Проектирование облучателя в Ka/ Q-диапазоне на основе «восстанавливающей» схемы

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 ортомодо-вый 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 ортомодо-вый 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 прие-ма/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 «восстанавливаю- щей» 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-селективного 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 орто- модовым 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

ксвн

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.