Вступить в сетку: антенны с метаповерхностью обеспечат РФ спутниковой связью

Российские ученые разрабатывают принципиально новый вид антенн для использования в перспективных отечественных системах спутникового интернета, аналогичных Starlink. Устройство состоит из метаповерхностей — электромагнитных структур из элементов размером намного меньше длины волны. Используя их, можно формировать излучение в нужном направлении. Применение разработки позволит сделать абонентское оборудование в несколько раз дешевле иностранных аналогов, рассказали авторы проекта. По словам экспертов, изобретение будет востребовано, так как в России потенциально очень большой рынок для таких услуг связи. Вопрос только в том, когда отечественные проекты по передаче интернет-данных через орбиту начнут действовать.

По волнам

Ученные НИЦ телекоммуникаций МФТИ, технологической компании «Мэтрикс вейв» (резидент «Сколково») и Университета ИТМО разрабатывают принципиально новый вид антенн для использования в перспективных отечественных системах спутникового интернета. Устройство предполагается устанавливать в мобильные пользовательские терминалы и низкоорбитальные космические аппараты. Разработка создана на основе метаповерхностей — электромагнитных структур, состоящих из упорядоченных элементов, размер которых меньше рабочей длинны волны. Основное преимущества технологии — дешевизна. Ее применение снизит затраты на абонентов на спутниковый интернет. Благодаря идее ученых стоимость оборудования, необходимого для подключения к сети, может снизиться в несколько раз по сравнению с зарубежными аналогами, цена которых превышает 1 млн рублей.

— Метаповерхность представляет собой сетчатую структуру с излучающими элементами, которые намного (в 5–10 раз) меньше длины волны. За счет их пространственного распределения можно получать уникальные свойства. При изменении характеристик структуры можно формировать излучение в требуемом направлении, а также создавать многолучевые антенные системы, что нужно для космических аппаратов, — сказал сотрудник НИЦ телекоммуникаций МФТИ Алексей Космынин.

Системы спутникового интернета сейчас развиваются во всем мире. Самая известная из них — Starlink Илона Маска. В России есть несколько аналогичных инициатив в рамках федерального проекта Комплексного развития космических информационных технологий «Сфера». Также разрабатывается ряд частных космических сетей.

Для приема и отправки радиосигналов между спутником и пользовательским терминалом необходима антенна. Классическим вариантом считается зеркальный параболический передатчик в форме тарелки. Однако его сложно устанавливать на подвижные объекты, так как он должен всегда быть ориентирован в определенном направлении с высокой точностью. А все новые сети строятся из подвижных космических аппаратов, поэтому, даже если сам терминал не будет двигаться, зеркальную антенну всё равно придется непрерывно поворачивать для отслеживания спутника.

Альтернативой может быть фазированная антенная решетка. У нее отличные технические характеристики, но и высокая цена. Стоимость пользовательского терминала на основе решетки может составлять порядка нескольких миллионов рублей, в зависимости от серии. Дороговизна объясняется тем, что для производства одного такого передатчика требуется несколько сотен сложных микросхем, управляющих лучом. К тому же сейчас в РФ их не производят, а покупка за рубежом затруднена из-за санкций.

По этим причинам команде ученых и инженеров для приема и передачи данных пришлось найти оригинальное техническое решение. Антенны на основе метаповерхностей можно полностью производить в России. Вскоре должны начаться первые испытания пользовательской системы с использованием новой технологи.

Покажет практика

Первый экземпляр антенны для спутника будет немного сложнее и дороже пользовательского. На начальном этапе планируется проведение его лабораторных испытаний. В настоящий момент разработчики ведут переговоры с несколькими возможными заказчиками варианта для космических аппаратов. Антенны на метаповерхностях сейчас успешно используются в наземных сетях связи, в том числе в мобильных системах пятого поколения. Возможно, они найдут применение и в сетях шестого поколения.

В России очень большой рынок для спутникового интернета, он будет увеличиваться и дальше, поэтому отечественные антенны для него обязательно найдут свою нишу. Основным драйвером для аналогов Starlink остается цифровая экономика, и она также развивается. Соответственно число абонентов в сетях будет расти лавинообразно, уверен член-корреспондент Российской академии космонавтики Андрей Ионин

— Маск продает свои спутниковые терминалы Starlink в районе $2–3 тыс. В стоимость уже включена абонентская плата в районе $500. Цена, заявленная разработчиками российской антенны, вполне конкурентоспособна, а если производство оборудования станет массовым, то стоимость может сократиться еще, — сказал Андрей Ионин.

По словам специалиста, антенны предназначены специально для систем спутникового интернета и такое оборудование можно продать только разработчику аналога Starlink. Потенциально в нашей стране это проект компании «Бюро 1440». Они заявили, что первое тестовое использование их инфраструктуры начнется уже в 2027 году.

— Должен быть протокол, который покажет суть работы этой антенны. Она характеризируется десятками параметров. Если речь идет о низколетящих спутниках, то нужно понять, как с помощью метаматериалов будет формироваться направленность. Как это делается в фазированных решетках, понятно, а как здесь, не до конца, — сказал член Академии инженерных наук имени А.М. Прохорова Владимир Григорьев.

По мнению эксперта, производить фазированные решетки в России вполне реально. Такие проекты для спутниковых и наземных систем были разработаны еще в советское время, и сейчас к ним можно вернуться. Однако все многоканальные передатчики дороги. В терминале Starlink используется 16 лучей, и каждый из них направлен на свой спутник. Стоимость такого устройства — около $10 тыс., и половина — это цена антенны. Если разработчики смогут доказать воспроизводимость свойств серийного оборудования на основе метаматериалов, это будет успехом. Но пока с ним много неясностей, ответы на которые дает только эксперимент. При этом такие разработки должны поддерживаться государством.