Российская спутниковая связь переходит на новый уровень, исследователи создают альтернативу параболическим зеркалам. Ученые Московского физико-технического института (национального исследовательского университета) совместно с АО «Спутниковая система «Гонец» и АО «РЕШЕТНЕВ» работают над проектом, который позволит переключать луч спутниковой антенны с временным интервалом порядка микросекунды и динамически сопровождать движущиеся объекты. Физтех реализует проект на средства гранта Фонда НТИ по программе создания и развития Центра компетенций «Перспективные технологии для космических систем и сервисов».
— Дмитрий, что определило Ваше стремление к науке?
— Я коренной петербуржец, окончил гимназию № 66. С детства я достаточно активно занимался научно-исследовательской и экспериментальной деятельностью. Меня интересовали точные науки, и где-то в седьмом классе физика и математика стали для меня приоритетными. Далее поступил в Университет ИТМО на специальность «Фотоника и оптоинформатика» и параллельно сфокусировался на радиофизической и антенной тематике как одном из ключевых для меня направлений. Мне удавалось совмещать учебу с работой в лаборатории «Метаматериалы». Благодаря государственной программе «Глобальное образование», которая финансирует обучение студентов за рубежом, я окончил аспирантуру Тель-Авивского университета в Израиле и получил степень PhD, сопоставимую со степенью кандидата наук, а в 32 года защитил степень доктора физико-математических наук в МФТИ.
— Что повлияло на Ваш последующий выбор места работы?
— В 2019 году по государственному проекту «5-100» открывали новые лаборатории и ученым с зарубежным опытом работы предоставляли возможность устроиться в ведущие вузы России. А мне по программе «Глобальное образование» как раз нужно было отработать несколько лет в России. Поэтому я подал заявку в МФТИ и в 2019 году получил должность, открыл лабораторию, где и работаю по настоящее время.
— Какие исследования Вы сейчас проводите?
— Здесь нужно разделить области научного интереса и актуальность прикладных исследований. В плане научного поиска мне интересны антенные системы на базе метаповерхностей, манипуляции излучателями, формирование из них лучей, аддитивные технологии. По данным тематикам мы активно публикуемся в том числе в таких журналах как Nature Materials, Nature Photonics и других. Однако эти направления имеют перспективу применения на горизонте более пяти лет. Поэтому для меня сейчас важно также заниматься и прикладными проектами, то есть доводить разработку до работающего устройства, которое имеет потенциал внедрения в реальный сектор экономики.
Например, для антенных систем может быть необходимо контролировать, обеспечивает ли система достаточный уровень боковых лепестков или имеет большие потери в границах диапазона использования. Один из таких проекторов направлен на разработку фазированных антенных решеток (ФАР) для терминалов спутниковой связи в составе группировки на негеостационарной орбите.
— Как бы Вы сформулировали цели этого исследования?
— Разработанные научной группой под моим руководством фазированные антенные решетки позволяют с высокой эффективностью в необходимом диапазоне частот управлять одним или несколькими лучами для того, чтобы терминал мог наводиться на тот или иной спутник и обмениваться с ним информацией, предоставляя таким образом пользователю необходимые сервисы, например, доступ в интернет. Ключевым здесь, конечно, являются современные подходы к разработке многослойных печатных плат и к тем микросхемам, которые фактически управляют амплитудой фазы и излучения.
— В чем заключаются преимущества Вашей разработки?
— Здесь важно сравнить разработанные нами фазированные антенные решетки с простыми параболическими зеркалами, которые давно установлены на многих домах. «Параболы», направленные на геостационарные спутники — недорогая и хорошо работающая система. Она работает как на прием, так и на передачу, но у системы есть два ключевых недостатка. Первый — достаточно большая площадь, то есть у нее возникает так называемая «парусность», на небольшой летательный аппарат такую «тарелку» поставить нельзя, так как это повлияет на его аэродинамические свойства. Второй недостаток — система требует определенной точности позиционирования и наведения, как если бы спутник находился в одной точке, и антенна находилась на одной точке. По такому принципу работает спутниковое телевидение. Но такая система не будет эффективной, если нужно обеспечить связь на подвижном объекте, так как потребует массивных механических приводов для отработки движения.
