• Ешқандай Нәтиже Табылған Жоқ

РАДИОФИЗИКА

S- И X-ДИАПАЗОННАЯ ПАТЧ-АНТЕННА ДЛЯ НАНОСПУТНИКОВ CUBESAT

Концепция CubeSat стала очень популярной как в университетских группах, так и среди исследователей, космических агентств, правительств и компаний. CubeSat предлагает быстрый и доступный способ для широкого круга заинтересованных сторон быть активным в космосе. Благодаря высокой степени модульности и широкому использованию готовых коммерческих подсистем проекты CubeSat могут быть подготовлены к полёту гораздо быстрее, чем при использовании традиционных спутниковых расписаний, обычно в течение одного­двух лет. В данной работе нами рассмотрена модель патч­антенны S и X диапазонов для наноспутников CubeSat в области дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Размеры антенны были определены и спроектированы согласно габаритным параметрам малого космического аппарата. Форма излучающей части была сформирована с использованием геометрического фрактала анизотропной структурой. С помощью программного пакета CST Microwave Studio были определены электродинамические, частотные характеристики и направленные свойства антенны. Результаты компьютерного моделирования демонстрируют, что разработанная концепция антенны имеет многодиапазонное свойство и соответствует всем параметрам, которые необходимы для приема и передачи данных в диапазонах S и X. Также получено, что анизотропная фрактальная структура позволяет антенне иметь несколько рабочих частот.

Ключевые слова: патч­антенна, наноспутник, CubeSat, анизотропный фрактал, характеристики антенны.

N. Meirambekuly, B.A. Karibayev*, A.A. Temirbayev, A.K. Imanbayeva Al­Farabi Kazakh National University, Kazakhstan, Almaty

*е­mail: beibitkaribaev7@gmail.com

S and X band patch antenna for CubeSat nanosatellites

The CubeSat concept has become very popular with both university groups and researchers, space agencies, governments and companies. CubeSat offers a fast and affordable way for a wide range of stakeholders to be active in space. Due to the high degree of modularity and widespread use of off­the­shelf commercial subsystems, CubeSat projects can be prepared for flight much faster than using traditional satellite schedules usually within one to two years. In this paper, we have considered a model of an S and X band patch antenna for CubeSat nanosatellites in the field of Earth remote sensing (ERS). The antenna dimensions were determined and designed according to the dimensions of the small spacecraft. The shape of the emitting part was formed using a geometric fractal with an anisotropic structure. Using the CST Microwave Studio software package, the electro­

dynamic, frequency characteristics and directional properties of the antenna were determined. The results of computer simulations demonstrate that the developed antenna concept has a multi­band property and meets all the parameters that are necessary for receiving and transmitting data in the S and X bands. It was also found that the anisotropic fractal structure allows the antenna to have several operating frequencies.

Key words: patch antenna, nanosatellite, CubeSat, anisotropic fractal, antenna characteristics.

Н. Мейрамбекұлы, Б.А. Кәрібаев*, Ә.Ә. Темірбаев, А.К. Иманбаева

Әл­Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті, Қазақстан, Алматы қ.

*е­mail: beibitkaribaev7@gmail.com CubeSat наноспутниктеріне арналған

S және X диапазонды патч антенна

CubeSat тұжырымдамасы университеттер топтары мен зерттеушілер, ғарыш агенттіктері, үкіметтер мен компаниялар арасында өте танымал болды. CubeSat мүдделі тараптардың кеңістігінде белсенді болудың жылдам әрі қолжетімді әдісін ұсынады. Модульділіктің жоғары деңгейіне және сатылымнан тыс коммерциялық ішкі жүйелердің кеңінен қолданылуына байланысты, CubeSat жобалары ұшуға дәстүрлі спутниктік кестелерді қолданудан әлдеқайда жылдам дайындалуы мүмкін, әдетте бір­екі жылдың ішінде. Осыған орай, бұл жұмыста біз Жерді қашықтықтан зондтау (ЖҚЗ) саласындағы CubeSat наноспутниктеріне арналған S және X диапазонды антеннаның үлгісін қарастырдық. Антеннаның өлшемдері шағын ғарыш кемесінің өлшемдеріне сәйкес анықталды және жобаланды. Шығаратын бөліктің пішіні анизотропты құрылымы бар геометриялық фракталдың көмегімен қалыптасты. CST Microwave Studio бағдарламалық жасақтамасының көмегімен антеннаның электродинамикалық, жиілік сипаттамалары мен бағыттық қасиеттері анықталды. Компьютерлік модельдеу нәтижелері антеннаның әзірленген тұжырымдамасының көп жолақты қасиетке ие екендігін және S және X диапазонында мәліметтерді қабылдау мен беру үшін қажетті барлық параметрлерге сәйкес келетінін көрсетеді. Анизотропты фракталдық құрылым антеннаның бірнеше жұмыс жиілігіне ие болуына мүмкіндік беретіні де анықталды.

