного подавления (РЭП);
• радиолокационных систем для нейтрализации технологии невидимости «СТЕЛС» воздушных и надводных объектов;
• эффективных систем несмертельного воздействия;
• систем контроля окружающего пространства, систем охраны, дальномеров;
• систем автоматизированного мониторинга состояния протяженных объектов и землеобзора (для мониторинга государственной границы, территорий портов, аэропортов, вокзалов, технических объектов нефте- и газопроводов, линий электропередач и волоконно-оптических каналов связи, систем тепло-, водоснабжения и канализации; обнаружения и контроля очагов экологических катастроф природного и техногенного происхождения; проведения поисковых и поисково-спасательных мероприятий при возникновении чрезвычайных ситуаций).

Из изложенного выше становится понятно, что ТЕХНОЛОГИЯ «FOLD HORN» — это РАДИКАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, которая одновременно является: замещающей; отменяющей; открывающей; диффузной; авторской; точечной, системной, стратегической; межорганизационной.

В настоящее время ООО «Сверхширокополосные телекоммуникационные системы» (ООО «СТЕЛС», Россия, г. Гатчина, [email protected]), занимаясь разработкой и производством антенных систем по указанной технологии на системной основе, осуществляет поиск партнеров. ООО «СТЕЛС» нужны заказчики, стратегические партнеры и инвесторы. Приглашаем всех к сотрудничеству.

ООО «СТЕЛС» реализует несколько амбициозных проектов. Один из них, проект «Радиолокационный томограф» был представлен на Международной конференции «Start Up» в Сколково 28 мая 2013 года.

По материалам www.agust-irk.ru

Сергей Чепель — член-корреспондент Петровской академии наук и искусств, генеральный директор ООО «Сверхширокополосные телекоммуникационные системы»  (ООО «СТЕЛС», г. Гатчина), стратегический партнер НП «Транспортный Союз Северо-Запада»