Связь с метаповерхностью
Красивая, правильная электродинамика обеспечивает соединение даже в труднодоступных местах
Российская компания проводит активную работу в области сетчатых структур — метаповерхностей для перспективных спутниковых и беспроводных сетей.
Проведение испытаний антенны на метаповерхностях
в безэховой камере
Фото: Предоставлено «Мэтрикс вейв»
Проведение испытаний антенны на метаповерхностях
в безэховой камере
Фото: Предоставлено «Мэтрикс вейв»
Технологическая компания «Мэтрикс вейв» (резидент «Сколково») работает на будущее — проводит исследования и разрабатывает антенные устройства для абонентских терминалов систем персональной спутниковой связи. Абонентские терминалы — это устройства, через которые абонент (человек или организация) может подключиться к спутниковой сети и пользоваться интернетом или мобильным телефоном там, где нет мобильных сетей.
Абонентский терминал представляет собой плоскую панель толщиной около 7–10 см, размерами примерно 60 х 90 см, которая устанавливается на крыше автомобилей, поездов, других подвижных объектов, и состоит из набора элементов: модема, радиочастотного и антенного блоков. Антенна, которая служит для приема и отправки радиосигналов между спутником и пользовательским терминалом, является одним из важнейших блоков терминала.
Спутниковые системы для коммерческой эксплуатации, которые будут использовать абонентские терминалы в массовых количествах, в России пока только начинают разворачиваться. На стадии реализации находится федеральный проект «Комплексное развитие космических информационных технологий» («Сфера»), предполагающий создание глобальной многофункциональной инфокоммуникационной системы с группировкой примерно из 600 спутников. На базе низкоорбитальных космических аппаратов формируется российская многофункциональная система персональной спутниковой связи «Гонец». Низкоорбитальные группировки, которые развиваются в России, перейдут в опытную коммерческую эксплуатацию в 2026–2027 годах. Как только это произойдет, тут и понадобится большое число абонентских терминалов.
Определение целей
Инженеры «Мэтрикс вейв» во главе с гендиректором Алексеем Космыниным — выпускники самых престижных технических вузов России. Они давно работают в сфере СВЧ-радиоэлектроники — именно в этом диапазоне обеспечиваются прием и передача сигналов для спутниковой связи. Длительное время участники команды занимались разработкой радиоэлектронных устройств, в том числе для систем спутниковой связи, и у них было много собственных технологических идей. Чтобы их реализовать, в 2019 году было решено создать собственную фирму, обратившись к перспективному и одному из наиболее интересных направлений в радиоэлектронике — низкоорбитальным системам связи.
«Чтобы организовать фирму, нужен стартовый капитал,— рассказывает Алексей Космынин.— Он появился в 2019-м. Еще год ушел на то, чтобы разобраться в особенностях рынка, создаваемых проектах, существующих задачах и, главное, какие технологии в этой области развиваются ведущими технологичными компаниями и какие будут развиваться нашей командой».
Когда выяснилось, что российских абонентских терминалов для массового использования в спутниковой связи не существует, инженеры «Мэтрикс вейв» решили заняться именно этой проблемой. «Мы определили задачу, которую будем решать в первую очередь,— создание абонентского терминала для российских спутниковых систем и низкоорбитальных группировок»,— вспоминает Алексей Космынин.
Почему метаповерхности
Стали разбираться, какие наработки в этой области существуют. Изучали статьи, патенты, диссертации — все, что можно было найти. И поняли, что решение лежит в области метаповерхностей.
К тому моменту существовали различные типы спутниковых антенн, но все они были дорогие и не подходили для терминалов персональной спутниковой связи. «Для систем персональной спутниковой связи стоимость абонентского терминала не может быть высокой,— объясняет гендиректор "Мэтрикс вейв".— Поэтому мы довольно много времени потратили на поиск технологий, которые позволили бы обеспечить требуемые характеристики при небольшой стоимости. В какой-то момент открыли для себя метаповерхности. И кроме всего прочего получили бонус — это бесконечно интересно: такая, знаете ли, красивая, правильная электродинамика».
Что такое метаповерхность
Метаповерхность — это периодическая структура, состоящая из электрически малых элементов, размер которых в 5–10 раз меньше рабочей длины волны. В своей совокупности они позволяют управлять распределением ближнего электромагнитного поля источника. Благодаря этому можно, например, комбинируя метаповерхность и ненаправленный источник, формировать направленное излучение в требуемом направлении. «Кроме того, комбинируя метаповерхности с обеспечением возможности их механического поворота друг относительно друга, возможно изменять направление максимума излучения или, иными словами, обеспечивать пространственное сканирование»,— объясняет Космынин.
