Разработка антенно-фидерных устройств диапазона крайне высоких частот

Элементная база антенно-фидерных устройств (АФУ) КВЧ-диапазона может быть использована для создания устройств дефектоскопии и радиовидения, систем построения радиоизображений трехмерных объектов, устройств сверхвысокочастотной (СВЧ) диагностики плазмы, а также для производства и применения медицинской аппаратуры с использованием фокусировки в локальную область заданной формы, высокоразрешающих радиообъективов и других приборов контроля и обнаружения [1].

С освоением КВЧ-диапазона спутниковая связь получит огромный потенциал для широкого круга новых областей применения: подвижной персональной связи, широкополосного доступа к Интернету, мультимедийного широкого вещания, высокоскоростного обмена корпоративной информацией, определения местоположения абонентов мобильной связи. В каждом классе услуг спутниковая связь, работающая в КВЧ-диапазоне и в других уже освоенных диапазонах, будет способна обеспечить более высокое качество сервиса при сопоставимой стоимости по сравнению с наземными сетями. Высокое качество сервиса будет достигаться за счет широкополос-ности каналов, экономичности абонентских станций и простых пользовательских интерфейсов [2].

Это тенденция обусловлена явными преимуществами КВЧ-диапазона (30...300 ГГц). К ним относится более высокая разрешающая способность радиолокационных систем, более высокое быстродействие и большое количество каналов связи, возможность применения сверхширокополосных сигналов, меньшие габариты и масса аппаратуры [3].

По сравнению с оптическим, КВЧ-диапазон также имеет преимущества, такие как уверенное прохождение электромагнитного излучения в окнах прозрачности при любых погодных условиях. Наличие определенных полос поглощения миллиметровых волн в атмосфере позволит обеспечить электромагнитную совместимость радиоэлектронных средств и скрытность связи между объектами в космосе [3].

Следует отметить, что мировая индустрия телекоммуникаций уже сегодня становится важнейшим фактором развития сетевой экономики как основы постиндустриального общества. Отечественная спутниковая связь, работающая в КВЧ-диапазоне, позволит расширить возможности интеграции России в мировые структуры сетевой экономики XXI в. и создать надежную единую систему спутниковой связи для решения различных задач [4].

На некоторых частотах, совпадающих с полосами атмосферного поглощения электромагнитных колебаний КВЧ-диапазона, проявляются энергоинформационные взаимодействия между биологическими объектами различного уровня организации, например, диапазон X = 5 мм очень удобен для медицинских и биологических исследований поверхностного типа. Установлено, что волны этой длины слабо проникают в человеческое тело и совершенно безопасны при небольших мощностях [3].

Использование КВЧ-диапазона для изучения вращательных и колебательно-вращательных спектров поглощения веществ открывает принципиально новые возможности изучения внутренней структуры материалов на молекулярном уровне. В настоящее время созданы новые приборы высокого разрешения (лучеводные, ЛОВ- и Фурье-спектрометры). В результате исследований в России и за рубежом изучены частотные характеристики комплексных диэлектрических постоянных многих веществ, например, полупроводниковых материалов, полярных и неполярных жидкостей. Определены и измерены константы молекул ряда веществ и коэффициенты молекулярного поглощения в чистых газах и газовых смесях [5]. С использованием измерительных и исследовательских комплексов, работающих в КВЧ-диапазоне, могут быть решены многие задачи при создании нанотехнологий.

Технологические достижения в области создания элементной базы КВЧ-диапазона будут определять уровень развития радиотехнических средств, возможности, глубину и содержание осваемого КВЧ-диапазона. Для выполнения совокупности требований необходимо проведение комплексных научно-исследовательских разработок (НИР) и опытно-конструкторских разработок (ОКР) для решения ряда сложных задач на всех этапах жизненного цикла изделий: научных исследований, конструкторских разработок, конструкторско-технологических решений, экспериментальных исследований, создания опытных технологий, стандартизации и внедрения систем, работающих в КВЧ-диапазоне.

В технологическом плане перспективные системы спутниковой связи будут характеризоваться следующими моментами:

• -    многообразием конфигурации спутниковых систем;

• -    многообразием применяемых радиоинтерфейсов;

• -    более широким использованием высокочастотных радиодиапазонов (Ки, Ка и др);

• -    развитием режимов коммутации и каналов;

• -    эффективной интеграцией с наземными подсистемами Интернета;

• -    переходом к современным стандартам обработки и распространения мультимедийной информации;

• -    применением широкой гаммы мобильных спутниковых терминалов, обеспечивающих доступ к услугам Интернета;

• -    унификацией и стандартизацией элементной базы в рамках телекоммуникационных стандартов.