Түйін сөздер: патч антенна, наноспутник, CubeSat, анизотропты фрактал, антенна сипат­

тамалары.

Введение

За последние 10-15 лет низкоорбитальные малые космические аппараты (МКА) и нано- спутники формата CubeSat (объёмом 1 л) ак- тивно разрабатываются и успешно эксплуати- руются крупными космическими агентствами, университетами и компаниями [1-4]. Прототипы МКА очень быстро создаются и позволяют про- водить испытания за короткое время с органич- ными затратами по сравнению с более крупны- ми космическими аппаратами.

На сегодняшний день развитие элементной базы и новые разработки в телекоммуникаци- онной части МКА позволяют CubeSat и другим небольшим спутникам передавать большие объ- емы данных, обмениваться данными из более отдаленных точек солнечной системы и обеспе- чивать сбор радиометрических данных для на- вигационных функций [5-7]. Во всех этих дей- ствиях немаловажную роль играют антенные устройства. Для успешного приема и передачи данных требуется соответствующие антенны по габаритам, электродинамическим характеристи- кам и другим параметрам. Кроме того, радиока- налы современных МКА обеспечивают связь в широком частотном диапазоне от УКВ до Ka и во многих случаях для каждого частотного диа- пазона используют отдельные бортовые антен-

ны [8-11]. Использование несколько антенн од- новременно создают дополнительные нагрузки для системы питания, увеличить массу полезной нагрузки, а также занимают больше место на по- верхности аппарата. Поэтому создание компакт- ных и многодиапазонных бортовых антенн для МКА является одной из актуальных задач.

Целью данной работы является разработка компьютерной модели микрополосковой патч- антенны для наноспутников CubeSat. Предло- женная антенна предназначена для наноспутни- ков, используемых в системах дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Во многих случаях такие спутники для передачи изображения ис- пользуют высокоскоростные передатчики S и X диапазонов. Миниатюризация рассматрива- емой антенны была осуществлена с помощью фрактальной геометрии [12]. Выбор данного подхода объясняется двумя уникальными свой- ствами геометрических фракталов: заполнение пространства и самоподобие. Эти свойства дает возможность создавать, проектировать многоди- апазонных и широкополосных антенн.

Материалы и методы

Плоскость излучающей части спроекти- рована в форме равнобедренного треугольни- ка с деформированным основанием, согласно

92

S- и X-диапазонная патч-антенна для наноспутников CubeSat

геометрии третьей иерархии анизотропного фрактала ZhF, который был впервые пред- ложен Жанабаевым З.Ж. [13-14]. Форма дан- ного фрактала формируется путем развития П-образных иерархических частей только в од- ном направлении, без деформации боковых зве- ньев (рис.1). В рассматриваемом анизотропном геометрическом фрактале с увеличением числа предфрактала части формируются только в од-

ном направлении, при этом боковые звенья не деформируются.

Проектирование антенны произведено в программной среде CST Microwave Studio. Пло- скость «земля» имеет срез формы, показанный на рисунке 1 (б). Питающая точка (порт) распо- ложена в углу напротив основания треугольни- ка. В качестве подложки использован стеклотек- столит FR-4 (ε = 4.4) с толщиной 1,6 мм (рис.2).

Рисунок 1 – Геометрические параметры антенны.

Результаты и обсуждение

На рисунке 3 показаны результаты моде- лирования коэффициента отражения антенны (параметр S11) в частотном диапазоне 0÷10 ГГц. На резонансных частотах с центральны- ми частотами f1 = 2.45 ГГц, f2 = 3.2 ГГц (вхо- дят в S диапазон) и f3 = 8,2 ГГц (Х диапазон) величина обратных потерь намного ниже «-10 дБ». Достигнута ширина полосы импеданса

«-10 дБ» на первой резонансной частоте 150 МГц (2400 МГц – 2550 МГц), на второй ре- зонансной частоте 60 МГц (3160 МГц – 3220 МГц) и на третьей 265 МГц (8085 МГц – 8350 МГц). Кроме этих рабочих резонансов можно заметить еще два резонанса, но у них значе- ния коэффициента отражения ниже порогово- го «-10дБ». Поэтому эти резонансы можно не рассмотреть из-за не согласованности антен- но-фидерного тракта.

