Орлов А.Г., Севастьянов Н.Н. Бортовой ретрансляционный комплекс (БРК) спутника связи. Принципы работы, построение, параметры (2014) (1152061), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Назначение и состав БРККак указывалось выше, основная функция БРК со сквозной ретрансляциейсостоит в приеме сигналов от наземных земных станций, усилении этих сигна18лов и последующей передаче их на другие земные станции с внесением при ретрансляции минимальных искажений и помех. Следует иметь в виду, что уровни сигнала, поступающие на БРК, достаточно малы.

Например, уровень сигналав БРК КА «Ямал» на выходе приемной антенны составляет порядка –100 дБВт(10–10 Вт), а для построения сетей системы связи «Ямал» этот сигнал долженбыть усилен до величины порядка 20 дБВт (100 Вт). Таким образом, общее усиление в БРК без учета усиления в антеннах должно составлять 100130 дБ, амощность ретранслируемого сигнала до входа в передающую антенну должнасоставлять ≈100150 Вт.Необходимо отметить, что для построения сетей связи на базе БРК для ретрансляции сигналов необходим определенный диапазон частот.

В современных БРК полоса частот, выделяемая на один усилитель мощности, составляетпорядка 40100 МГц, и весь диапазон, выделенный для связи, делится наn-е количество стволов с указанной полосой. Таким образом, современный БРККА связи коммерческого назначения должен обеспечивать в пределах одногоствола с полосой ≈40100 МГц высокое усиление ≈100130 дБ, мощность порядка ≈100150 Вт, а в пределах всего выделенного диапазона должен иметьмногоствольную структуру.Следует отметить (подробнее об этом см.

в параграфе 1.3), что для фиксированной спутниковой связи в БРК используют микроволновые диапазоны, причем частоты на прием выше частот на передачу. В соответствии с вышеизложенным на рис. 1.1 представлена типовая структура современного многоствольного БРК со сквозной ретрансляцией для КА связи коммерческого назначения на геостационарной орбите. Как видно из рисунка, он состоит из двухглавных подсистем – антенно-фидерное устройство (АФУ) и ретранслятора(РТР).

В приведенной схеме БРК АФУ состоит из приемной АФУ и передающей АФУ с раздельными раскрывами. В отдельных модификациях БРК могутиспользоваться АФУ с совмещенным раскрывом и различным построением облучательной системы АФУ. Подробнее принципы и особенности построенияАФУ будут рассмотрены в главе 5.РТР является главной радиоэлектронной подсистемой БРК, выполняющейфункции формирования отдельных стволов, усиления сигналов до определенного уровня, сложения сигналов (мультиплексирования) в общий выходнойсигнал, подаваемый на передающую антенну.В современных многоствольных БРК для коммерческих КА используютсясхемы с одним преобразованием частоты (с fпр на fпрд) и, по существу, усилениесигналов осуществляется на СВЧ.

При этом РТР имеет следующую функциональную структуру: сигнал, принятый АФУ, поступает в приемное устройство,в котором осуществляется усиление сигналов с малым уровнем собственныхфлуктуационных помех (шумов), преобразование частоты (с fпр на fпрд), далеесигналы поступают на входной мультиплексор (IMUX), в котором осуществляется выделение отдельных частотных стволов, принятых единым групповым19сигналом приемным АФУ и приемным устройством РТР, затем сигналы каждого ствола усиливаются своим усилителем мощности (УМ) и складываются вместе особым устройством – выходным мультиплексором (OMUX).

Техникамультиплексирования СВЧ сигналов представляет специфическую область ибудет рассмотрена подробнее в главе 4.Рис. 1.1. Структурная схема n-ствольного БРК:УМ – усилитель мощности; МР – матрица резервирования порядка m:n;IMUX – входной мультиплексор; OMUX – выходной мультиплексорНа входе и выходе ствольных УМ используются специальные схемы резервирования. Дело в том, что для обеспечения надежности БРК фактическое количество УМ превышает количество стволов.

Соответствующие схемы резервирования обеспечивают подключение избыточных УМ с учетом спецификиСВЧ техники.В настоящее время часто единичную ствольную часть РТР называют транспондером. Очевидно, чем больше БРК содержит транспондеров с необходимымчастотно-энергетическим ресурсом, тем выше его коммерческая эффективность. Одним из критических элементов, ограничивающих количество транспондеров (стволов), подключаемых к передающей антенне, является выходноймультиплексор. Принципы работы и построения структурных единиц РТР, указанных выше, будут рассмотрены в главе 4.1.3.

Частотный планЧастотные диапазоны, выделяемые для фиксированной спутниковой связи,регламентированы международными документами [1]. Они лежат в соответствии с международной классификацией в микроволновых диапазонах С (6/4),Ku (14/11), Ка (30/20), верхние частоты в ГГц относятся к приемному диапазону, нижние – к передающему диапазону.20Рис. 1.2. Частотно-поляризационный план БРК КА «Ямал-401»в диапазонах С и Ku21Большинство из ранее упомянутых коммерческих систем связи в настоящеевремя развернуты в диапазонах С и Ku. Интенсивно идет освоение диапазона Ка.Общим правилом для указанных выше диапазонов является использованиена передачу более низких, по отношению к приемным, частот.

