Способы частотно-поляризационного разделения сигналов в зеркальных антеннах систем спутниковой связи

Постоянный рост объемов передаваемой информации и расширение рынка спутниковых информационных услуг приводят к необходимости освоения новых диапазонов частот и использования поляризационного уплотнения передаваемых сигналов в системах спутниковой связи (ССС). При этом для снижения стоимости наземных приемных комплексов ССС широкое распространение находят многодиапазонные зеркальные антенны (МЗА), осуществляющие в каждом из совмещаемых диапазонов частот прием сигналов ортогональных поляризаций.

Использование таких антенн приводит к необходимости решения вопросов построения антенно-волноводных трактов (АВТ), обеспечивающих эффективное разделение принимаемых сигналов по частоте и поляризации. При этом под эффективностью разделения сигналов следует понимать отношение сигнал/(помеха + шум) на выходе соответствующего частотно-поляризационного канала МЗА при заданном распределении мощностей принимаемых сигналов и шумов по частотным диапазонам и поляризациям. Помехой в этом случае являются сигналы того же или близких диапазонов частот других поляризаций.

Различные варианты построения АВТ и входящих в их состав устройств для разделения принимаемых сигналов по частоте и поляризации рассматривались в ряде работ, например [1–4]. Однако в этих работах отсутствует системный анализ эффективности применения того или иного способа разделения сигналов, что не позволяет в пол- ной мере использовать результаты выполненных исследований. Вследствие этого возникает необходимость системного рассмотрения способов разделения и реализации их в АВТ МЗА ССС [4–8].

Целью работы является системный анализ эффективности применения различных способов частотно-поляризационного разделения сигналов в АВТ МЗА ССС.

Решаемые задачи:

• 1.    Формулировка показателя эффективности применения АВТ в составе МЗА ССС.

• 2.    Анализ эффективности применения способа разделения принимаемых сигналов по частоте-поляризации.

• 3.    Анализ эффективности применения способа разделения принимаемых сигналов по поляризации-частоте.

1.    Формулировка показателя эффективности применения АВТ в составе МЗА ССС

В многодиапазонной антенне ССС, предназначенной для совмещенного приема K сигналов нескольких диапазонов частот и поляризаций, на вход АВТ поступает сигнал, представляющий собой сумму M ( M >  K ) сигналов различных диапазонов частот и поляризаций

M

S₆ *И * У s О )М ■ e O ) + N ^{( 0} Н            (1)

о             m        tm m=1

где S оа(to) - частотная зависимость комплексной амплитуды входного сигнала; sm(to) и em^ - соответственно, частотная зависимость комплексной амплитуды и вектор одной из возможных поляризаций m-го входного сигнала (m = 1,...,M, i = 1,..., 4); N(0)(to) - частотная зависимость шумов во входном сигнале.

Антенно-волноводный тракт в МЗА ССС представляет собой устройство с одним входом и K выходами, в каждом из которых формируется сигнал одного диапазона частот и одной поляризации s(s.wx)(to), ..., s(s.wx)(to) (s(swx)(to) - выделенный l, 1                          l,4                  l, i на выходе АВТ сигнал l-го частотного диапазона одной из четырех возможных видов поляризаций). Каждый из сигналов на выходе АВТ соответствует приему сигнала с k-м набором частотно-поляризационных характеристик (k = 1,..., K) и может быть представлен с использованием следующего выражения

s(7^) = ^ ^)■ $i^)x x e(sx’ ■ e(авт)(Ю) + ^(0)H ,                 ,                                         , где a(iji)(to) - обобщенный коэффициент передачи сигнала l-го диапазона частоты i-й поляризации из входного сигнала на соответствующий ему выход АВТ; ejавт) — поляризационный базис канала АВТ l-го диапазона частот i-й поляризации.

Выражение (2) позволяет учитывать как согласование входов АВТ с облучателем МЗА и выходов АВТ с приемным устройством, так и совпадение поляризации принимаемого сигнала и поляризационного базиса соответствующего канала АВТ.

