Частотно-поляризационная селекция сигналов в рупорных облучающих системах зеркальных антенн

позволяющие выполнять частотную и поляризационную селекцию принимаемых и передаваемых сигналов. Одними из обязательных условий разработки таких устройств являются их широкополосность и малые массогабарит-

ИССЛЕДОВАНИЯ

Havko____________

Ж ГРАДА ные показатели. Для увеличения пропускной способности каналов связи к современным спутникам также предъявляется требование по использованию сигналов с ортогональной поляризацией как на прием, так и на передачу. Кроме того, разрабатываемый частотно-поляризационный селектор должен выполнять задачу разделения частотных составляющих сигнала приема и передачи без необходимости создания дополнительного облучателя под конкретный диапазон частот [1].

• ⁶          Существует несколько способов проек

тирования частотно-поляризационного селектора для разделения частот приема и передачи без необходимости использования дополнительного облучателя под конкретный диапазон частот.

Способы частотной селекции сигналов

Первый способ разделения частот приема и передачи [2] показан на рис. 1. По схеме видно, что принятый сигнал с рупора 1 попадает на так называемый ортомодовый селектор 3, представляющий собой крестовой разветвитель, который разделяет две ортогональные моды высокочастотного сигнала, возникающие в волноводе круглого сечения. В четырех плечах ортомодового селектора устанавливаются режекторные фильтры 2 для подавления передающего спектра частот. На выходе селектора устанавливается режекторный фильтр 4 для подавления высокочастотного сигнала, далее он подключается к поляризатору 5, таким образом, обеспечивается возможность передачи сигнала с круговой поляризацией в низкочастотном диапазоне. Режекторные фильтры 2, расположенные вдоль одной оси, попарно соединяются с двойными Т-мостами 6 и 8, на один выход которых устанавливается нагрузка, а другие подключаются к третьему двойному Т-мосту 7. За счет введения неоднородностей в последний двойной Т-мост можно добиться разности фаз 90о между двумя сигналами двух ортогональных мод, тем самым получить на приемных выходах сигнал высокочастотного рабочего диапазона с круговой поляризацией.

Второй способ разделения частот приема и передачи [3] показан на рис. 2. Здесь так же, как и в первой схеме, принятый сигнал с рупора 1 попадает на ортомодовый селектор 2, который представляет собой крестовой разветвитель, разделяющий две ортогональные моды низкочастотного сигнала. К выходу данного селектора подключается поляризатор 6. Для восстановления сигнала в передающем частотном диапазоне ортомодовый селектор соединяется со вторым ортомодовым селектором 4 посредством четырех п-образных волноводных секций 3 равной длины. Между первым селектором и п-образными волноводными секциями устанавливаются фильтры нижних частот 5. На один выход второго селектора 4 устанавливается нагрузка, ко второму выходу подключается поляризатор 7.

Рис. 1. Блок-схема облучателя с использованием двойных Т-мостов

Рис. 2. Блок-схема облучателя с двумя ортомодовыми селекторами

В данной статье для решения задачи разделения сигналов с круговой поляризацией для частот приема и передачи, разнесенных на октаву в Ka-Q диапазоне, был разработан частотно-поляризационный селектор, реализованный по представленной схеме (рис. 2).

Конструкция разработанного облучателя

На рис. 3 показана 3D-модель внешнего вида разработанного облучателя. Для выполнения требований к облучателю по значениям коэффициента усиления, коэффициента эллиптичности, формы диаграммы направленности для заданной рабочей полосы частот был использован гофрированный рупор 1.