Исходя из этого плана, должна создаваться элементная база радиотехнических систем, работающих в КВЧ-диапазоне.

Ключевыми свойствами перспективных систем спутниковой связи будут являться функциональные возможности и технические решения реализации высокоскорост ных услуг, которые обеспечат применение спутниковой связи в массовых сегментах рынка, где наибольшее значение имеют факторы глобальности услуг, конвергенции абонентских сервисов и мультимедийности информации [4].

Одной из важных технологий создания систем спутниковой связи, работающих в КВЧ-диапазоне, является создание и широкое применение совершенных антеннофидерных устройств и бортовых комплексов, способных обеспечить скорость передачи информации на уровне 4...16 Гбит/с, генерировать десятки или даже сотни лучей, обладать высоким уровнем перенастраиваемости с обеспечением гибкого управления радиоресурсами (мощностью сигналов, каналов передачи и т. д.).

При создании высокоэффективных антенных систем одной из главных задач является разработка и создание антенно-волноводных устройств, так как они в значительной степени определяют энергетическую эффективность антенной системы в целом [4]. Основным требованием к электрическим характеристикам антенно-волноводных устройств является достижение наиболее низкого уровня потерь, заданного уровня развязки между входами антенно-волноводного устройства, а также коэффициента стоячей волны (КСВ) в требуемых пределах (1,05...1,15) [5].

В ранее используемых диапазонах частотные разделения сигналов совмещенных антенно-волноводных устройствах осуществлялись с помощью диплексеров, реализованных на основе волноводных фильтров нижних частот. Главным требованием при выборе подходящих конструкций фильтров нижних частот для многодиапазонных фидерных трактов является достижение возможности более низкого уровня вносимых потерь и требуемого уровня заграждения в заданном диапазоне, не менее 30 дБ. Установлено, что этим требованиям наилучшим образом отвечают вафельные волноводные фильтры [5]. Они имеют широкие полосы пропускания с хоро- шим согласованием и малыми потерями, а также широкие полосы запирания с высоким затуханием без паразитных полос пропускания для всех типов волн. Для создания таких фильтров нижних частот (ФНЧ) использу- ются методы радиотехнического синтеза, основанные на теории цепей, а в последнее время - на основе электро- динамического моделирования и оптимизации, например, на основе метода Галеркина и метода обобщенных матриц рассеяния [5]. Ключевые задачи рассеяния решаются на базе Н- и Е-волн, с учетом которых рассчитываются критические частоты полей Н- и Е-волн многогребневого волновода с произвольным количеством гребней различ- ных размеров. Наряду с электрическими характеристиками

ФНЧ актуальным является вопрос конструктивной простоты и сокращения габаритов фильтров. Для достижения требуемых электрических и геометрических характеристик не- обходимо обеспечить минимальное число многогребневых секций и минимальный продольный размер фильтра.

Для оптимизации минимизируется функция вида

N p                2

F ( x ) = W p Z [ S 11 p — S 11 ( f 1 ) ] + i = 1

N p + Ns               2

+ WS S [S21S - S21 (f1)] , i=Np+1

где N_p , N_s – количество частотных точек в полосе пропускания и в полосах заграждения соответственно; S 11 p – требуемый уровень ( S ₁₁) в полосе пропускания, дБ, S 21 _S – требуемый уровень ( S ₂₁) в полосе заграждения, дБ; W_p, W_S – весовые коэффициенты; S ₁₁( f_i ), S ₂₁( f_i ) – значения модулей элементов матриц рассеяния в соответствующих частотных точках, дБ.

Для СВЧ-диапазона f 14 ГГц такие фильтры могут иметь четыре пятигребневых секций длиной 27...30 мм.

При создании авторами облучателя с ребристым рупором, работающим в КВЧ-диапазоне и предназначенным для формирования СВЧ-сигнала круговой (эллиптической) поляризации как левого, так и правого направле- ния вращения плоскости поляризации, для независимого прохождения двух ортогональных СВЧ-сигналов, поданных с входов 1 и 2, был использован диплексер. Диплексер представлял собой волноводный элемент, состоящий из двух пересекающихся под углом 90° каналов прямоугольного сечения с размером канала 3,6 х 1,8 мм и круглого диаметра 3,8 мм. В канал круглого сечения монтировалась пластина толщиной d мм и длиной L = l + E, где Е – расчетная длина; l – фиксированная длина. Толщина стенок диплексера была 1,0+0,2 мм, внутренние радиусы переходов r = 0,1...0,2 мм в прямоугольном канале. Рупор имел поперечные канавки переменной глубины для работы облучателя круговой поляризации в широком диапазоне частот [6].

