Рынок плоских фазированных решеток для абонентских терминалов спутниковых систем ШПД и его перспектив до 2030 г.

Компания J’son & Partners Consulting провела исследование на тему: "Анализ рынка плоских фазированных решеток для абонентских терминалов спутниковых систем широкополосного доступа и перспектив его развития на горизонте до 2030 г."

Представлен анализ существующего рынка плоских фазированных решеток и прогнозов его развития с учетом известных по состоянию на 2025г. технологий создания антенных решеток (АР).

Рассматриваются технические решения, применяемые при создании АР абонентских терминалов для спутниковых систем широкополосного доступа (ШПД) Ku и Ka-диапазонов, реализуемых на основе КА на НГСО и на ГСО при работе в движении. Подробно рассматриваются технические решения для АР, применяемых в абонентских терминалах Starlink Ku (для первой и второй генерации G1 и G2). Анализируется возможность создания АР для системы OneWeb и иных низкоорбитальных проектируемых систем ШПД, в том числе рассматриваются возможные решения для системы «Рассвет» (ООО «Бюро 1440»).

Приведены оценки технических решений, предлагаемых для АР абонентских терминалов среднеорбитальных систем типа O3b (O3bmPower) и высокоорбитальных систем (на основе орбит типа «Молния»).

Аналогичные оценки приведены при условии работы в движении через КА на ГСО, в том числе через российские КА серии «Экспресс» и «Ямал». 

Отдельно рассматриваются перспективы создания АР для российских систем ШПД типа «Экспресс РВ» и «Скиф».

Представлен анализ себестоимости АР и оценка потенциального достижения ценовых параметров АР, приемлемых для массового рынка B2C, B2B, B2G. В том числе рассматриваются основные сервисы ШПД, которые могут быть доступны на этом рынке.

Обсуждаются основные проблемные вопросы реализации АР и возможные пути их решения для обеспечения формирования массного рынка спутникового ШПД.

4. Классификация технологий

Классификация технологий антенных решеток основана на ключевых особенностях их физической реализации, в основе которой заложены технологии формирования луча диаграммы направленности (ДН). Разнообразие антенных решёток чрезвычайно обширное. В данном случае рассматриваются только плоские фазированные антенные решетки, которые применяются в абонентских терминалах систем спутниковой связи, работающих в диапазонах частот Ku и Ka фиксированной спутниковой службы. Среди множества антенных решеток выделяют две группы:

• Пассивные фазированные антенные решетки, далее обозначаются как ФАР;

• Активные фазированные антенные решетки, далее обозначаются как АФАР.

Каждая из этих групп имеет свою классификацию, основанную на особенностях формирования луча ДН, что в свою очередь сопряжено с особенностями формирования распределения амплитуд и фаз между излучателями антенной решетки и организации электронного сканирования луча (или лучей). На рисунках 1 и 2 приведена классификация ФАР и АФАР, применимых в системах связи (в радиолокационных системах есть общее с такими решетками, но и имеются принципиальные различия, которые здесь не рассматриваются). 

4.1 Классификация пассивных ФАР

На рисунке 1 показана классификация с ориентацией на ФАР, которые реально применяются сегодня в системах связи, в том числе на основе негеостационарных группировок. Особенности и рыночные перспективы таких ФАР анализируются далее в Отчете с учетом технических параметров и особенностей действующих или проектируемых российских систем спутниковой связи. Специально отметим, что нестандартных решений существенно больше, например, на основе линзовых антенн, на основе частотно-селективных поверхностей и т.п., но такие решения пока не нашли применения в реальных коммерческих системах спутниковой связи. 

Рис. 1. Классификация пассивных фазированных антенных решеток для абонентских терминалов Ku и Ka –диапазонов

Источник: J’son & Partners Consulting

Большие надежды в 2014 г. возлагались на ФАР, реализуемые на основе жидких кристаллов. Иногда в литературе они обозначаются как ФАР на основе метаматериалов. Технические особенности и ценовые параметры таких ФАР, предлагаемые компаниями Kymeta и Alcan, рассматриваются в последующих разделах. Антенны компании Kymeta применяются в абонентских терминалах (терминал U8) системы OneWeb. Здесь отметим только два ключевых недостатка – высокие тепловые потери и ограничение минимального рабочего угла места значением 35-40 градусов. Например, при таких углах места невозможна работа с геостационарными КА на территории России.