У основания рупора располагается ортомо-довый селектор 2, представляющий собой крестовой разветвитель, в плечах которого установлены фильтры нижних частот 10 для подавления приемных частотных составляющих. На выходе ортомодового селектора установлен поляризатор Q-диапазона 6, реализованный на круглом волноводе с пазом и селектора с двумя ортогональными выходами. Если облучатель работает с сигналами только одной поляризации, например, на выходе 4 поляризатора принимается сигнал с требуемой поляризацией, то на другом ортогональном выходе устанавливается нагрузка 7. Для восстановления сигнала в передающем частотном диапазоне фильтры 10 соединяются

Рис. 3. Внешний вид облучателя: 1 – рупор; 2, 8 – крестовые селекторы; 3 – септум-поляризатор; 4 – выход приемного сигнала; 5 – выход передающего сигнала; 6 – поляризатор; 7, 9 – нагрузки;

10 – фильтр нижних частот

• ■_■ ИССЛЕДОВАНИЯ

Havko-

Ж ГРАДА

Рис. 4. Изготовленный облучатель

со вторым ортомодовым селектором 8 посредством четырех п-образных волноводных секций равной длины. Один выход селектора короткозамкнут, ко второму выходу через трансформатор с круглого на квадратное сечение присоединен септум-поляризатор 3. Если облучатель работает с сигналами только одной поляризации, например, с входа 5 передается сигнал с требуемой поляризацией, то на второй, неиспользуемый вход, устанавливается нагрузка 9.

Для того чтобы разрабатываемое частотно-селективное устройство облучателя было широкополосным, была использована схема разделения частот приема и передачи с помощью двух ортомодовых селекторов. Ортомодовый селектор, расположенный сразу после рупора, представляет собой волновод круглого сечения, к которому перпендикулярно его оси подключены четыре взаимно перпендикулярных прямо -угольных волновода. Диаметр волновода круглого сечения был рассчитан исходя из расчета распространения основной волны Н11 в передающем диапазоне частот. Выход селектора представляет собой переход на сечение меньшего диаметра для распространения основной волны Н11 в приемном диапазоне частот и множественные изменения сечения круглого волновода для подавления паразитных составляющих высших мод, возникающих в круглом сечении волново -да большего диаметра.

С помощью четырех взаимно перпендикулярных п-образных волноводов равной длины и второго ортомодового селектора, который выполняет функцию восстановления сигнала, вы- полняется условие синфазности и ортогональности двух мод, распространяемых в круглом волноводе для возможности передачи сигнала с круговой поляризацией. К выходу переменного сечения первого селектора подключается поляризатор, реализованный на круглом волноводе с развернутым на 45о пазом. Оптимизируя геометрические размеры паза, можно добиться ортогональности мод с равной амплитудой и со сдвигом фаз 90о. Таким образом, с помощью данного поляризатора можно принять сигнал с круговой поляризацией. На выходе селектора 8 (рис. 3) расположен септум-поляризатор. Для получения разности фаз 90о между ортогональными компонентами электромагнитной волны у такого поляризатора используется ступенчатая металлическая перегородка.

По завершении моделирования электродинамической модели разработанного поляризационного частотно-селективного устройства и рупора, входящих в состав облучателя, изображенного на рис. 3, был изготовлен облучатель, фотография которого представлена на рис. 4.

На рис. 5 и 6 приведены рассчитанные и измеренные радиотехнические характеристики облучателя. Сплошными линиями обозначены рассчитанные значения КСВН и КЭ, штрихпунктирными – измеренные.

Как видно на рис. 5, 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

Рис. 5. КСВН селективного устройства

Рис. 6. График частотной зависимости КЭ селективного устройства

КСВН в диапазоне рабочих частот передачи 19–22,5 ГГц и приема 42,5–46 ГГц составили не более 1,25. На рис. 6 видно, что рассчитанные и измеренные значения КЭ частотно-селективного устройства в диапазоне рабочих частот передачи 19–22,5 ГГц и приема 42,5–46 ГГц составили не менее 0,955.

Таким образом, 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. При проектировании данного облучателя было принято нестандартное конструкторско-технологическое решение, а именно – двойное использование крестовых ортомодовых селекторов. Это позволило достичь оптимальных значений электрических характеристик в рабочих диапазонах частот без необходимости использования дополни- тельного облучателя для разделения частот приема и передачи и тем самым решить одну из главных задач в антенной технике спутниковой связи – уменьшение массогабаритных показателей облучающей системы.