Математическая модель антенно-волноводного тракта с разделением сигналов по поляризации – частоте

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Обоснование. Необходимость создания антенно-волноводных трактов многодиапазонных зеркальных антенн систем спутниковой связи требует использования различных методик выбора структуры, определения и оптимизации параметров антенно-волноводных трактов.

Цель. Разработка математической модели антенно-волноводных трактов многодиапазонных зеркальных антенн, построенного на основе способа «разделение по поляризации – разделение по частоте» с реализацией функции автосопровождения.

Методы. Математическую модель антенно-волноводных трактов многодиапазонных зеркальных антенн, построенного на основе способа «разделение по поляризации-разделение по частоте», позволяет определить основные характеристики антенно-волноводных трактов и входящих устройств с функцией автосопровождения.

Результаты. Определены основные элементы математической модели многодиапазонного антенно-волноводного тракта, построенного на основе способа «разделение по поляризации – разделение по частоте».

Заключение. Предложена математическая модель, которая позволяет снизить требования к используемым вычислительным средствам при разработке антенно-волноводных трактов по объему оперативной памяти и быстродействию. Реализована возможность анализа и определения характеристик антенно-волноводных трактов при помощи математической модели. Приведены этапы определения параметров антенно-волноводных трактов на основе разработанной математической модели соответствующего варианта построения, а также теоретические и экспериментальные данные, подтверждающие корректность модели антенно-волноводных трактов.

Полный текст

Введение

Антенно-волноводные тракты (АВТ) являются неотъемлемой составляющей МЗА, обеспечивающей возможность приема/передачи сигналов различных поляризаций в нескольких диапазонах частот [1–12]. Основными задачами, реализуемыми с использованием АВТ, являются разделение принимаемых информационных сигналов по поляризации и частоте, а также формирование сигналов для автосопровождения источника радиоизлучения. Параметры АВТ (коэффициент стоячей волны по напряжению на входе и выходе, потери, поляризационные развязки в рабочих диапазонах частот) определяют шумовую добротность МЗА и, соответственно, вероятностно-временные характеристики системы связи и передачи данных, точность автосопровождения.

В работах [1–12] рассмотрены вопросы построения АВТ МЗА на основе способа «разделение по частоте – разделение по поляризации», обеспечивающих совмещение до четырех диапазонов частот. Однако такие АВТ являются сложными и громоздкими устройствами. В ряде случаев более предпочтительным является построение АВТ МЗА на основе способа «разделение по поляризации – разделение по частоте», позволяющих совмещать меньшее число частотных диапазонов, но являющихся более простыми по структуре и имеющих существенно меньшие массогабаритные параметры.

Непосредственный расчет такого АВТ и оптимизация его параметров с использованием пакетов для электродинамического моделирования требуют значительных временных затрат на подготовку собственно проекта для проведения моделирования, а также большого объема вычислений, что, как следствие, даже с использованием современных компьютеров приводит к значительным временным затратам. Разработку и анализ характеристик АВТ, в том числе и рассматриваемых АВТ, можно упростить при использовании известных характеристик отдельных устройств, входящих в состав АВТ [1–12]. При расчете характеристик каждого из устройств, входящих в состав АВТ, совокупное время расчета будет 3–4 раза меньше, чем при расчете всей сборки АВТ. Однако характеристики АВТ в целом при таком подходе могут быть получены только при совместной обработке характеристик каждого из устройств. Последнее может быть реализовано только с использованием математической модели, описывающей АВТ как соединение многополюсников, характеристики которых могут быть для каждого из устройств, входящих в состав АВТ, определены теоретически или экспериментально.

Целью статьи является построение математической модели АВТ МЗА, построенного на основе способа «разделение по поляризации – разделение по частоте» с реализацией функции автосопровождения.

Решаемые задачи:

  1. Основные элементы математической модели АВТ, построенного на основе способа «разделение по поляризации – разделение по частоте».
  2. Теоретико-экспериментальное подтверждение корректности модели АВТ.