— А ФАР могут быстро во времени перестраиваться?
— Да, они могут очень быстро изменять направление излучения за счет электронного управления, и это дает возможность применять их на поезде, самолете, корабле или БПЛА. Например, в отличие от геостационарных спутников, другие аппараты могут иметь значительную угловую скорость относительно земли, и сам терминал может менять угол наклона и скорость, что требует быстрого перенаправления луча, то есть все эти передвижения должны отслеживаться и учитываться. Наша разработка на основе ФАР позволяет со скоростью микросекунды переключать луч или динамически сопровождать движущийся объект. Это ключевое отличие разрабатываемых нами систем от стационарных решений на базе параболических зеркал. ФАР — основной элемент терминала спутниковой связи, состоящего из корпуса, модема. В результате такая система может работать с космическими аппаратами, причем как с геостационарными спутниками, так и с аппаратами на низких, средних или высоких орбитах, работающих в круговой или линейной поляризациях.
— Что предполагает запуск такой системы?
— Фактически с запуском этой системы мы сможем обеспечивать, например, широкополосный доступ в Интернет конечному пользователю, который обладает терминалом спутниковой связи. Работу над этим проектом ведем в партнерстве с АО «Спутниковая система «Гонец» и АО «РЕШЕТНЕВ», дочерними компаниями ГК «Роскосмос». Мы как разработчики обеспечиваем как раз разработку наземного абонентского сегмента — разработку и изготовление терминала. Фазированная антенная решетка проектируется с вариативной энергетической характеристикой, углом отклонения и поляризацией. Поэтому необходимо оперативно изготавливать на отечественных мощностях многослойные печатные платы с достаточно сложной трассировкой дорожек. Наша разработка будет совместима с отечественными низкоорбитальными и высокоорбитальными системами, когда их введут в эксплуатацию.
— С какими технологическими вызовами Вы сталкиваетесь в работе над проектом?
— На данный момент есть сложности с производством бимформеров. Насколько мне известно, российских аналогов пока нет, но Минпромторг России занимается решением вопроса развития отечественной микроэлектроники в рамках поддержки научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ прикладных проектов по разработке микроэлектронной техники и продукции. Когда бимформеры появятся на российском рынке, мы сможем полностью перейти на российскую компонентную базу.
— В чем для Вас актуальность применения искусственного интеллекта?
— Могу отметить значение ИИ для инженерного цикла, мы, конечно, используем новые технологии в нашей работе. Генеративные модели в разы повышают скорость создания геометрий дорожек, напыления, форм волноведущих, излучательных и прямопередающих элементов антенны. Также ИИ способен достаточно эффективно анализировать ближние поля наших излучателей. Типичная фазированная антенная решетка состоит из 10 000 излучателей, в квадратной сетке из 100 строк на 100 столбцов. Это означает, что нужно проанализировать излучение каждой из них и «подкрутить» амплитуду и фазу таким образом, чтобы все они работали синхронно для формирования, например, одного луча. Поэтому использование алгоритмов, накопленных знаний и технологий оптимизации процессов посредством ИИ позволяет значительно сократить временные затраты операторов-разработчиков, раньше выполнявших эти задачи в ручном режиме.
— Какие факторы определяют перспективность Ваших исследований?