Расфазировку поля рупора в плоскости раскрыва определяли по формуле

А — ( r /Z_o ) tg о/2, (2) где X _o- длина волны в свободном пространстве; 0 / 2 -половина угла раскрыва рупора; r – радиус раскрыва. Для широкополосных рупоров рекомендуется А > 0,4.

При электроиспытаниях у облучателя определялись следующие радиотехнические характеристики: коэффициент стоячей волны с обоих выходов диплексеров, электрические потери, диаграмма направленности, коэффи- циент усиления и развязка между каналами в диапазоне частот f0–f1–f2.

Определение коэффициента усиления (КУ) облучателей производили прибором Р2-69 на фиксированных частотах путем установки одинаковых облучателей (рис. 1, а )

на расстоянии

Н >  2Д 2 ,                (3)

λ где X - длина волны, Д - диаметр раскрыва рупора.

Коэффициент усиления облучателя рассчитывали по формуле

К _у = 10 lg G , где

4π H 1

G —       "  ,

λ B

где В – затухание, определяемое из выражения

В = В ₂ – В ₁, (5) где В ₂ – потери в линии «облучатель – облучатель»; В ₁ – потери в каналах отраженной и падающей волны прибора Р2-69.

По схеме, представленной на рис. 1, а, производились измерения диаграммы направленности (ДН) облучате- лей. Схема измерения КСВ облучателей представлена на рис. 1, б.

а

б

Рис. 1. Схема измерения ДН и КУ (а) и КСВ (б) облучателей:

1 – измеритель КСВ панорамный Р2-69 в составе;

2 – индикатор; 3 – генератор ВЧ-сигналов;

4 – направленный ответвитель канала падающей волны;

5 – направленный ответвитель канала отраженной волны;

6, 6а – исследуемые облучатели; 7 , 8 , 9 – соединительные кабели; 10 – ВЧ-кабель

При этом сначала исследовались отдельно характеристики волноводных элементов, входящих в состав облучателя: переходов, согласующих и фазирующих секций, поляризаторов, диплексеров, потери которых не превышали 0,1 дБ, КСВ – 1,12.

Настройка и оптимизация параметров облучателя при сборке производилась подбором корпусов поляризатора, диплексера, перехода, согласующих и фазирующих секций, с соответствующими частотно-зависимыми размерами и параметрами шероховатости рабочей поверхности, а также электрическими характеристиками, обеспечивающими лучшее согласование в требуемом диапазоне частот f ₀– f ₁– f ₂.

Развязка между входящими каналами облучателя была не хуже 28,5 дБ, что близко соответствовало расчетному значению. Облучатель имел стабильную ширину диаграммы направленности в широком диапазоне частот: ширина ДН по уровню 10 дБ составляла 37,4°± 0,6°, ДН в плоскостях Е и Н в пределах углов от –10° до 10° совпадали. Разбег ДН был не более 1 дБ при угле +20°, в связи с этим при наличии поляризатора можно получить высокий коэффициент эллиптичности.

Коэффициент усиления в диапазоне f0–f1 растет более интенсивно: Ку1 = а1х + 14,8; в диапазоне f1–f3 интенсивность роста коэффициента усиления несколько снижает- ся: Ку2 = а2f + 15,4 (рис. 2), при этом КСВ облучателя на частотах f1–f2 находится в пределах 1,15...1,18 (рис. 3).

Рис. 2. Зависимость коэффициента усиления облучателя К _у с ребристым рупором от частоты передаваемой волны

Рис. 3. КСВ облучателя с переходом № 5

Таким образом, отечественная спутниковая связь с освоением КВЧ-диапазонов, расширит возможности интеграции России в мировые структуры сетевой эко- номики и позволит создать единую систему спутниковой связи для решения различных задач. Разработка элементной базы антенно-фидерных устройств, работающих в КВЧ-диапазоне, является важнейшим направлением создания систем спутниковой связи. Экспериментальное исследование опытных технологий и широкополосного облучателя с ребристым рупором позволяет оценить конструкторско-технологические решения и наметить дальнейшие направления НИР и ОКР в КВЧ-диапазоне.