1. Основные математические элементы математической модели АВТ, построенного на основе способа «разделение по поляризации – разделение по частоте»

Наиболее полным в функциональном отношении вариантом построения антенны является антенная система, обеспечивающая прием/передачу сигналов и автосопровождение радиоизлучающего объекта по направлению. В варианте построения такой функционально полной МЗА наиболее высокие радиотехнические характеристики достигаются при использовании облучающей системы с единым раскрывом в виде рупора [13; 14].

Принципиальной особенностью построения АВТ в этом случае является использование двух каналов – канала основной моды принимаемых сигналов и канала высшей моды принимаемых сигналов. Структурная схема АВТ, построенного на основе способа «разделение по поляризации – разделение по частоте» для приема сигналов четырех поляризаций (линейные вертикальная и горизонтальная, круговые левая или правая) в J   диапазонах частот, приведена на рис. 1 [15].

 

Рис. 1. Структурная схема АВТ МЗА на основе способа «разделение по поляризации – разделение по частоте» с режимом автосопровождения

Fig. 1. Block diagram of AVT MZA based on the method of polarization separation – frequency separation with auto-tracking mode

 

Достоинством данного варианта построения АВТ является отсутствие диплексеров, выполненных на основе волноводного моста, частотного разветвителя и сумматора, для разделения сигналов совмещаемых диапазонов частот, недостатком – ограничения по рабочей полосе частот устройства поляризационного преобразования и селекции, определяющие возможность совмещения диапазонов частот.

В общем случае при разработке математической модели АВТ необходимо рассматривать на выходе облучающей системы МЗА суперпозицию сигналов, каждый из которых лежит в одном из J возможных для приема диапазонов частот и имеет одну из четырех возможных поляризаций.

С учетом рассматриваемой структурной схемы и представления полей в АВТ суперпозицией основной и высших мод в диапазоне частот основными элементами математической модели АВТ будут являться матрицы, описывающие характеристики устройств АВТ в полноволновом представлении в рабочей полосе частот.

Суперпозиция сигналов с выхода облучателя поступает на вход устройства, в котором для каждого из принимаемых сигналов происходит выделение основной моды (суммарный канал) и высшей моды (разностный канал). Основная мода каждого из принимаемых сигналов имеет структуру H11, ориентация силовых линий которой определяется поляризацией принимаемого сигнала (рис. 2, а и б), высшая мода – структуру H21,   ориентация силовых линий которой также определяется поляризацией принимаемого сигнала (рис. 2, в и г).

 

Рис. 2. Структура поля круглом волноводе при различных поляризациях: а, б – мода H11 (вертикальная/горизонтальная); в, г – мода H21 (вертикальная/горизонтальная)

Fig. 2. Field structure in a circular waveguide at different polarizations: a, b – H11 mode (vertical/horizontal); c, d – H21 mode (vertical/horizontal)

 

На выходе облучателя и в самом АВТ могут также возбуждаться паразитные типы мод более высоких порядков. С учетом этого каждый сигнал при моделировании определяется N гармониками частотного спектра и Q  модами типов волн.

Различие структуры мод H11 и H21 обусловливает несимметричное построение суммарного и разностного каналов АВТ. Разделение по поляризациям основной моды с учетом структуры волны H11 осуществляется с использованием фазосдвигающей 90-градусной секции и ортомодового преобразователя [1]. Для ответвления моды H21 с учетом структуры поля используется восемь наборов щелей, обеспечивающих отбор высшей моды ортогональных составляющих принимаемых сигналов. На основе этих составляющих с использованием двойных Т-мостов возможно выделение составляющих высшей моды, соответствующих сигналам каждой из четырех поляризаций. Разделение по поляризации принимаемых сигналов осуществляется с использованием переключателя.