— В эпоху развития систем телекоммуникации мы видим, что в России и в мире внедряются системы новых стандартов, такие как 5G, 6G и так далее. Все они направлены на то, чтобы увеличивать скорость коммуникации не только между людьми, но и между различными элементами «умного дома», «Интернета вещей», машинами и так далее. Это подразумевает разработку как приемопередающих систем, которыми мы занимаемся, так и естественных модулей обработки данных, вышек сотовой связи. С увеличением пропускной способности и скорости передачи данных будет возрастать количество антенн и приемопередающих модулей. Благодаря универсальности наших разработок их смогут использовать как в системах текущих стандартов, так и в стандартах будущих поколений.
— Кто сегодня входит в состав Вашей научной группы?
— В составе нашей команды разносторонние специалисты, так как мы совмещаем сразу несколько аспектов деятельности, которые обычно в вузе не пересекаются. Кроме ведения учебного процесса и фундаментальных научных исследований, мы активно работаем с прикладными проектами, требующими наличия конструкторов, технологов, схемотехников, программистов и других профильных специалистов, позволяющих делать на выходе какую-то «железку» для интеграции в реальный сектор экономики.
— В чем для Вас ценность преподавательской деятельности?
— У меня семилетний опыт преподавания, я работал на позиции доцента, был заместителем заведующего кафедрой. Также я составлял и читал курсы по моделированию электродинамических систем, проводил научные семинары. На разработку курсов я получил грант от Фонда Владимира Потанина. Год назад Высшей аттестационной комиссией мне было присвоено ученое звание доцента по специальности «Радиофизика». В нашей лаборатории регулярно проходят стажировки и практику студенты и аспиранты, под моим руководством они защищают выпускные квалификационные и диссертационные работы. Для меня ценность преподавания заключается в диалоге и во взаимном обмене знаниями со студентами. Работая над различными проектами, молодежь привносит новые интересные решения, а в освоении новых технологий, таких как ИИ, например, наши студенты и молодые ученые часто опережают своих старших коллег.
— А чем Вам запомнилось участие в Конгрессе молодых ученых?
— У меня была возможность принять участие в пленарной сессии конгресса, которую провел заместитель председателя Правительства РФ Дмитрий Чернышенко. Там я смог рассказать о своих исследованиях, поделился опытом с другими молодыми учеными и ответил на вопросы. На встрече с Президентом Владимиром Путиным я представил свои разработки, рассказал о возможности интеграции наших фазированных антенн в беспилотные летательные аппараты и обозначил перспективы внедрения проекта в реальный сектор экономики. Наше исследование, где я являюсь главным конструктором и разработчиком, получило поддержку.
— Что, на Ваш взгляд, позволит молодому ученому успешно и продуктивно вести научные исследования?
— Нужно много работать, у нас 25 часов в сутки, как сказал один из моих преподавателей еще в то время, когда я сам учился. Если вы занимаетесь любимым делом, то вы от него не устаете. И здесь реальная рекомендация для молодого ученого может быть в том, чтобы внимательно выбирать своего научного руководителя. Если вы видите человека с горящими глазами, стремящегося чего-то добиться, умеющего повести за собой людей, тогда и вы, работая с ним, будете развиваться. А если перед вами человек, который уже подустал от профессии и науки, то, возможно, стоит продолжить свой поиск. У нас в МФТИ студенты нацелены на развитие и результат, как правило, они выбирают те научные лаборатории, где им интересно работать. А мы, научные руководители, показываем им, что их исследования — это не наука ради науки, эти разработки перспективны и в скором времени могут быть внедрены в самых разных сферах.
— Дмитрий, как Вы восстанавливаетесь после интенсивной исследовательской работы?
— Да, Вы правы, наука действительно занимает значительную часть моего времени, иногда приходится работать даже по ночам. Но восстановиться мне помогает семья, которой я очень дорожу, у нас с супругой двое маленьких детей, для них во многом я и стараюсь. Что касается любимых занятий, вдохновляющих меня, мне нравится «общаться» с живой природой, выращивать современные агрокультуры, эти увлечения придают мне силы и дают возможность морально отдохнуть.
Беседовала Светлана Минеева
.jpg)