Для чего это нужно? «Спутники, находящиеся на орбите, постоянно движутся, поэтому и антенна абонентского терминала должна находиться в движении, чтобы их отслеживать, иначе связь с ними будет потеряна,— подчеркивает Алексей Космынин.— Для того и нужно уметь перестраивать направление луча. Но если еще и сам объект, на котором установлен абонентский терминал с антенной, например автомобиль, подвижен, нужно уметь перестраивать диаграмму так, чтобы компенсировать фактор подвижности объекта, то есть автомобиля».
Изменение направления излучения — это и есть та самая сложная задача, которую долго не получалось решить дешево. До последнего времени большинство антенных систем, позволяющих изменять направление излучения волны, строились на фазированных антенных решетках, говорит Алексей Космынин. Фазированная антенная решетка очень хорошо работает, но и очень дорого стоит из-за наличия в составе большого числа микросхем. На каждый терминал, построенный на ее основе, нужно примерно 350–400 микросхем, минимум по $20 каждая. Технология метаповерхностей обходится без них. В результате при партии из тысячи штук антенны на основе метаповерхностей стоят дешевле в четыре-пять раз, при более крупных партиях разница еще больше. Стоит также учитывать, что микросхемы сейчас трудно закупать, а метаповерхности можно производить в России, подчеркивает глава «Мэтрикс вейв».
Система спутниковой связи. Слева абоненты, вверху спутниковые сети, справа инфраструктура, через которую осуществляется
подключение при помощи терминала
Система спутниковой связи. Слева абоненты, вверху спутниковые сети, справа инфраструктура, через которую осуществляется
подключение при помощи терминала
Как изготовить метаповерхность
«Метаповерхность в нашем случае выполнена по технологии изготовления многослойных СВЧ-печатных плат и представляет собой слои диэлектрика с определенным образом нанесенным на них металлом. Собственно, топология печатной платы и представляет собой метаповерхность. Сам терминал состоит из нескольких метаповерхностей, которые могут менять положение друг относительно друга, то есть вращаться и таким образом управлять пространственным направлением луча. Все это производится в России»,— рассказывает Алексей Космынин.
Дизайн рисунка, параметры диэлектриков — все это специально проектируется, моделируется и потом в виде конструкторских файлов передается на производство. «Проектирование таких структур — самая сложная часть производства антенных метаповерхностных структур, ведь даже простейшая модель требует сложнейших расчетов,— говорит гендиректор.— Чтобы спроектировать ту или иную модель, мы пишем полностью всю математику, которая позволяет определить параметры каждой ячейки. Наша ключевая ценность как компании как раз и заключается в умении проектировать структуру с управляемым лучом для абонентского терминала. Просчет одной структуры на основе метаповерхностей, даже не очень сложной, на хорошем вычислительном компьютере занимает минимум день. Это большая и трудная вычислительная задача. И все считается преимущественно на нашем ПО для проектирования».
Схема работы терминала спутниковой связи. Отечественная альтернатива Starlink
Схема работы терминала спутниковой связи. Отечественная альтернатива Starlink
На кого рассчитано
Кто сможет пользоваться терминалами космической связи: госструктуры, бизнес, частные лица? Вначале это все будет В2В и В2G, уверен Алексей Космынин, потому что, когда терминалы производятся небольшой серией, они получаются достаточно дорогими. Первыми заказчиками станут госструктуры и коммерческие компании, такие как РЖД, «Роскосмос» или КамАЗ. По мере созревания и роста рынка все это перейдет к частникам.
«Пока нет космических группировок, мы разрабатываем, производим и продаем другие продукты. Поэтому сейчас реализуем терминал не в полном функционале, а как элементы и блоки, антенны например,— говорит Алексей Космынин.— Недавно разработали и изготовили ряд приемных блоков (в каждом — антенный и радиочастотный, интегрированные в один модуль) для компании, которая занимается дистанционным зондированием Земли. Заказчик встроил их в собственный продукт — терминал, принимающий данные со спутника. Как только в России появятся низкоорбитальные либо другие спутниковые группировки на новых типах орбит, мы немедленно начнем коммерческие поставки полноценных абонентских терминалов для систем связи. Надеюсь, ждать осталось недолго».