На рисунке 4 показан коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) антенны также в диапазоне 0÷10 ГГц. Согласно графику, на всех резонансных частотах КСВН антенны ниже по-

казателя 2 (f1-1,2; f2-1,4; f3-1,1), что показывает согласованность антенны с фидером по уровню волновых сопротивлений и ее работоспособ- ность в данных частотах.

Рисунок 2 – Компьютерная модель антенны в среде CST Microwave Studio.

Рисунок 3 – S11 параметр многодиапазонной патч-антенны

На рисунке 5 показаны результаты мо- делирования 2D диаграммы направленности (phi{0÷360̊}, theta=90̊) в полярной системе коор- динат, построенные по максимальным значени- ям коэффициента усиления (КУ) на резонансных

частотах в дальней зоне. На всех резонансных частотах антенна имеет форму «восьмерки», то есть имеет два основные лепестки. Данная особенность связана с геометрической формой плоскости «земля». На рисунке 6 приведены

94

S- и X-диапазонная патч-антенна для наноспутников CubeSat

трехмерные (объемные) диаграммы направлен- ности антенны. Плотность потока мощности на всех резонансах распределена достаточно равномерно, симметрично и без резких вспле- сков в виде боковых лепестков. По уровню КУ

резонанс f2 в диапазоне S имеет отрицательное значение: – 2,37дБ, поэтому эта частота не под- ходит для использования. Остальные резонансы f1 (КУ=3,19дБ) и f3 (КУ=2,89дБ) полностью со- ответствуют для радиопередачи и приема.

Рисунок 4 – КСВН антенны

(а) (б) (в)

Рисунок 5 – 2D-диаграмма направленности антенны, (а) – 2,45 ГГц, (б) – 3,2 ГГц, (в) – 8,2 ГГц

(а) (б) (в) Рисунок 6 – 3D-диаграмма направленности антенны, (а) – 2,45 ГГц, (б) – 3,2 ГГц, (в) – 8,2 ГГц.

Заключение

Результаты моделирования показали, что анизотропная фрактальная структура позво- ляет антенне иметь несколько рабочих частот.

Выбранные нами геометрические параметры и структуры рассматриваемой патч-антенны для наноспутников CubeSat со своими электриче- скими длинами резонировали на S и X диапа- зонах. Первые два из них лежат в пределах S диапазона, третья – в диапазоне X. У всех них можно наблюдать низкие значения коэффици- ентов отражения (от -15дБ до -25дБ), которые обеспечивают эффективную работу за счёт со- гласованности антенно-фидерного тракта. Так- же результаты показали высокие коэффициенты усиления (3,19дБ и 2,89дБ) и отсутствие боко-

вых лепестков (их наличие создают помехи на- земным службам) в диаграмме направленности.

Рассматриваемая концепция антенны по га- бариту, весу, высокой механической прочно- стью и короткостью фидерного тракта, а также по электродинамическим характеристикам соот- ветствует требованиям, предъявляемые к антен- нам наноспутников ДЗЗ.

Благодарность

Работа выполнена при поддержке Министер- ства образования и науки Республики Казахстан в рамках гранта AP09057984 «Разработка и соз- дание антенн S и X диапазонов для наноспут- ников CubeSat дистанционного зондирования Земли».

Литература

1 Saeed N., Elzanaty A., Almorad H., Dahriuj H., Tareq Y. Al-Naffouri, M. Alouini. CubeSat Communications: Recent Ad- vances and Future Challenges //IEEE Communications Surveys & Tutorials. – 2020. – Vol.22. – P.1839-1862.

2 Aragon B., Ziliani M.G., Houborg R. et al. CubeSats deliver new insights into agricultural water use at daily and 3 m resolu- tions //Sci Rep. – 2021. – Vol. 11. – Art.No 12131.

3 Poghosyan A., Golkar A. CubeSat evolution: Analyzing CubeSat capabilities for conducting science missions //Progress in Aerospace Sciences. – 2017. – Vol.88. – P.59-83.

4 Villela T., Costa C., Brandao A., Bueno F., Leonardi R. Towards the Thousandth CubeSat: A Statistical Overview //Interna- tional Journal of Aerospace Engineering. – 2019. – Vol. 2019. – Art. No 5063145.

5 Akyildiz I., Jornet J., Nie S. A New CubeSat Design with Reconfigurable Multi-Band Radios for Dynamic Spectrum Satel- lite Communication Networks //Ad Hoc Networks. – 2019. – Vol.86. – P.166-178.

