Оценка дополнительных потерь мощности радиосигнала миллиметрового диапазона длин волн в слое осадков на радиопрозрачном укрытии

Звездина Марина Юрьевна¹, Шапошникова Анна Маратовна¹, Шокова Юлия Александровна², Лазаренко Сергей Валерьевич², Костоглотов Андрей Александрович²

¹Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи.
²Донской государственный технический университет.

DOI 10.24412/2410-9916-2026-3-239-280

Полный текст статьи

XML JATS

Аннотация

Постановка задачи: использование в каналах космической связи диапазонов Ka, Q/V, E приводит к существенному росту дополнительных потерь мощности в слое метеорологических осадков на радиопрозрачных укрытиях (РПУ) антенн наземных станций, что при ограниченном энергетическом запасе радиолинии делает поиск решений по снижению данных потерь актуальным. Известные методы для оценки данных потерь предназначены для более низких частот с меньшими по сравнению с миллиметровым диапазоном длин волн (ММДВ) величинами потерь и, самое главное, не учитывают физические процессы образования слоя осадков на поверхности РПУ с гидрофобным покрытием, что приводит к получению неверных оценок. Целью работы является поиск решений по снижению дополнительных потерь мощности радиосигнала ММДВ в слое метеорологических осадков на поверхности РПУ с гидрофобным покрытием. Для этого предлагается разработать методику оценки дополнительных потерь мощности радиосигнала ММДВ в слое осадков на РПУ с учетом процесса их образования. Используемые методы: Расширенный метод метеорологического электромагнетизма применяется для разделения процессов определения электродинамических параметров слоя метеорологических осадков и его распределения по поверхности РПУ и непосредственной оценки дополнительных потерь мощности. Новизна: элементом новизны представленной методики является подход к определению электродинамических параметров (эффективной диэлектрической проницаемости и эффективной толщины) слоя осадков на поверхности РПУ с гидрофобным покрытием, основанный на учете взаимосвязи между метеорологическими параметрами места размещения РПУ, гидрофобными свойствами покрытия РПУ и значениями электродинамических параметров слоя и позволяющий, в отличие от известных, проводить оценку не только для статических форм слоя осадков (водная плёнка, снежный наст), но и динамических форм (капли, струи, снежные хлопья). Результат: использование разработанной методики оценки в ММДВ дополнительных потерь мощности в слое метеорологических осадков на РПУ с учетом процесса их образования позволяет осуществлять поиск решений по их снижению. Проведенные для полусферического РПУ диаметром 5 метров исследования в диапазоне частот 30-40 ГГц, показали, что выбор свойств верхнего слоя покрытия РПУ, отвечающий климатическим условиям эксплуатации, позволяет снизить дополнительные потери в дожде с 11 дБ до 0,035-0,08 дБ, а при наледи с водой с 3 дБ до 0,45 дБ. Практическая значимость: разработанная методика позволяет осуществлять научно обоснованную оценку дополнительных потерь мощности радиоволны ММДВ на поверхности РПУ в слое метеорологических осадков.

Ключевые слова

каналы космической связи миллиметрового диапазона длин волн, осадки на поверхности радиопрозрачного укрытия, коэффициент прохождения мощности, коэффициент отражения.

Ссылка на статью

Звездина М. Ю., Шапошникова А. М., Шокова Ю. А., Лазаренко С. В., Костоглотов А. А. Оценка дополнительных потерь мощности радиосигнала миллиметрового диапазона длин волн в слое осадков на радиопрозрачном укрытии // Системы управления, связи и безопасности. 2026. № 3. С. 239-280. DOI: 10.24412/2410-9916-2026-3-239-280

Литература

1. Пехтерев С. В., Макаренко С. И., Ковальский А. А. Описательная модель системы спутниковой связи Starlink // Системы управления, связи и безопасности. 2022. № 4. С. 190-255. doi: 10.24412/2410-9916-2022-4-190-255.

2. Петрова И. А. Модернизация военных спутниковых группировок связи и системы предупреждения о ракетном нападении США: состояние и перспективы // Россия и Америка в XXI веке. 2023. № 6. doi: 10.18254/S207054760029546-7.

3. Жуков С. Е., Шадрин А. Г., Нездоровин Н. Б. Применение системы спутниковой связи специального назначения в Арктической зоне // Электросвязь. 2016. № 12. С. 18-23.

4. Rec. ITU-T G.821. 2002, 18 p.

5. Rec. ITU-R F.758-6. 2015, 40 p.

6. Быстров Р.П., Петров А.В., Соколов А.В. Миллиметровые волны в системах связи // Журнал радиоэлектроники. 2000. № 5. – URL: http://jre.cplire.ru/mac/may00/5/text.html (дата обращения: 02.07.2026).

7. Пастух С. Ю., Девяткина М. Е., Суходольская Т. А. Тенденции развития и роль широкополосной связи в мире // Электросвязь. 2014. № 10. С. 8-11.