Сигналы всех остальных диапазонов частот и поляризаций на выходе канала, соответствующего выделению сигнала l -го частотного диапазона i -й поляризации, по аналогии с выражением (2) могут быть записаны следующим образом:

» ! ,:у м = s mx ) < “ ) - a m j ( to ) x x <И^ ^ + ' < ( “ )■

Выбор параметров АВТ выбирается таким образом, чтобы обеспечить наилучший прием сиг- налов всех совмещаемых диапазонов частот, что математически может быть представлено как

P = arg max Э, где

()

f I s< ’ ^x ) ( to ) ■ a <°, ( to ) ■ e^ ) ■ e< ^ABT ) ( ® )| 2 d to

J| k ^x ' k , k^x ’ k , i k , i ^x

^Ato k

K

» = n k = 1

M                    ,2,2

Z } |sk7x)(to)| dto+ f Nk""'(to) dto m=1 Ato m                  Ato k m ^ k

P – вектор, элементами которого являются параметры АВТ.

С физической точки зрения предлагаемый показатель эффективности представляет собой изменение ОСШ на выходе МЗА, обусловленное структурой и параметрами АВТ.

Предложенный показатель эффективности может использоваться для проведения системного анализа различных способов построения АВТ, которые принципиально могут быть выделены в две группы:

– разделение по частоте – разделение по поляризации, при котором на первом этапе из принимаемого сигнала выделяются сигналы, соответствующие совмещаемым частотным диапазонам, на втором этапе проводится их поляризационное разуплотнение;

– разделение по поляризации – разделение по частоте, при котором на первом этапе выполняется поляризационное разуплотнение принимаемой совокупности сигналов совмещаемых диапазонов частот, на втором этапе – частотная селекция сигналов выделенных поляризаций.

2.    Анализ эффективности применения способа разделения принимаемых сигналов по частоте-поляризации

Рассмотрим реализацию АВТ МЗА, построенного на основе принципа «разделение по частоте – разделение по поляризации». Указанный способ построения АВТ, структурная схема которого приведена на рис. 1, реализуется следующим образом:

– принимаемый сигнал с выхода облучателя попадает на вход частотного диплексера первого (низшего из совмещаемых) диапазона частот, в котором обеспечивается:

• •    прохождение сигнала первого диапазона частот на первый выход, к которому подключено устройство поляризационного преобразования и селекции первого диапазона;

• •    прохождение сигналов более высоких диапазонов частот на второй выход, к которому подключен второй диплексер;

  – во втором частотном диплексере аналогичным образом на первом выходе выделяется сигнал второго частотного диапазона, а сигналы более высоких диапазонов частот со второго выхода поступают на вход третьего частотного диплексера;

• - в K - 1-м частотном диплексере на первом выходе выделяется сигнал K - 1 -го диапазона частот, который поступает на вход устройства

  

  Рис. 1. Блок-схема способа разуплотнения в многодиапазонном АВТ «разделение по частоте – разделение по поляризации

  Fig. 1. Block diagram of the decompression method in a multi-band AWT «frequency separation – polarization separation»

  
  

поляризационного преобразования и селекции K - 1 -го частотного диапазона, а на втором выходе формируется сигнал K -го частотного диапазона, который поступает на вход устройства поляризационного преобразования и селекции соответствующего диапазона частот.

Возможность частотного разноса совмещаемых диапазонов частот определяется, как следует из приведенной схемы, построением первого диплексера. Возможность максимального разноса частот в диплексере на практике не превышает 5:1 [2]. Дальнейшее расширение полосы частот приводит к возбуждению высших мод верхнего диапазона частот и, соответственно, снижению амплитуды основной моды верхнего из диапазонов.

В частном случае совмещения двух диапазонов возможен вариант первичного отбора второго частотного диапазона, а сигнал первого диапазона поступает на выход частотного диплексера.

Достоинством данного варианта построения АВТ является типовое построение устройств поляризационного преобразования и селекции в каждом из частотных диапазонов, недостатком – необходимость использования K -1 частотных диплексеров и K однодиапазонных устройств поляризационного преобразования и селекции соответствующих диапазонов частот. С учетом этого возможное число совмещаемых диапазонов частот определяется параметрами частотных диплексеров. Кроме того, при отсутствии технологических погрешностей изготовления АВТ рассогласование вектора поляризации принимаемого сигнала и поляризационного базиса соответствующего канала АВТ отсутствует, т. е. ek*) • е^ВТ)(го) = 1, е—i * енВТ)(ю) = 1- В этом случае выражение, определяющее эффективность АВТ, упрощается и при- нимает вид

(                            |2

э-п j |4■”<-»•«;"<«»| dго/ k=1 \Лю к

M k j «(.•"<»'•»(;),,(»)| 1 m=kлго- d го +

M

+ Z j ^ -: , i i го ) d ■ .

