ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОБЛУЧАТЕЛЯ В Ka/ Q-ДИАПАЗОНЕ НА ОСНОВЕ «ВОССТАНАВЛИВАЮЩЕЙ» СХЕМЫ

Полный текст

Введение. Увеличение требования по частотному ресурсу современных спутников связи определяет необходимость в создании облучающих систем зеркальных антенн и глобальных рупорных антенн, работающих в более высоких и широких полосах частот как на прием, так и на передачу. Для увеличения пропускной способности каналов связи на современных спутниках также предъявляется требование по использованию сигналов с ортогональной поляризацией как на прием, так и на передачу. Помимо того, что современные облучающие системы должны работать в широкой полосе частот с сигналами различной поляризации, необходимо также, чтобы облучатель имел малые массогабаритные показатели. Ортомодовый селектор - устройство, обеспечивающее частотную селекцию сигналов в облучателе [1]. В современных облучающих системах ортомодовый селектор выполняет не только функцию частотной селекции сигналов приема и передачи, но и функцию разделения их поляризационных составляющих. Ортомодовый селектор представляет собой пассивный волноводный разветвитель [2; 3], функцией которого является выделение двух ортогональных сигналов, полученных антенной. В зависимости от используемой конструкции селектора и применения в нем поляризационных устройств можно удвоить пропускную способность системы за счет использования двух разных сигналов с различной поляризацией, имеющих один и тот же спектр частот. Для того чтобы разрабатываемый селектор работал в широкой полосе частот, он должен иметь структуру, обладающую некоторыми свойствами симметрии. Самой распространенной такой структурой является ортомодовый селектор в виде крестового разветвителя [4; 5]. Наиболее сложными задачами при разработке селектора в виде крестового узла является проектирование конструкции его внутренних неоднородностей и диафрагм для разделения частот приема и передачи [6]. В рамках создания перспективных телекоммуникационных спутников АО «ИСС» было разработано поляризационное частотно-селективное устройство для облучателя зеркальной антенны для приема/передачи сигналов с круговой поляризацией в Q/Ka-диапазоне. В настоящей работе для решения задачи разделения сигналов с круговой правой/левой поляризацией для частот приема и передачи, разнесенных на октаву, предлагается применение конструкции на основе разработанной «восстанавливающей» схемы в виде двойного использования крестовых разветвителей. Конструкция разработанного облучателя. Для того чтобы поляризационное частотно-селективное устройство разрабатываемого облучателя было широкополосно, было принято нестандартное конструкторское решение для разделения частот приема и передачи, а именно, использование «восстанавливающей» схемы, показанной на рис. 1. Для выполнения требований к облучателю по значениям коэффициента усиления, формы диаграммы направленности, коэффициента эллиптичности (КЭ) для заданной рабочей полосы частот, был использован гофрированный рупор 1. Ортомодовый селектор 2, расположенный сразу после рупора, представляет собой крестовой разветвитель в виде волновода круглого сечения, к которому перпендикулярно его оси подключены четыре взаимно перпендикулярных прямоугольных волновода. С прямого выхода 5 данного селектора осуществляется выделение высокочастотного сигнала приемного частотного диапазона. Введение в разрабатываемое частотно-селективное устройство дополнительного идентичного ортомодового селектора 4 позволяет восстановить на его выходе 6 низкочастотный сигнал передающего частотного диапазона за счет объединения между собой селекторов с помощью четырех волноводов 3 прямоугольного сечения, которые подключаются к крестовому разветвлению данных селекторов. За счет использования четырех взаимно перпендикулярных п-образных волноводов равной длины и второго симметричного ортомодового селектора, выполняющего функцию восстановления сигнала, выполняется условие синфазности и ортогональности двух мод, распространяемых в круглом сечении волновода. Для дальнейшей возможности передачи сигнала с круговой поляризацией ко второму селектору необходимо подключить поляризующее устройство [7-11]. На рис. 2 показана электродинамическая модель разработанного поляризационного частотно-селектив-ного устройства. Ортомодовый селектор 1 представляет собой крестовой разветвитель, в плечах которого установлены фильтры нижних частот 2 для подавления частотных составляющих сигнала приема. Диаметр волновода круглого сечения был рассчитан исходя из расчета распространения основной волны Н11 в диапазоне частот передачи. В ортогональных плечах волновода прямоугольного сечения должна распространяться волна Н10. Выход селектора представляет собой переход на сечение меньшего диаметра для распространения волны Н11 в диапазоне частот приема и множественные изменения сечения круглого волновода для подавления паразитных составляющих высших мод, возникающих в круглом сечении волновода большего диаметра. К