8. Alozie E., Abdulkarim A., Abdullahi I., Usman A. D., Faruk N., Olayinka I.-F. Y., Adewole K. H., Oloyede A. A., Chiroma H., Sowande O. A., Olawoyin L. A., Garba H., Imoze A. L., Musa A., Adedirn Y., Taura L. A Review on Rain Signal Attenuation Modeling, Analysis and Validation Techniques: Advances, Challenges and Future Direction // Sustainability. 2022. Vol. 14. doi: 10.3390/su141811744.

9. Щепнов С. Предпосылки и модель создания инновационной спутниковой компании Российской Федерации // Спутниковая связь и вещание. 2023. С. 86-93.

10. Гуртовник И. Г., Соколов В. И., Трофимов Н. Н., Шалгунов С. Г. Радиопрозрачные укрытия из стеклопластика. – М.: Мир, 2003. – 368 с.

11. Бердышев В. П., Бердышев Р. В., Кордюков Р. Ю., Хрипун С. И., Сергиенко С. В., Попов П. Г. Пути модернизации радиопрозрачных укрытий антенных систем радиотехнических средств // Научный вестник оборонно-промышленного комплекса России. 2013. № 1. С. 53-61.

12. Hong E. H., Lane H., Murrell D., Tarasenko N., Christodoulou C., Keely J. Estimate Rain Attenuation at 72 and 84 GHz from Raindrop Size Distribution Measurements in Albuquerque, NM, UHA // IEEE Geoscience Remote Sensing. 2019. Vol. 16. P. 1175-1179. doi: 10.1109/ALGRH.2019.2893906.

13. Звездина М. Ю., Шапошникова А. М., Шокова Ю. А. Влияние плёнки солёной воды на радиопрозрачном укрытии на амплитудно-фазовое распределение антенны миллиметрового диапазона // Антенны. 2023. № 2 (282). С. 5-14. doi: 10.18127/j03209601-202302-01.

14. Крылов В. П. Расчет радиотехнических характеристик обтекателя из многокомпонентного материала с различным содержанием воды // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 8. С. 36-38. doi: 10.26896/1028-6861-2018-84-8-36-38.

15. Kurri M., Huuskonen A. Measurements of the transmission loss of a radome at different rain intensities. // Journal of Atmospheric and Ocean Technology. 2008. Vol. 25. № 5. P. 1590-1599. doi: 10.1175/2008JTECHA1056.1.

16. Wang B., Su D., Liu J. Analysis of snow covered radome with ray tracing method // Proceedings of 2005 Asia-Pacific Microwave Conference. 2005. doi: 10.1109/APMC.2005.1606538.

17. Ip H.-P., Rahmat-Samii Y. Analysis and characterization of multilayered reflector antennas: Rain/Snow accumulation and deployable membrane // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1998. Vol. 46. № 11. P. 1593-1605. doi: 10.1109/8/736606.

18. Mancini A., Salazar J. L., Lebron R. M., Cheong B. L. A Novel Instrument for Real-Time Measurement of Attenuation of Weather Radar Radome Including Its Outer Surface. Part I: The Concept // Journal of Atmospheric and Ocean Technology. 2018. Vol. 35. № 5. P. 953-973. doi: 10.1175/JTECH-D-17-0083.1.

19. Mancini A., Salazar J. L., Lebron R. M., Cheong B. L. A Novel Instrument for Real-Time Measurement of Attenuation of Weather Radar Radome Including Its Outer Surface. Part II: Applications // Journal of Atmospheric and Ocean Technology. 2018. Vol. 35. № 5. P. 975-991. doi: 10.1175/JTECH-D-17-0084.1.

20. Salazar-Cerreno J. L., Chandrasekar V., Trabal J. M., Siquera V., Medina R., Knapp E., McLaughlin D. J. A Drop Size Distribution (DHD)-Based Model for Evaluating the Performance of Wet Radomes for Dual-Polarized Radars // Journal of Atmospheric and Ocean Technology. 2014. Vol. 31. № 11. P. 2409-2430. doi: 10.1175/JTECH-D-13-00208.1.

21. Qamar Z., Aboserwal N., Salazar-Cerreno J. L. An Accurate method for designing, characterizing, and testing a multi-layer radome for mm-wave applications // IEEE Access. 2020. Vol. 8. № 2. P. 23041-23053. doi: 10.1109/ACCESS.2020.2970544.

22. Вельмискин Д. И., Куксенко В. В., Сиротенко Т. В. Влияние статистически неоднородных гидрообразований на поверхности укрытия на характеристики антенны МРЛ // Вiсник Одеського державного екологiчного унiверситету. 2006. № 6. С. 131-139.

23. Ерохин Г. А., Мандель В. И., Нестёркин Ю. А., Струков А. П. Методика расчета энергетического запаса радиолинии «космический аппарат – станция» // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2018. Т. 5. № 1. С. 65-74. doi: 10.30894/issn2409-0239.2018.1.65.74

24. Zhang D., Wang L., Qian H., Li X. Superhidrophobic surfaces for corrosion protection: a review of recent progress and future directions // Journal Coating Technology Research. 2016. Vol. 13. № 1. C. 11-29. doi: 10.1007/s11998-015-9744-6.

25. Бойнович Л. Б., Емельяненко А. М. Гидрофобные материалы и покрытия: принципы создания, свойства и применение // Успехи химии. 2008. № 7. С. 619-638.

