Математическая модель антенно-волноводного тракта с разделением сигналов по поляризации – частоте
- Авторы: Бойчук С.И.1
-
Учреждения:
- ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи»
- Выпуск: Том 27, № 1 (2024)
- Страницы: 61-70
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.ssau.ru/pwp/article/view/27284
- DOI: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2024.27.1.61-70
- ID: 27284
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:
- Основные элементы математической модели АВТ, построенного на основе способа «разделение по поляризации – разделение по частоте».
- 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 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 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 ориентация силовых линий которой определяется поляризацией принимаемого сигнала (рис. 2, а и б), высшая мода – структуру 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 гармониками частотного спектра и модами типов волн.
Различие структуры мод и обусловливает несимметричное построение суммарного и разностного каналов АВТ. Разделение по поляризациям основной моды с учетом структуры волны осуществляется с использованием фазосдвигающей 90-градусной секции и ортомодового преобразователя [1]. Для ответвления моды 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:
(1)
где – вектор, элементами которого являются сигналы на выходе облучающей системы МЗА; и – матрицы, описывающие устройства разделения сигналов по поляризации в суммарном и разностном канале; и – матрицы, описывающие устройства частотного разделения сигналов, соответственно, в суммарном и разностном канале.
В соотношении (1) как математический объект имеет блочную структуру вида, соответствующую четырем возможным поляризациям принимаемых сигналов
(2)
элементы которой также имеют блочную структуру размерности
(3)
Элементы блока в свою очередь, описывают гармоник в спектре принимаемого сигнала в t-м диапазоне частоты и имеют вид
Элементами матрицы являются комплексные амплитуды мод каждой гармоники, учитываемые при моделировании в АВТ
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 определяется следующим выражением:
(4)
а каждый блок имеет вид
(5)
Каждый из блоков матрицы имеет вид
Элемент блока матрицы 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 в p-ю моду n-й гармоники сигнала m-й поляризации j-го диапазона частот на выходе АВТ МЗА
Элемент определяет:
- при и коэффициент передачи q-й моды n-й гармоники сигнала j-го диапазона частот m-й поляризации со входа ответвителя моды на его выход;
- при и коэффициент трансформации f-й моды r-й гармоники сигнала t-го диапазона частот p-й поляризации на входе ответвителя моды 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
Матрица имеет аналогичную структуру, как и матрица , а ее элементы определяют коэффициенты передачи, трансформации и развязки для устройства поляризационного преобразования и селекции.
Матрица описывающая математическое представление системы фильтров, с достаточной для практического применения точностью может быть представлена следующей структурой:
(6)
в которой каждый из блоков имеет вид
(7)
Элементы определяют прохождение сигнала m-й поляризации j-го диапазона частоты на выход соответствующего фильтра.
Для каждого блока являющегося как математический объект вектором-строкой, можно записать
(8)
(9)
Структура матриц и аналогичны структуре матриц и , а их элементы имеют тот же физический смысл при описании сигналов в разностном канале, что и элементы матриц и 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 (КПД), крутизну пеленгационной характеристики (ПХ), поляризационную и частотную развязку
(10)
(11)
(12)
(13)
В соотношениях (11), (12) – 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 относительная ширина рабочей полосы частот и При математическом моделировании АВТ число мод и гармоник 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 а – линейная; б – круговая; в диапазоне с центральной частотой в – линейная; г – круговая
Fig. 3. Frequency dependence of VSWR of signals with polarization: in the range with a central frequency a – linear; b – circular; in the range with a central frequency c – linear; d – circular
Рис. 4. Частотная зависимость потерь в каналах АВТ: в диапазоне с центральной частотой а – основная мода Н11; б – высшая мода Н21; в диапазоне с центральной частотой в – основная мода Н11; г – высшая мода Н21
Fig. 4. Frequency dependence of losses in AVT channels: in the range with the central frequency a – the main mode Н11; b – high mode Н21; in the range with a central frequency c – the fundamental mode Н11; d – high mode Н21
Рис. 5. Частотная зависимость поляризационной развязки для сигналов: в диапазоне с центральной частотой а – линейной; б – круговой; в диапазоне с центральной частотой в – линейной; г – круговой
Fig. 5. Frequency dependence of polarization isolation for signals: in the range with a central frequency a – linear; b – circular; in the range with a central frequency 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
- 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.
- 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, 130Список литературы
- Антенны УКВ / под ред. Г. З. Айзенберга: в 2 ч. Ч. 2. М.: Связь, 1977. 288 с.
- Сомов А.М., Старостин В.В., Кабетов Р.В. Антенно-фидерные устройства / под ред. А.М. Сомова. М.: Горячая линия – Телеком, 2014. 404 с.
- 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
- Сомов А.М., Кабетов Р.В. Проектирование антенно-фидерных устройств / под ред. А.М. Сомова. М.: Горячая линия – Телеком, 2015. 500 с.
- Сомов А.М. Распространение радиоволн и антенны спутниковых систем связи. М.: Горячая линия – Телеком, 2016. 456 с.
- Устройства СВЧ и антенны / под ред. А.А. Филонова. М.: ИНФРА-М; Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2017. 492 с.
- Balanis C.A. Antenna Theory: Analysis and Design. 3rd ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2005. 1136 p.
- Milligan T.A. Modern Antenna Design. 2nd ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2005. 614 p.
- Volakis J.L. Antenna Engineering Handbook. 4th ed. New York: McGraw Hill, 2007. 1755 p.
- Drabowitch S., Papiernik A., Griffiths H. Modern Antennas. New York: Springer, 2005. 703 p.
- 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
- 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
- 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
- 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
- Сомов А.М., Кабетов Р.В. Многолучевые зеркальные антенны: геометрия и методы анализа. М.: Горячая линия – Телеком, 2021. 256 с.