• ^- = 1 Лго m )

Анализ способов частотно-поляризационного разделения сигналов проведен на основе двух вариантов построения трехдиапазонного АВТ.

• 1.    Трехдиапазонный АВТ построен путем подключения к оптимальному по критерию (5) двухдиапазонному АВТ устройства поляризационного преобразования и селекции третьего частотного диапазона с сохранением параметров устройств (неоптимизированного трехдиапазонного АВТ). При этом в качестве исходного двухдиапазонного АВТ может рассматриваться как тракт с совмещением двух нижних диапазонов частот с подключением более высокочастотного тракта, так и тракт с совмещением двух верхних диапазонов частот с подключением тракта нижнего диапазона частот.

• 2.    Трехдиапазонный АВТ построен путем подключения к двухдиапазонному АВТ устройства поляризационного преобразования и селекции

  

  Частота, ГГц

  в

  Рис. 2. Частотные зависимости обобщенного коэффициента передачи: а – в диапазоне частот 3,4–4,2 ГГц; б – в диапазоне частот 5,8–6,6 ГГц; в – в диапазоне частот 10,7–12,7 ГГц

  Fig. 2. Frequency dependences of the generalized transfer coefficient: a – in the frequency range of 3,4–4,2 GHz; b – in the frequency range 5,8–6,6 GHz; c – in the frequency range 10,7–12,7 GHz

  
  

третьего частотного диапазона и оптимизации трехдиапазонного АВТ в целом по критерию (5).

На рис. 2 приведены результаты измерений частотных зависимостей обобщенных коэффициентов передачи сигналов в трехдиапазонном АВТ для приема сигналов с центральными частотами f 1 = 3,80 ГГц, f 2 = 6,2 ГГц, f 3 = 11,7 ГГц и полосами частот A f 1 = 0,8 ГГц, A f 2 = 0,9 ГГц, A f 3 = 2,0 ГГц соответственно. Рассмотрено построение трехдиапазонного тракта на основе оптимального АВТ с совмещением двух нижних диапазонов частот путем подключения тракта третьего диапазона.

Сплошной линией на рис. 2 обозначены характеристики трех однодиапазонных трактов в каждом из совмещаемых диапазонов частот. Штриховой линией обозначены характеристики неоптими-зированного трехдиапазонного тракта, который состоит из оптимизированного двухдиапазонного тракта 3,4–4,2/5,8–6,6 ГГц и присоединенного к нему без оптимизации входных устройств третье- го тракта диапазона 10,7–12,7 ГГц. Характеристики оптимизированного трехдиапазонного тракта 3,4–4,2/5,8–6,6/10,7–12,7 ГГц представлены точечной линией.

Как следует из приведенных зависимостей, подключение без оптимизации входных устройств тракта диапазона частот f ₃ к двухдиапазонному тракту практически не влияет на характеристики в нижнем диапазоне частот (рис. 2, а ), но приводит к ухудшению во втором (рис. 2, б ) и в наибольшей степени в третьем (рис. 2, в ) из совмещаемых диапазонов частот. При оптимизации параметров трехдиапазонного АВТ в целом происходит ухудшение в нижнем диапазоне. Однако во втором и третьем диапазонах характеристики улучшаются, что обуславливает повышение эффективности АВТ в целом. Достигаемый выигрыш в эффективности применения АВТ составляет 0,4 дБ.

При построении трехдиапазонного АВТ на основе оптимального двухдиапазонного тракта, обеспечивающего совмещение диапазонов с цен-

Рис. 3. Блок-схема способа разуплотнения в многодиапазонном АВТ «разделение по поляризации – разделение по частоте»

Fig. 3. Block diagram of the decompression method in a multi-band AVT «polarization separation – frequency separation»

тральными частотами f 2 и f 3 путем подключения тракта диапазона с центральной частотой f 1 , характеристики АВТ остаются практическими неизменными в самом высокочастотном из совмещаемых диапазоне. В диапазонах с центральными частотами f 1 и f 2 происходит уменьшение коэффициента передачи. При оптимизации трехдиапазонного АВТ в целом наблюдается уменьшение коэффициента передачи в диапазоне с центральной частотой f 3 , но повышение коэффициента передачи в диапазонах с центральными частотами f 1 и f 2 . Достигаемое при этом повышение эффективности применения АВТ по отношению к неоптимизированному составляет 0,37 дБ.