ФАР с веерной ДН не может обеспечить широкий угол сканирования, но эффективна для применения в абонентских терминалах спутниковых систем типа «Экспресс РВ», которые реализуются на ВЭО и достигается эффект квазигеостационарности. Этот эффект характеризуется относительно небольшим угловым сектором, в котором происходит смена спутников в районе апогея и обеспечивается их видимость в северных широтах при высоких углах места (более 40°) на территории России. Такая ФАР может работать как приемопередающая и иметь ценовые параметры существенно более низкие, чем ФАР типа Kymeta. Более подробное ее описание и анализ приведены в последующих разделах.

4.2 Классификация активных ФАР

Активные ФАР (АФАР) подразделяются на три группы, которые условно можно обозначить как:

• Аналоговые ФАР;

• Цифровые АФАР (или цифровые антенные решетки ЦАР);

• Гибридные АФАР, т.е. симбиоз аналоговой и цифровой решетки.

Основное достоинство АФАР – это достижение высоких антенных параметров и гибкость формирования требуемой ДН. По сути АФАР сегодня – это уже практически завершенный абонентский терминал, поскольку модем часто интегрирован в ее конструкции. 

Принципиальный недостаток АФАР — это высокая их себестоимость в производстве. Особенно это относится к гибридным и цифровым АФАР (себестоимость минимум на порядок выше). Такие АФАР не применяются в абонентских терминалах коммерческих систем спутниковой связи, а если и применятся, то для специальных военных задач.

На рисунке 2 приведена классификация АФАР. Рассматриваются здесь и далее только аналоговые АФАР, которые реально применяются или их применение планируется в абонентских терминалах коммерческих систем спутниковой связи. Причем диапазон частот может быть практически любой.

Сегодня наиболее известны абонентские терминалы системы Starlink Ku (Starlink D2D и Starlink IoT не рассматриваются в данном Отчете). Эти терминалы, а соответственно и их АФАР, имеют свои принципиальные особенности, которые позволяют их выделить в отдельный класс. Более подробные технические и ценовые параметры анализируются в последующих разделах. Здесь отметим ключевую особенность АФАР абонентского терминала Starlink Ku — совмещение передающей и приёмной АФАР в одной апертуре (хотя они работают в разных диапазонах — 14 ГГц и 12 ГГц), что не позволяет осуществлять одновременную передачу и приём информации, реализуя режим, аналогичный TDD.

Рис. 2. Классификация активных фазированных антенных решеток для абонентских терминалов

Источник: J’son & Partners Consulting

Классические АФАР для абонентских терминалов негеостационарных спутниковых систем связи состоят из передающей АФАР и приемной АФАР, которые объединяются в одну конструкцию под радиопрозрачным укрытием. Для обеспечения одновременной работы на передачу и прием в режиме FDD предпринимаются специальные меры по защите приемных устройств АФАР от мощного сигнала передающей АФАР и подавлению внеполосного излучения передающей АФАР на частотах работы приемной АФАР. Примером такой АФАР является АФАР абонентского терминала компании Intellian и HNS для системы OneWeb. Последние несколько лет активно продвигаются решения АФАР для абонентского терминала, которые имеют два независимых луча. Например, один для работы в системе OneWeb, другой для работы с КА на ГСО компании Eutelsat. Более подробно такие АФАР анализируются последующих разделах.

4.3 Классификация ФАР/АФАР c электромеханическим наведением луча

При работе с КА на ГСО, например, на территории России, традиционные схемы ФАР и АФАР не могут быть применены. Это обусловлено низким рабочим углом места. ………………………………………
…………………………………………………………………………………………