Receiving and transmitting feed of reflector antennas for satellite communication systems

Full Text

Введение

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 полной 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 $M\left(M\ge K\right)$ сигналов различных диапазонов частот и поляризаций

$\mathbf{S}{}_{вх}\left(\omega \right)\approx \sum _{m=1}^M{s}_m^{\left(вх\right)}\left(\omega \right)\cdot {\mathbf{e}}_m^{\left(вх\right)}+N^{\left(ш\right)}\left(\omega \right),$ (1)

где $\mathbf{S}{}_{вх}\left(\omega \right)$ – частотная зависимость комплексной амплитуды входного сигнала; $s_m\left(\omega \right)$ и ${\mathbf{e}}_{m,i}$ – соответственно, частотная зависимость комплексной амплитуды и вектор одной из возможных поляризаций m-го входного сигнала $\left(m=1, ..., M, i=1, ..., 4\right); N^{\left(ш\right)}\left(\omega \right)$ – 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 $s_{l\mathrm{,1}}^{\left(вых\right)}\left(\omega \right),$ …, $s_{l\mathrm{,4}}^{\left(вых\right)}\left(\omega \right)$ $\left(s_{l,i}^{\left(вых\right)}\right(\omega )$ – выделенный 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 $\left(k=1,...,K\right)$ и может быть представлен с использованием следующего выражения

$\begin{array}{l}{s}_{l,i}^{\left(вых\right)}\left(\omega \right)=s_{l,i}^{\left(вх\right)}\left(\omega \right)\cdot a_{l,l}^{(i,i)}\left(\omega \right)\times \\ \times {\mathbf{e}}_{l,i}^{\left(вх\right)}\cdot {\mathbf{e}}_{l,i}^{\left(АВТ\right)}\left(\omega \right)+N_{l,i}^{\left(ш\right)}\left(\omega \right),\end{array}$ (2)

где $a_{l,l}^{(i,i)}\left(\omega \right)$ – обобщенный коэффициент передачи сигнала l-го диапазона частоты i-й поляризации из входного сигнала на соответствующий ему выход АВТ; ${\mathbf{e}}_{l,i}^{\left(АВТ\right)}$ – 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:

$\begin{array}{l}{s}_{m,j}^{\left(вых\right)}\left(\omega \right)=s_{m,j}^{\left(вх\right)}\left(\omega \right)\cdot a_{m,l}^{\left(j\right)}\left(\omega \right)\times \\ \times {\mathbf{e}}_{m,j}^{\left(вх\right)}\cdot {\mathbf{e}}_{l,i}^{\left(АВТ\right)}\left(\omega \right)+N_{m,j}^{\left(ш\right)}\left(\omega \right).\end{array}$ (3)

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

$\mathbf{P}=\mathrm{argmax}Э,$ (4)

где

$Э=\prod _{k=1}^K\left(\frac{{\displaystyle \underset{\Delta {\omega }_k}{\int }{\left|s_k^{\left(вх\right)}\left(\omega \right)\cdot a_{k,k}^{\left(i\right)}\left(\omega \right)\cdot {\mathbf{e}}_{k,i}^{\left(вх\right)}\cdot {\mathbf{e}}_{k,i}^{\left(АВТ\right)}\left(\omega \right)\right|}^{2}d\omega }}{{\displaystyle \sum _{\begin{array}{l}m=1\\ m\ne k\end{array}}^M\underset{\Delta {\omega }_m}{\int }{\left|s_{k,i}^{\left(вых\right)}\left(\omega \right)\right|}^{2}d\omega +\underset{\Delta {\omega }_k}{\int }{\left|N_{k,i}^{\left(ш\right)}\left(\omega \right)\right|}^{2}d\omega }}\right);$

$\mathbf{P}$ – 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 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.