Это связано стем, что, во-первых, на более низких частотах передачи легче реализовать болееэффективные (с более высоким, в частности, к.п.д.) усилители мощности типаламп бегущей волны (ЛБВ).Во-вторых, при таком соотношении частот легче обеспечить в БРК высокиетребования к развязке между трактами передачи и приема.Нетрудно показать, что для защиты приемного устройства РТР, предельнаячувствительность которого может составлять –120130 дБВт, от воздействияпередатчика транспондера с мощностью ≈100150 Вт (>20 дБВт) развязка между ними должна составлять более 150 дБ.Поскольку в трактах АФУ и соединительных линиях связи между АФУ иРТР используются волноводные линии передачи, то при указанном выборе частот более высокие длины волн передатчика оказываются ниже критическойчастоты волноводов приемного тракта и сильно в нём затухают (эффект отсечкичастот в волноводе ниже критических).Диапазон частот, выделенный для конкретного БРК, делится на отдельныечастотные стволы, образуя конкретный частотный план.

Между полосами рабочих частот отдельных транспондеров существуют защитные зазоры, в связи стем, что, как будет показано в главе 2, невозможно реализовать полосовыефильтры с абсолютно прямоугольной амплитудно-частотной характеристикой(бесконечным затуханием вне рабочей полосы транспондера). Чем меньше величина зазора при допустимом затухании, тем меньше потерь частотного ресурса, тем, очевидно, выше коммерческая эффективность БРК.В последнее время разработаны способы многократного использования выделенного частотного диапазона. Простейшим из них является использованиепри ретрансляции на одних и тех же частотах ортогональных поляризаций (правой / левой, вертикально / горизонтальной).

Это так называемое поляризационное уплотнение частот (каналов, стволов).В качестве примера на рис. 1.2 приведен частотно-поляризационный планБРК «Ямал-401» для С- и Ku-диапазонов.22ГЛАВА 2.ЭЛЕМЕНТЫ ТЕХНИКИ СВЧ В ПРИЛОЖЕНИИ К БРКДля дальнейшего изложения принципов построения функционированияи системы параметров БРК и РТР необходимо использовать ряд положенийтехники СВЧ. Сама по себе эта область обширна и включает в себя много вопросов, касающихся анализа и синтеза различных СВЧ устройств.

В рамкахэтой главы мы рассмотрим некоторые вопросы, связанные с работой линий передач, используемых в конструкциях БРК, методологию анализа СВЧ цепейи принципы построения СВЧ фильтров как основы построения входных и выходных мультиплексоров СВЧ.Дальнейшее изложение рассчитано на определенные знания в области электродинамики, матричной алгебры и линейной радиотехники. Для более углубленного изучения рассматриваемых вопросов можно обратиться к [2, 3].2.1. Электродинамика волноводных и коаксиальных линий передачВолноводные (прямоугольного и круглого сечения) и коаксиальные линиипередачи широко используются в РТР и БРК для соединений и построения отдельных устройств, блоков и подсистем. Главная их отличительная особенностьсостоит в том, что благодаря наружной металлической оболочке они канализируют внутри себя передаваемую мощность, обеспечивая почти абсолютнуюв случае волноводов и значительную в случае оплеточной оболочки у коаксиальных кабелей экранировку, необходимую, прежде всего, для решения задачэлектромагнитной совместимости и уменьшения активных потерь мощности.Поперечное сечение рассматриваемых волноводных и коаксиальных линийпередачи с указанием систем координат и принципиальных размеров показанона рис.

2.1.абвРис. 2.1. Поперечное сечение волноводных линий передачи:а – прямоугольный волновод; б – круглый волновод; в – коаксиальный волновод23Рассмотрим случай бесконечной по длине (ось z) волноводной и коаксиальной линий. Если внутреннее пространство этих линий передач заполнено изотропной средой, характеризуемой диэлектрической и магнитной проницаемостями ε и μ, то известно, что составляющие электромагнитного поля: E – электрического и H – магнитного, будут удовлетворять волновым уравнениям2E E      2  0,t2H2 H      2  0.t2(2.1)При синусоидальной зависимости электромагнитного поля от времени уравнение (2.1) преобразуется к виду2 E  k 2 E  0,2 H  k 2 H  0,(2.2)где k       – постоянная распространения.Решая эти уравнения тем или иным образом (например, путем введения скалярных и векторных потенциалов) с учетом граничных условий на металлических поверхностях, можно найти выражения для составляющих электромагнитного поля E и H .Мощность и энергию при известных E и H можно вычислить с помощьюследующих соотношений:– поток средней активной мощности из объема, ограниченного поверхностью S (вектор Пойтинга):  1P   Re    E  H *  da  ;2S(2.3)– средняя электрическая энергия, накопленная в объеме VUE 21    E dv;4 V(2.4)– средняя магнитная энергия, накопленная в объеме VUH  21    H dv;4 V24(2.5)– средняя мощность омических потерь в объеме V21P0      E dv.2 V(2.6)Анализ конкретных выражений для составляющих электрического и магнитного полей применительно к рассмотренному случаю волноводных и коаксиальных линий показал наличие важных и общих особенностей.Особенность 1.

Характеристики

Список файлов книги