Сигналы суммарного и разностного каналов поступают в устройство преобразования и формирования сигнала ошибки, в котором формируются сигналы управления МЗА при автосопровождении радиоизлучающего объекта. Кроме того, сигналы суммарного канала поступают на вход устройства обработки для демодуляции принимаемых сигналов.

Для рассматриваемой структуры АВТ сигналы суммарного  и разностного  каналов могут быть представлены следующими соотношениями:

VΣ=HΣGΣCΣU, (1)

VΔ=HΔGΔCΔU.

где U – вектор, элементами которого являются сигналы на выходе облучающей системы МЗА; CΣ и CΔ – матрицы, описывающие устройства разделения сигналов по поляризации в суммарном и разностном канале; GΣ и GΔ – матрицы, описывающие устройства частотного разделения сигналов, соответственно, в суммарном и разностном канале.

В соотношении (1) U как математический объект имеет блочную структуру вида, соответствующую четырем возможным поляризациям принимаемых сигналов

UТ=U(1)U(2)...U(4), (2)

элементы которой U(p) (p=1,...,4) также имеют блочную структуру размерности J×1

U(p)Т=U(p,1)U(p,2)...U(p,J). (3)

Элементы блока U(p,t) (t=1,...,J), в свою очередь, описывают N гармоник в спектре принимаемого сигнала в t-м диапазоне частоты и имеют вид

U(p,t)Т=U(p,t,1)U(p,t,2)...U(p,t,N).

Элементами матрицы U(p,t,r) (r=1,...,N), являются комплексные амплитуды  мод каждой гармоники, учитываемые при моделировании в АВТ

U(p,t,r)=(...up,t,r,f...),

соответствующие r-й частотной гармонике f-й моды сигнала p-й поляризации в t-м диапазоне частоты принимаемого сигнала.

В соответствии с принятым описанием сигналов в АВТ структура матрицы CΣ определяется следующим выражением:

CΣ=CΣ(1)(1)CΣ(2)(1)......CΣ(4)(1)CΣ(1)(2)CΣ(2)(2)......CΣ(4)(2)............CΣ(1)(4)CΣ(2)(4)......CΣ(4)(4), (4)

а каждый блок CΣ(p)(m) (m=1,...,4; p=1,...,4) имеет вид

CΣ(p)(m)=CΣ(p,1)(m,1)CΣ(p,2)(m,1)...CΣ(p,J)(m,1)CΣ(p,1)(m,2)CΣ(p,2)(m,2)...CΣ(p,J)(m,2)............CΣ(p,1)(m,J)CΣ(p,2)(m,J)...CΣ(p,J)(m,J). (5)

Каждый из блоков матрицы CΣ(p,t)(m,j) имеет вид

CΣ(r,t)(j,m)=CΣ(p,t,1)(m,j,1)CΣ(p,t,2)(m,j,1)...CΣ(p,t,N)(m,j,1)CΣ(p,t,1)(m,j,2)CΣ(p,t,2)(m,j,2)...CΣ(p,t,N)(m,j,2)............CΣ(p,t,1)(m,j,N)CΣ(p,t,2)(m,j,N)...CΣ(p,t,N)(m,j,N).

Элемент cΣp,t,r,fm,j,n,q блока матрицы CΣ(p,t,r)(m,j,n) позволяет представить вклад f-й моды r-й гармоники сигнала p-й поляризации t-го диапазона частот, поступающего с выхода облучателя на входе ответвителя моды H21, в p-ю моду n-й гармоники сигнала m-й поляризации j-го диапазона частот на выходе АВТ МЗА (j,t=1,..,J; m,p=1,...,4; n,r=1,...,N; q,f=1,...,Q).