 

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

 

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  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. ${\mathbf{e}}_{k,i}^{\left(вх\right)}\cdot {\mathbf{e}}_{k,i}^{\left(АВТ\right)}\left(\omega \right)=\mathrm{1,} {\mathbf{e}}_{m,i}^{\left(вх\right)}\cdot {\mathbf{e}}_{k,i}^{\left(АВТ\right)}\left(\omega \right)=1.$  В этом случае выражение, определяющее эффективность АВТ, упрощается и принимает вид

$\begin{array}{l}Э=\prod _{k=1}^K\left(\begin{array}{l}\\ \end{array}\right.\underset{\Delta {\omega }_k}{\int }{\left|s_l^{\left(вх\right)}\left(\omega \right)\cdot a_{l,i}^{\left(i\right)}\left(\omega \right)\right|}^{2}d\omega /\\ \left\{\begin{array}{l}\\ \end{array}\right.\sum _{\begin{array}{l}m=1\\ m\ne k\end{array}}^M\underset{\Delta {\omega }_m}{\int }{\left|s_m^{\left(вх\right)}\left(\omega \right)\cdot a_{m,j}^{\left(i\right)}\left(\omega \right)\right|}^{2}d\omega +\\ +\sum _{m=1}^M\underset{\Delta {\omega }_m}{\int }{\left|N_{m,j}^{\left(ш\right)}\left(\omega \right)\right|}^{2}d\omega \left.\begin{array}{l}\\ \end{array}\right\}\left.\begin{array}{l}\\ \end{array}\right).\end{array}$ (5)

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 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 $∆f_1=0,8$ ГГц, $∆f_2=0,9$ ГГц, $∆f_3=2,0$ ГГц соответственно. Рассмотрено построение трехдиапазонного тракта на основе оптимального АВТ с совмещением двух нижних диапазонов частот путем подключения тракта третьего диапазона.

 

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

 

Сплошной линией на рис. 2 обозначены характеристики трех однодиапазонных трактов в каждом из совмещаемых диапазонов частот. Штриховой линией обозначены характеристики неоптимизированного 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 третьего 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 центральными 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  но повышение коэффициента передачи в диапазонах с центральными частотами  и  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.

 

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

 

Как следует из приведенной схемы, число и ширина полосы совмещаемых диапазонов определяется полосой рабочих частот устройства поляризационного преобразования и селекции. Как правило, верхняя $f_{в}$ и нижняя $f_{н}$ границы такого частотного диапазона удовлетворяют условию $f_{в}/f_{н}\approx 2$ [2]. Таким образом, совмещаемые диапазоны частот должны удовлетворять условию $(f_{в}+\Delta f_{в}/2)/(f_{н}-\Delta f_{н}/2)\approx 2.$ 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.

 

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

 

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.

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 частотных диплексеров и  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.

About the authors

Dmitry D. Gabriel’ean

FRPC «FSUE “RSRIRC”»

Email: rniirs@rniirs.ru
ORCID iD: 0000-0002-9883-8826

Doctor of Engineering Sciences, professor, deputy head of FRPC «FSUE “RSRIRC”», Rostov-on-Don, Russia.

Research interests: electrodynamics, microwave devices, antennas, antenna arrays, integrated communication systems.

Russian Federation, 130, Nansen Street, Rostov-on-Don, 344038

Valentin I. Demchenko

FRPC «FSUE “RSRIRC”»

Email: rniirs@rniirs.ru

Candidate of Engineering Sciences, head of FRPC «FSUE “RSRIRC”», Rostov-on-Don, Russia.

Research interests: electrodynamics, microwave devices, antennas, integrated communication systems.

Russian Federation, 130, Nansen Street, Rostov-on-Don, 344038

Alexander E. Korovkin

FRPC «FSUE “RSRIRC”»

Email: rniirs@rniirs.ru

Candidate of Engineering Sciences, senior researcher of FRPC «FSUE “RSRIRC”», Rostov-on-Don, Russia.

Research interests: electrodynamics, corrugated horns, microwave devices, antennas.

Russian Federation, 130, Nansen Street, Rostov-on-Don, 344038

Sergey I. Boychuk

FRPC «FSUE “RSRIRC”»

Author for correspondence.
Email: rniirs@rniirs.ru

team leader of FRPC «FSUE “RSRIRC”», Rostov-on-Don, Russia.

Research interests: electrodynamics, microwave devices, antennas.

Russian Federation, 130, Nansen Street, Rostov-on-Don, 344038

References

Supplementary files