26. Rodic V., Kapun B., Vanjan M., Milosev I. Easy and Fast Fabrication of Self-Cleaning and Anti-Icing Perfluoroalkyl Silane Film on Aluminium // Coatings. 2020. Vol. 10. doi: 10.3390/coatings10030234.

27. Соловьянчик Л. В., Кондрашев С. В., Нагорная В. С., Мельников А. А. Особенности получения антиобледенительных покрытий (обзор) // Труды ВИАМ. 2018. № 6 (66). С. 77-98.

28. Notaros B. M. Meteorological electromagnetics // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2021. Vol. 63. № 2. P. 14-27. doi: 10.1109/MAP.2021.3054298.

29. Шалгунов С. И., Соколов В. И., Морозова И. В., Прохорова Ю. С. Особенности проектирования и разработки радиопрозрачных обтекателей и укрытий, работающих в сантиметровом и миллиметровом диапазонах радиоволн // Антенны. 2015. № 3(24). С. 63-68.

30. Rec. ITU-R V.527-6. 2021, 32 p.

31. Апресян Л. А., Власова Т. В., Красовский В. И., Крыштоб В. И., Расмагин С. И. Приближения эффективной среды для описания многокомпонентных композитов // Журнал технической физики. 2020. Т. 90. № 7. С. 1175-1183. doi: 10.21883/JTF.2020.07.49453.446-18.

32. Соловьев А. Н., Германчук М. С., Оганесян П. А. Прикладная теория поперечных колебаний слоистой конструкции с полимерными матрицами и включениями из расположенных вдоль слоя пористых пьезокерамических стержней // Advanced Engineering Research. 2026. Т. 26. № 1. С. 2272 doi: 10.10.23947/2687-1653-2026-26-1-2272.

33. Антонец И. В., Шавров В. Г., Щеглов В. И. Волны в многослойных структурах. Часть 3. Методы расчета: алгоритмический, баланса энергий, конечных разностей. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2024. – 448 с.

34. Свод правил СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция. – М.: Стандартинформ, 2018. – 125 с.

35. Жданов Э. Р., Волков А. В., Крюков А. В., Харина О. С. Проектирование радиопрозрачных укрытий с применением оптимизированного математического аппарата для аналитических прочностных расчетов // СТИН. 2024. № 10. С. 11-15.

36. Патент US 7342551 B2, США. Antenna systems for reliable satellite television reception in moisture conditions / King L. D.; патентообладатель Electronic Controlled Systems, Inc. – № US10/952564; заявл. 28.09.2004; опубл. 13.10.2005.

37. Патент US 9680230 B1, США. Antenna reflector hydrophobic coating and method for applying same / Santoru J., Chen E. C., Comeaux C. C., Wu T.; патентообладатель The Directv Group, Inc. – № US14/753928; заявл. 29.06.2015; опубл. 13.06.2017. – URL: https://patentimages.storage.googleapis.com/af/f0/be/f2774557abafb9/US9680230.pdf (дата обращения: 02.06.2026).

38. Zhang G., Vivekanandan J., Brandes E. A Method for Estimating Rain Rate and Drop Size Distribution from Polarimetric Radar Measurements // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2001. Vol. 30. № 4. P. 830-841. doi: 10/1109/36.917906.

39. Mom J., Tyokighir H., Igwue G. Evaluation of Some raindrop Size distribution models for different rain rates // International Journal of Engineering Research & Technology. 2021. Vol. 10. № 9. P. 131-135.

40. Ma Lu, Zhan L., Yang D., Xian Y., Zhang L., Qian Y. Analysis of raindrop Size Distribution Characteristics in Permafrost Regions of the Qinghai-Tibet Plateau Based on New Quality Control Scheme // Water. 2019. Vol. 11. doi: 10.3390/w11112265.

41. Наставления по службе прогнозов. – М. : Гидрометеоиздат, 1981. – 56 с.

42. Курганов А. М. Таблицы параметров предельной интенсивности дождя для определения расходов в системах водоотведения. – М. : Стройиздат, 1983. – 111 с.

43. Горелик А. Г., Коломиец С. Ф. Оценка параметров распределения капель по размерам с использованием диздрометрических измерений // Научный вестник МГТУ ГА. Сер. Радиофизика и радиотехника. 2007. № 117. С. 85-92.

44. СП 131.133330.2020. Строительная климатология. – М.: Минстрой России, 2021. – 153 c.

45. Узлов В. А., Шишков Г. И., Щербаков В. В. Основные физические параметры снежного покрова // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева. 2014. № 1 (103). С. 119-129.

46. Шмакин А. Б., Турков Д. В., Михайлов А. Ю. Модель снежного покрова с учетом слоистой структуры и ее сезонной эволюции // Криосфера Земли. 2009. Т. 13. № 4. С. 69-79.

47. ОДМ 218.5.001-2008. Методические рекомендации по защите и очистке автомобильных дорог от снега. – М.: Федеральное дорожное агентство, 2008. – 80 с.

 

 Статья распространяется по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License.

  Метаданные статьи распространяются по лицензии CC0 1.0 Universal