выходу переменного сечения первого селектора подключается поляризатор 4, реализованный на круглом волноводе с развернутым на 45º пазом, и преобразователь с двумя ортогональными выходами. Оптимизируя геометрические размеры паза, можно добиться ортогональности мод с равной амплитудой и со сдвигом фаз 90º. Таким образом, с помощью данного поляризатора обеспечивается разделение ортогональных компонент сигнала с круговой поляризацией. Для удобства настройки поляризатора конструктивно закладывается возможность изменения глубины паза за счет установленного в паз регулируемого по высоте поршня. На выходах 5 поляризатора принимаются сигналы с круговой правой и левой поляризациями. Для восстановления сигнала в частотном диапазоне передачи фильтры 2 соединяются со вторым ортомодовым селектором 6 посредством четырех п-образных волноводных секций 3 равной длины. Для лучшего согласования данных волноводов с волноводом круглого сечения применялись переходы различного сечения в месте их сочленения с волноводом круглого сечения. Один выход селектора короткозамкнут, ко второму выходу через трансформатор с круглого на квадратное сечение присоединен септум-поляризатор 7. Для получения разности фаз 90º между ортогональными компонентами электромагнитной волны у такого поляризатора используется ступенчатая металлическая перегородка [12-14]. Преимущество данного поляризатора в том, что правая и левая круговая поляризации возбуждаются двумя входными каналами в виде прямоугольного волновода без необходимости создания дополнительных селективных устройств, как, например, в поляризаторе, который используется в высокочастотном диапазоне приема [15]. Выбор такого поляризатора в частотном диапазоне приема обусловлен сложностью изготовления септум-поляризатора в Q-диапазоне. С выходов 8 передаются сигналы с круговой правой и левой поляризациями. Рис. 1. Схема разработанного облучателя: 1 - рупор; 2, 4 - крестовой селектор; 3 - волноводы; 5 - выход приемного сигнала; 6 - выход передающего сигнала Рис. 2. Электродинамическая модель разработанного частотно-селективного устройства: 1, 6 - крестовой селектор; 2 - фильтр нижних частот; 3 - волновод; 4 - поляризатор; 5 - выход приемного сигнала; 7 - септум-поляризатор; 8 - выход передающего сигнала Рис. 3. Фотография изготовленного облучателя Рис. 4. КСВН селективного устройства в рабочих диапазонах частот Рис. 5. График частотной зависимости КЭ селективного устройства в рабочих диапазонах частот Результаты. По результатам оптимизации электродинамической модели разработанного поляризационного частотно-селективного устройства, изображенного на рис. 2, был изготовлен облучатель, фотография которого представлена на рис. 3. Рассчитанные и измеренные радиотехнические характеристики облучателя приведены на рис. 4-5. Из рис. 4 видно, что рассчитанные и измеренные значения КСВН частотно-селективного устройства достаточно хорошо совпадают как по значению, так и по характеру частотной зависимости. Таким образом, рассчитанные и измеренные значения КСВН в диапазонах частот 20-22,25 ГГц и 43,5-46 ГГц составили не более 1,25. Из рис. 5 видно, что рассчитанные и измеренные значения КЭ частотно-селективного устройства в диапазоне рабочих частот передачи 20-22,25 ГГц и приема 43,5-46 ГГц составили не менее 0,96, что обеспечивает значение кроссполяризационной развязки не менее 33,8 дБ. Заключение. Разработанный облучатель позволяет обеспечивать прием и передачу сигналов с круговой поляризацией в Ka- и Q-диапазонах в соответствии с современными требованиями, предъявляемыми к облучающим системам спутниковой связи по значениям КЭ и КСВН. По результатам исследования спроектированного частотно-поляризационного селектора показана состоятельность применения разработанной «восстанавливающей» схемы в виде двойного использования крестовых ортомодовых селекторов в качестве частотно-селективного устройства. Реализация облучателя по данной схеме позволяет передавать/принимать сигналы с круговой поляризацией с помощью четырех п-образных волноводных секций и дополнительного ортомодового селектора, выполняющего функцию восстановления сигнала, обеспечивая условие синфазности и ортогональности двух мод, распространяемых в селекторе. Для дальнейшей возможности обеспечения сдвига фаз между ортогональными модами на 90º используется септум-поляризатор. Также за счет применения «восстанавливающей» схемы при оптимальных значениях электрических характеристик в рабочих диапазонах частот решается задача уменьшения массогабаритных показателей облучающей системы, так как отсутствует необходимость использования дополнительного облучателя для разделения частот приема и передачи.

Об авторах

Ю. В. Крылов

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва»

Email: krylov_yuriy@inbox.ru
Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

В. Б. Тайгин

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва»

Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Список литературы

Дополнительные файлы