6 Burleigh S., De Cola T., Morosi S., Jayousi S., Cianca E., Fuchs C. From Connectivity to Advanced Internet Services: A Comprehensive Review of Small Satellites Communications and Networks //Wireless Communications and Mobile Computing. – 2019. – Vol. 2019. – Art. ID 6243505.

7 Kovar P. Experiences with the GPS in Unstabilized CubeSat //International Journal of Aerospace Engineering. – 2020. – Vol.2020. – Art.ID 8894984.

8 Tubbal F., Raad R., Chin K., Butters B. S-band Planar Antennas for a CubeSat //International Journal on Electrical Engi- neering and Informatics. – 2015. – Vol. 7, (4). – P.559-568.

9 Tatomirescu A., Pedersen G. Compact S Band Antenna for CubeSat //2018 International Conference on Communications (COMM). – 2018. – P. 231-234.

96

S- и X-диапазонная патч-антенна для наноспутников CubeSat

10 Nascetti A., Pittella E., Teofilatto P., Pisa S. High-gain S-band patch antenna system for earth-observation CubeSat satellites //IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. – 2015. – Vol.14. – P.434-437.

11 Samsuzzaman M., Islam M.T., Nahar M.K., Mandeep J.S., Mansor F., Islam M.M. Circularly polarized high gain S band antenna for nanosatellite //International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics. – 2015. – Vol.47. – P.1039–1049.

12 Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. – Институт компьютерных исследований, 2010. – 676 с.

13 Zhanabaev Z.Zh., Karibayev B.A., Imanbayeva A.K., Namazbayev T.A., Akhtanov S.N. Electrodynamic characteristics of wire dipole antennas based on fractal curves //Journal of Engineering Science and Technology. – 2019. – Vol.14. – P.305-320.

14 Zhanabaev Z.Z., Ibraimov M.K., Imanbayeva A.K., Karibayev, B.A., Namazbayev, T.A. Fractal Antennas in Telecommuni- cation Technologies //IEEE 12th International Conference on Application of Information and Communication Technologies, AICT 2018 – Proceedings. – 2018. – Art.No 8747153.

References

1 N. Saeed, A. Elzanaty, H. Almorad, H. Dahriuj, Tareq Y. Al-Naffouri, M. Alouini, IEEE Communications Surveys & Tutori- als, 22, 1839-1862 (2020).

2 B. Aragon, M.G. Ziliani, R. Houborg et al., Sci Rep, 11, 12131 (2021).

3 A. Poghosyan, A. Golkar, Progress in Aerospace Sciences, 88, 59-83 (2017).

4 T. Villela, C. Costa, A. Brandao, F. Bueno, R. Leonardi, International Journal of Aerospace Engineering, 2019, 5063145 (2019).

5 I. Akyildiz, J. Jornet, S. Nie, Ad Hoc Networks, 86, 166-178 (2019).

6 S. Burleigh, T. De Cola, S. Morosi, S. Jayousi, E. Cianca, C. Fuchs, Wireless Communications and Mobile Computing, 2019, 6243505 (2019).

7 P. Kovar, International Journal of Aerospace Engineering, 2020, 8894984 (2020).

8 F. Tubbal, R. Raad, K. Chin, B. Butters, International Journal on Electrical Engineering and Informatics, 7 (4), 559-568 (2015).

9 A. Tatomirescu, G. Pedersen, 2018 International Conference on Communications (COMM), 231-234 (2018).

10 A. Nascetti, E. Pittella, P. Teofilatto, S. Pisa, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 14, 434-437 (2015).

11 M. Samsuzzaman, M.T. Islam, M.K. Nahar, J.S. Mandeep, F. Mansor, M.M. Islam, International Journal of Applied Elec- tromagnetics and Mechanics, 47, 1039–1049 (2015).

12 B. Mandel'brot, Fraktal'naya geometriya prirody, (Institut komp'yuternykh issledovaniy, 2010), 676 p. (in Russ.).

13 Z.Zh. Zhanabaev, B.A. Karibayev, A.K. Imanbayeva, T.A. Namazbayev, S.N. Akhtanov, Journal of Engineering Science and Technology, 14, 305-320 (2019).

14 Z.Zh. Zhanabaev, M.K. Ibraimov, A.K. Imanbayeva, B.A. Karibayev, B.A., T.A. Namazbayev, Proc. IEEE 12th Interna- tional Conference on Application of Information and Communication Technologies, 8747153 (2018).