3.    Анализ эффективности применения способа разделения принимаемых сигналов по поляризации-частоте

При реализации АВТ МЗА, построенного на основе способа «разделение по поляризации – разделение по частоте» выполняется следующая последовательность операций:

– принимаемый сигнал с выхода облучателя поступает на вход устройства поляризационного преобразования и селекции, на выходе которого формируется совокупность сигналов, каждый из которых представляет собой совокупность сигналов одной поляризации различных диапазонов частот;

– сформированные сигналы поступают на входы соответствующих частотных фильтров, на выходе каждого из которых формируются сигналы требуемых поляризаций в совмещаемых частотных диапазонах.

Структурная схема АВТ, реализующего данный способ, приведена на рис. 3. Достоинством данного варианта построения АВТ является отсутствие диплексеров совмещаемых диапазонов частот, недостатком – ограничения по реализации устройства поляризационного преобразования и селекции, работающего в широкой полосе частот, включающей совмещаемые частотные диапазоны.

Как следует из приведенной схемы, число и ширина полосы совмещаемых диапазонов определяется полосой рабочих частот устройства поляризационного преобразования и селекции. Как правило, верхняя f₆ и нижняя f_H границы такого частотного диапазона удовлетворяют условию f₆,f_H ~ 2 [2]. Таким образом, совмещаемые диапазоны частот должны удовлетворять условию ( f₆ + ^А f₆ / 2) / ( f_H — A f_H 1 2) « 2. Характерным для частотных зависимостей таких устройств являются участки, где частотная зависимость имеет резонансный характер, что приводит к дополнительным ограничениям по построению МЗА на основе таких АВТ.

На рис. 4 для устройства поляризационного преобразования и селекции приведены результаты измерений частотной зависимости обобщенного коэффициента передачи в полосе частот 3,4– 6,8 ГГц. В полосе частот 4,3–5,45 ГГц наблюдается ярко выраженная резонансная зависимость коэффициента передачи, вследствие чего возможно совмещение только двух диапазонов с центральными частотами 3,85 и 6,1 ГГц и полосами частот 0,9 ГГц и 1,4 ГГц соответственно.

Приведенные результаты различных способов частотно-поляризационного разделения сигналов позволяют проводить научно обоснованный выбор способов построения АВТ МЗА в соответствии с требованиями к числу и ширине рабочей полосы совмещаемых диапазонов частот.

Рис. 4. Частотная зависимость обобщенного коэффициента передачи устройства поляризационного преобразования и селекции в полосе частот 3,4–6,8 ГГц

Fig. 4. Frequency dependence of the generalized transfer coefficient of the device for polarization conversion and selection in the frequency band 3,4–6,8 GHz

Заключение

• 1.    Проведенный анализ взаимосвязи параметров АВТ и ОСШ на выходе МЗА позволил разработать показатель эффективности применения АВТ в составе МЗА в виде отношения на соответствующем выходе МЗА в требуемой полосе частот мощности выделяемого сигнала к сумме мощностей сигналов с другими частотно-поляризационными характеристиками и шумов.

• 2.    Анализ способа построения АВТ МЗА с разделением сигналов по частоте-поляризации показал:

  – достоинством способа построения АВТ МЗА, обеспечивающего разделение принимаемых сигналов по частоте и поляризации, являются типовое построение устройств поляризационного преобразования и селекции в каждом из частотных диапазонов, возможность совмещения диапазонов с отношением центральных частот, близким 5:1;

  – недостатком данного способа построения АВТ является необходимость использования K - 1 частотных диплексеров и K однодиапазонных устройств поляризационного преобразования и селекции соответствующих диапазонов частот.

• 3.    Анализ способа построения АВТ МЗА с разделением сигналов по поляризации-частоте показал:

  – достоинством данного варианта построения является упрощение АВТ, обусловленное отсутствием диплексеров совмещаемых диапазонов частот;

  – недостатком являются ограничения, связанные с шириной рабочей полосы частот устройства поляризационного преобразования и селекции, определяемой на практике соотношением верхней и нижней полосы частот 2:1, и наличие резонансных участков частотной зависимости в пределах данной полосы частот.