Элемент cΣp,t,r,fm,j,n,q определяет:

  • при m=p, j=t, n=r и q=f коэффициент передачи q-й моды n-й гармоники сигнала j-го диапазона частот m-й поляризации со входа ответвителя моды H21 на его выход;
  • при mp, jt, nr и qf коэффициент трансформации f-й моды r-й гармоники сигнала t-го диапазона частот p-й поляризации на входе ответвителя моды H21 в q-ю моду n-й гармоники сигнала j-го диапазона частот m-й поляризации на его выходе;
  • при совпадении трех любых пар индексов и несовпадении одной пары индексов данный элемент определяет соответствующий вид развязки (поляризационную, частотную, гармоник или модовую) в устройстве отбора моды H21

Матрица GΣ имеет аналогичную структуру, как и матрица GΣ, а ее элементы определяют коэффициенты передачи, трансформации и развязки для устройства поляризационного преобразования и селекции.

Матрица HΣ описывающая математическое представление системы фильтров, с достаточной для практического применения точностью может быть представлена следующей структурой:

HΣ=HΣ(1)HΣ(2)...HΣ(4), (6)

в которой каждый из блоков HΣ(m) (m=1,...,4) имеет вид

HΣ(m)=0...hΣ(m,j)0.... (7)

Элементы hΣ(m,j) определяют прохождение сигнала m-й поляризации j-го диапазона частоты на выход соответствующего фильтра.

Для каждого блока hΣ(m,j) являющегося как математический объект вектором-строкой, можно записать

hΣ(m,j)=hΣ(m,j,1)hΣ(m,j,2)...hΣ(m,j,N), (8)

hΣ(m,j,n)=hΣ(m,j,n,1)hΣ(m,j,n,2)...hΣ(m,j,n,Q). (9)

Структура матриц CΔ, GΔ, и HΔ аналогичны структуре матриц CΣ, GΣ, и HΣ, а их элементы имеют тот же физический смысл при описании сигналов в разностном канале, что и элементы матриц CΣ, GΣ, и HΣ при представлении сигналов в суммарном канале.

Соотношения, описывающие (1)–(9) математическую модель АВТ, построенного на основе способа «разделение по поляризации – разделение по частоте», позволяют определить такие характеристики МЗА, как коэффициент полезного действия ηm,j (КПД), крутизну пеленгационной характеристики μm,j (ПХ), поляризационную ξm,p и частотную развязку ψj,f

ηm,j=n=1NVΣ(m,j,n,0)U(m,j,n,0)2, (10)

μm,j=VΔ(m,j,n0,1)VΣ(m,j,n0,0), (11)

ξm,m'(p)=n=1NVΣ(m,j,n0,0)VΣ(m',j,n0,0), (12)

ψj,j'=n=1NVΣ(m,j,n,0)VΣ(m,j',n,0). (13)

В соотношениях (11), (12) n0 – индекс, соответствующий частоте, на которой проводится формирование сигналов автосопровождения.

Соотношения (1)–(19) полностью определяют математическую модель АВТ, построенного на основе способа «разделение по поляризации – разделение по частоте» и с использованием выражений (10)–(13) позволяют оценить характеристики МЗА.

2. Теоретико-экспериментальное подтверждение корректности модели АВТ

Для оценки корректности разработанной математической модели были проведены исследования двухдиапазонного АВТ, обеспечивающего в каждом из двух диапазонов частот прием сигналов любой из четырех поляризаций. Отношение центральных частот диапазонов составляет fв/fн=1,65:1, относительная ширина рабочей полосы частот ΔFв/fв=0,2 и ΔFн/fн=0,2. При математическом моделировании АВТ число мод Q и гармоник N при расчете характеристик устройств АВТ определялось из условия сходимости значений мод и гармоник в представлении полей в устройствах АВТ и составляло 1000 и до 10 соответственно. Результаты исследований характеристик АВТ представлены на рис. 3–5 сплошными (экспериментальные данные) и штриховыми (результаты численного моделирования) линиями.

