Для повышения пропускной способности спутниковых систем связи, кроме ранее уже использовавшегося частотного диапазона 4–6 ГГц, в настоящее время осваиваются новые диапазоны 11–14, 12–18 и 20–30 ГГц.
Допустимый уровень излучения в сторону Земли бортовых антенн ИСЗ ограничен из-за недопустимости излучения в этом направлении мощных сигналов, которые могут создать помехи другим радиотехническим системам. Сигналы, приходящие от космических кораблей, весьма слабы из-за очень большой удаленности их источников.
Из-за малой ширины диаграммы направленности при изменении положения ИСЗ необходимо обеспечить весьма высокую точность наведения луча антенны на эти объекты и непрерывное их сопровождение. Для этого антенны снабжаются поворотными устройствами и системами управления ими.
Тип приемно-передающей антенны, установленной на ИСЗ, выбирают с учетом требований, связанных с построением и энергетическим потенциалом линии связи, диапазоном рабочих частот и полосой пропускания, условиями работы в космосе, стабилизацией ИСЗ и т. п.
На первых ИСЗ использовались слабонаправленные малогабаритные антенны. На ИСЗ, выведенных на геостационарную орбиту, с которой угловой размер Земли составляет примерно 20°, применялись антенны с шириной диаграммы направленности Θ0,5 = 20–25° и коэффициентом усиления примерно 6-17 дБ.
На ИСЗ, находящихся на орбите средней высоты (5-10 тыс. км), применялись почти ненаправленные (изотропные) антенны с круговой поляризацией поля (турникетные, спиральные, щелевые).
Недостаток усиления бортовых антенн компенсировался использованием больших наземных антенн с высоким коэффициентом усиления. С увеличением общих размеров ИСЗ появилась возможность применять более направленные антенны, коэффициент усиления которых достигает 30–35 дБ и более. К таким, в частности, относятся параболические (однозеркальные и двухзеркальные) антенны.
Одним из основных направлений в конструировании бортовых антенн является создание складных антенн, раскрывающихся после вывода космического аппарата на орбиту. Современные конструкции антенных систем ИСЗ решают следующие задачи:
– обеспечение эффективного облучения только заданной области земной поверхности путем формирования диаграммы направленности специальной формы;
– обеспечение возможности повторного (многократного) использования рабочих частот за счет пространственного разноса диаграмм направленности и поляризационного разделения;
– ослабление излучения вне зоны обслуживания с тем, чтобы уровни поля на основной и кроссполяризации соответствовали нормам Международного Консультативного Комитета по Радио (МККР);
– коэффициент направленного действия антенны должен при заданной мощности бортового передатчика обеспечивать необходимый для нормального приема уровень напряженности электрического поля;
– размеры спутниковых антенн в процессе их вывода на орбиту должны позволять их размещение в обтекателе ракеты-носителя;
– антенны должны иметь малую массу и сохранять работоспособность в условиях глубокого вакуума, выдерживать, не изменяя геометрической формы, солнечное излучение и т. п. Для изготовления антенны на ИСЗ используются алюминий, титан, инвар и композиты. Так, например, графитоэпоксидные композиты обладают хорошими механическими свойствами, близким к нулю коэффициентом линейного расширения, малым удельным весом и большой жесткостью.
Эти задачи могут решаться применением многолучевых антенн, к которым в последнее время проявляется значительный интерес. Используя диапазон частот 20–30 ГГц и обладающие большим усилением многолучевые антенны, можно значительно снизить мощность бортовых передатчиков ИСЗ и наземных станций и уменьшить диаметры раскрывов антенн.
В качестве бортовых многолучевых антенн применяются зеркальные, линзовые и фазированные антенные решетки (ФАР). Основным преимуществом зеркальных многолучевых антенн является их сравнительно невысокая стоимость, простота облучающей системы, небольшая масса, простота конструкции. Коэффициент усиления (КУ) таких антенн изменяется от 27–30 дБ в диапазоне 4–6 ГГц (при диаметре раскрыва 1–2,5 м) до 45 дБ в диапазоне 30 ГГц. Антенны имеют высокую развязку по поляризации (не менее 35 дБ).
Основными направлениями в области развития антенн систем спутниковой связи являются:
– использование многолучевых бортовых антенн и увеличение их размеров (в дальнейшем предполагается большие многолучевые антенны создавать на крупногабаритных орбитальных конструкциях);
– увеличение коэффициента усиления (примерно до 55 дБ);