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

Бесплатный доступ

Представлен принцип работы частотно-поляризационного селектора, основанный на использовании «восстанавливающей» схемы в виде двух ортомодовых селекторов, объединенных между собой для разделения частотных диапазонов приема и передачи. Поляризационное частотно-селективное устройство, разработанное по такой схеме, было реализовано в облучателе, который обеспечивает прием и передачу сигналов с круговой поляризацией в Ka- и Q-диапазонах. Роль частотно-селективного устройства в облучателе выполняет ортомодовый селектор, который предназначен для селекции приемо-передающих сигналов и их поляризационных составляющих. Одной из наиболее распространенных структур широкополосного ортомодового селектора является преобразователь в виде крестового разветвления. Данный крестовой разветвитель представляет собой волновод круглого сечения, к которому перпендикулярно его оси подключаются четыре взаимно перпендикулярных волновода прямоугольного сечения. Подключение данных волноводов происходит с помощью трансформаторов сложной формы для обеспечения лучшего согласования с волноводом круглого сечения. Такой тип селектора имеет структуру, обладающую некоторыми свойствами симметрии, которые делают систему широкополосной. Применение крестового разветвителя в качестве ортомодового селектора позволило расширить рабочую полосу частот. За счет введения различных неоднородностей в конструкцию данного селектора удалось разделить низкочастотные и высокочастотные составляющие спектра частот и добиться подавления паразитных составляющих высших мод. Восстановление сигнала обеспечивается вторым ортомодовым селектором, объединенным с первым с помощью четырех п-образных волноводных секций. Введение в конструкцию частотного селектора на высокочастотном выходе поляризатора, реализованного на круглом волноводе с пазом, и на низкочастотном выходе септум-поляризатора позволило на выходах данных поляризаторов принимать/передавать сигналы с круговой поляризацией. Использование такого принципа построения частотного селектора позволило разделить частоты приема и передачи без необходимости использования дополнительного отдельного облучателя под конкретный диапазон частот. Измеренные радиотехнические характеристики разработанного облучателя соответствуют современным требованиям, предъявляемым к облучающим системам, которые применяются в антенной технике спутниковой связи.

Еще

Восстанавливающая схема, частотно-поляризационный селектор, облучатель, ортомодовый селектор, частотные диапазоны ka

Короткий адрес: https://sciup.org/148177435

IDR: 148177435

Текст научной статьи 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.

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

  • Gopal Narayanan, Neal R. Erickson. A Novel Full Waveguide Band Orthomode Transduser//Thirteenth International Symposium on Space Terahertz Technology. Harvard University, 2002. Р. 505-514.
  • CAD and Optimization of Compact Ortho-Mode Transducers/Ludovico //IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1999. Vol. 47, No. 12. P. 2479-2486.
  • Ignacio Izquierdo Martinez, Jorge A. Ruiz Cruz. Design of wideband orthomode transducers based on the turnstile junction for satellite communications. Universidad Autуnoma de Madrid, 2008. Р. 33-36.
  • Pozar D. M. Power Dividers and Directional Couplers//Microwave Engineering. Chap. 7. New York: John Wiley & Sons. Inc, 1998. Р. 6-4.1-6-4.5.
  • Дёмин Д. А., Чубинский Н. П. Облучатель с двумя ортогональными круговыми поляризациями//Журнал радиоэлектроники. 2014. № 6. С. 11-23.
  • Тузбеков А. Р., Гольберг Б. Х. Широкополосный волноводный поляризационный селектор для диапазона S с малым поперечным размером//Радиолокация и радиосвязь: материалы IV Всерос. конф./ИРЭ РАН. М., 2010. С. 76-82.
  • Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высш. шк., 1988. C. 434-435.
  • Milligan T. A. Modern Antenna Design. New Jersey: John Wiley & Sons, 2005. Р. 343-345.
  • Антенны эллиптической поляризации. Теория и практика: сб. ст./пер. с англ. под ред. А. И. Шпунтова. М.: Иностранная литература, 1961. C. 367-370.
  • Спутниковая связь и вещание: справочник/под ред. Л. Я. Кантора. М.: Радио и связь, 1997. C. 528-531.
  • Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р., Смирнов В. П. Справочник по элементам волноводной техники. М.: Связь, 1967. C. 652-655.
  • Pelosi G., Nesti R., Gentili G. G. Orthomode transducers. New York: Encyclopedia of RF and microwave engineering, 2005. Р. 103-107.
  • Davis D., Digiondomenico О., Kempic J. A new type of circularly polarized antenna element//Antennas and Propagation Society International Symposium. 1967. Vol. 5. Pp. 26-33.
  • Полупанов В. Н., Яновский М. С., Князьков Б. Н. О физических принципах работы поляризационного фазовращателя//Радиотехника. 1979. № 1. C. 112-115.
  • Надель Ж. М. Волноводные линии связи. М.: Радио и связь, 1975. C. 234-236.
  • Gopal Narayanan, Neal R. Erickson. A Novel Full Waveguide Band Orthomode Transduser. Thirteenth International Symposium on Space Terahertz Technology, Harvard University, March 2002, P. 505-514.
  • Ludovico, et al. CAD and Optimization of Compact Ortho-Mode Transducers. IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Dec. 1999, Vol. 47, No. 12, P. 2479-2486.
  • Ignacio Izquierdo Martinez, Jorge A. Ruiz Cruz. Design of wideband orthomode transducers based on the turnstile junction for satellite communications. Universidad Autуnoma de Madrid, Noviembre de 2008, P. 33-36.
  • Pozar D. M. Power Dividers and Directional Couplers. New York: Microwave Engineering -Chap. 7. John Wiley & Sons. Inc, 1998, P. 6-4.1-6-4.5.
  • Demin D. A., Chubinskii N. P. . Zhurnal radioelektroniki. 2014, No. 6, P. 11-23 (In Russ.).
  • Tuzbekov A. R., Golberg B. H. . Radiolokatsiya i radiosvyaz': materialy IV Vserossiyskoy konferentsii, IRE RAN . Moscow, 2010, P. 76-82 (In Russ.).
  • Sazonov D. M. Antenny i ustroystva SVCh . Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1988, P. 434-435.
  • Milligan T. A. Modern Antenna Design. New Jersey: John Wiley & Sons, 2005, P. 343-345.
  • Shpuntov A. I. Antenny ellipticheskoy polyarizatsii. Teoriya i praktika. Sb. Statey . Moscow, Inostrannaya literatura Publ., 1961, P. 367-370.
  • Cantor L. Y. Sputnikovaya svyaz' i veshchanie. Spravochnik. Pod red. L. Ya. Kantora . Moscow, Radio i svyaz' Publ., 1997, P. 528-531.
  • Feldstein A. L., Yavich L. R., Smirnov V. P. Spravochnik po elementam volnovodnoy tekhniki . Moscow, Svyaz' Publ., 1967, P. 652-655.
  • Pelosi G., Nesti R., Gentili G. G. Orthomode transducers. Wiley, New York: Encyclopedia of RF and microwave engineering, 2005, P. 103-107.
  • Davis D., Digiondomenico O., Kempic J. A new type of circularly polarized antenna element. Antennas and Propagation Society International Symposium, 1967, Vol. 5, P. 26-33.
  • Polupanov V. N., Yanovsky M. S., Knyazkov B. N. . Radiotekhnika. 1979, No. 1, P. 112-115 (In Russ.).
  • Nadel J. M. Volnovodnye linii svyazi . Moscow, Radio i svyaz' Publ., 1975, P. 234-236 (In Russ.).
Еще
Статья научная