 

Рис. 3. Частотная зависимость КСВН сигналов с поляризацией: в диапазоне с центральной частотой fв: а – линейная; б – круговая; в диапазоне с центральной частотой fн: в – линейная; г – круговая

Fig. 3. Frequency dependence of VSWR of signals with polarization: in the range with a central frequency fв: a – linear; b – circular; in the range with a central frequency fн: c – linear; d – circular

 

Рис. 4. Частотная зависимость потерь в каналах АВТ: в диапазоне с центральной частотой fв: а – основная мода Н11; б – высшая мода Н21; в диапазоне с центральной частотой fн: в – основная мода Н11; г – высшая мода Н21

Fig. 4. Frequency dependence of losses in AVT channels: in the range with the central frequency fв: a – the main mode Н11; b – high mode Н21; in the range with a central frequency fн: c – the fundamental mode Н11; d – high mode Н21

 

Рис. 5. Частотная зависимость поляризационной развязки для сигналов: в диапазоне с центральной частотой fв: а – линейной; б – круговой; в диапазоне с центральной частотой fн: в – линейной; г – круговой

Fig. 5. Frequency dependence of polarization isolation for signals: in the range with a central frequency fв: a – linear; b – circular; in the range with a central frequency fн: c – linear; d – circular

 

На рис. 3 приведены частотные зависимости КСВН для каждой из двух поляризаций, принимаемых в одном и втором диапазонах частот. При этом с учетом симметрии построения тракта для обеих линейных поляризаций и аналогичной симметрии для обеих круговых поляризаций соответствующие характеристики считаются одинаковыми для каждой пары поляризаций.

На рис. 4 для каждого из диапазонов частот приведены частотные зависимости потерь в каналах АВТ для основной и высшей мод. Набор устройств для селекции сигналов линейных и круговых поляризаций не отличается. Формирование режимов приема сигналов линейной и круговой поляризаций достигается изменением положения фазосдвигающей секции в устройстве поляризационного преобразования и селекции. Разность потерь в устройстве при этом не превышает 0,1 дБ.

На рис. 5 для каждого из диапазонов частот приведены частотные зависимости на выходе АВТ поляризационной развязки сигналов одноименной поляризации (линейных – вертикальной и горизонтальной, круговых – левой и правой).

Сравнение расчетных и измеренных характеристик подтвердило достаточную для практического применения корректность разработанной математической модели АВТ, построенного на основе способа «разделение по поляризации – разделение по частоте».

Заключение

  1. Основные элементы математической модели АВТ, построенного на основе способа «разделение по поляризации – разделение по частоте».

Использование в качестве основных элементов математической модели матриц, описывающих взаимосвязь сигналов на выходе и входе устройства в составе АВТ, дает возможность получить полноволновое описание распространения полей в каналах АВТ, на основе которого проводить исследования частотных зависимостей основных характеристик (КПД, крутизна пеленгационной характеристики, поляризационная) АВТ, построенного на основе способа «разделение по поляризации – разделение по частоте». Основным преимуществом предлагаемой математической модели является использование блочных матриц, элементы которых имеют простой физический смысл и могут быть достаточно просто рассчитаны.

  1. Теоретико-экспериментальное подтверждение корректности модели АВТ.

Выполненные с использованием пакетов математического моделирования расчеты, теоретические расчеты характеристик устройств, входящих в состав АВТ, вычисление на их основе характеристик всего АВТ и сравнение с результатами экспериментальных измерений подтвердили корректность разработанной математической модели АВТ, построенного на основе способа «разделение по поляризации – разделение по частоте».

×

Об авторах

Сергей Игоревич Бойчук

ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи»

Автор, ответственный за переписку.
Email: rniirs@rniirs.ru

руководитель группы

Россия, 344038, г. Ростов-на-Дону, ул. Нансена, 130

Список литературы

  1. Антенны УКВ / под ред. Г. З. Айзенберга: в 2 ч. Ч. 2. М.: Связь, 1977. 288 с.
  2. Сомов А.М., Старостин В.В., Кабетов Р.В. Антенно-фидерные устройства / под ред. А.М. Сомова. М.: Горячая линия – Телеком, 2014. 404 с.
  3. Simultaneous X/Ka-Band feed system for large earth station SATCOM antennas / C. Granet [et al.] // Military Communications and Information Systems Conference (MilCIS), 11–13 Nov. 2014, Canberra, ACT, Australia. 2014. P. 1–5. DOI: https://doi.org/10.1109/MilCIS.2014.7002726
  4. Сомов А.М., Кабетов Р.В. Проектирование антенно-фидерных устройств / под ред. А.М. Сомова. М.: Горячая линия – Телеком, 2015. 500 с.
  5. Сомов А.М. Распространение радиоволн и антенны спутниковых систем связи. М.: Горячая линия – Телеком, 2016. 456 с.
  6. Устройства СВЧ и антенны / под ред. А.А. Филонова. М.: ИНФРА-М; Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2017. 492 с.
  7. Balanis C.A. Antenna Theory: Analysis and Design. 3rd ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2005. 1136 p.
  8. Milligan T.A. Modern Antenna Design. 2nd ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2005. 614 p.
  9. Volakis J.L. Antenna Engineering Handbook. 4th ed. New York: McGraw Hill, 2007. 1755 p.
  10. Drabowitch S., Papiernik A., Griffiths H. Modern Antennas. New York: Springer, 2005. 703 p.
  11. Козлов В.А., Ивойлова М.М. Применение методов многоуровневого моделирования в проектировании радиочастотных устройств радиотехнических систем // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2017. Т. 20, № 3. С. 64–70. URL: https://journals.ssau.ru/pwp/article/view/7085
  12. Бойчук С.И., Коровкин А.Е, Юхнов В.И. Методики создания и проверки многодиапазонных антенно-волноводных трактов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2023. Т. 26, № 3. С. 52–58. DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2023.26.3.52-58
  13. Способы частотно-поляризационного разделения сигналов в зеркальных антеннах систем спутниковой связи / Д.Д. Габриэльян [и др.] // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2022. Т. 25, № 2. С. 83–90. DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2022.25.2.83-90
  14. Бойчук С.И., Коровкин А.Е, Раздоркин Д.Я. Антенно-волноводные устройства с единым рупором для многодиапазонных антенных систем // Радиотехника. 2019. Т. 83, № 7 (9). С. 202–208. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41117354
  15. Сомов А.М., Кабетов Р.В. Многолучевые зеркальные антенны: геометрия и методы анализа. М.: Горячая линия – Телеком, 2021. 256 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. Структурная схема АВТ МЗА на основе способа «разделение по поляризации – разделение по частоте» с режимом автосопровождения

Скачать (785KB)
3. Рис. 2. Структура поля круглом волноводе при различных поляризациях: а, б – мода H11 (вертикальная/горизонтальная); в, г – мода H21 (вертикальная/горизонтальная)

Скачать (758KB)
4. Рис. 3. Частотная зависимость КСВН сигналов с поляризацией: в диапазоне с центральной частотой :âf а – линейная; б – круговая; в диапазоне с центральной частотой :íf в – линейная; г – круговая

Скачать (235KB)
5. Рис. 4. Частотная зависимость потерь в каналах АВТ: в диапазоне с центральной частотой :âf а – основная мода Н11; б – высшая мода Н21; в диапазоне с центральной частотой :íf в – основная мода Н11; г – высшая мода Н21

Скачать (242KB)
6. Рис. 5. Частотная зависимость поляризационной развязки для сигналов: в диапазоне с центральной частотой :âf а – линейной; б – круговой; в диапазоне с центральной частотой :íf в – линейной; г – круговой

Скачать (242KB)

© Бойчук С.И., 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ФС 77 - 68199 от 27.12.2016.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах