УСТРОЙСТВО ШИРОКОПОЛОСНОГО УСИЛЕНИЯ
BROADBAND AMPLIFICATION DEVICE

Настоящее изобретение относится к спутниковой аппаратуре усиления, позволяющей гибко распределять множество принимаемых каналов связи к сигналу выходного пучка.
Как правило, при совершении космического полета обеспечение линии связи между спутником и потребителем, снабженным оконечной приемо-передающей аппаратурой, обладающей ограниченной мощностью и небольшими размерами, накладывает требование - повысить качество приема бортового компонента, а также мощность передаваемых на землю сигналов. Такое улучшение рабочих характеристик достигается путем повышения коэффициента усиления бортовой антенны, что может быть достигнуто только в результате уменьшения размеров зоны покрытия на земле. Такое уменьшение зоны покрытия требует (в случае обеспечения покрытия на земле отдельной географической зоны) формирования множества пучков или лучей для дискретного представления географической зоны. Такие многопучковые или многолучевые покрытия позволяют обеспечить связь с небольшой наземной оконечной аппаратурой, в то же время они создают проблемы в вопросах управления бортовыми мощностями, в частности, распределения принимаемых каналов к передаваемым пучкам в зависимости от:
- различных плотностей трафика;
- изменений по времени плотностей трафика.
Таким образом, как это известно специалистам и как это представлено в схематичном виде на архитектуре 1, изображенной на фиг.1, спутник принимает два сигнала, каждый из которых соответствует одному каналу связи и образует на выходе пучок. Два канала обрабатываются входной секцией 2, которая обеспечивает:
- прием слабого шума, соответствующее преобразование частоты и фильтрацию, соответствующую каждому из двух каналов связи;
- восстановление каждого из двух каналов в усилителе 3.
Канал передачи соответствует полосе передающих частот и может соответствовать или единственной несущей частоте, или совокупности несущих частот или подканалов.
Каждый канал передачи усиливается посредством соответствующего ему усилителя 3. Усилители 3 являются усилителями высокой мощности и, как правило, изготовляются с использованием ламп бегущей волны или полупроводниковых усилителей. Для расположения множества каналов в виде пучка необходимо объединить каналы посредством выходного мультиплексора 4. Известный специалистам выходной мультиплексор 4 или OMUX (Output MUltipleXer), предусмотренный на выходе каждого усилителя, содержит фильтры и один общий волновод, предназначенный для объединения каналов передачи после их усиления. В случае, изображенном на фиг.1, выходной мультиплексор 4, на который заводятся два канала передачи, выдает один сигнал пучка. Затем сигнал пучка подается на излучатель (не показан), такой как, например, рупорная антенна, который направляет к отражателю (не показан) для формирования пучка. Таким образом, такая архитектура позволяет иметь два канала передачи посредством пучка на выходе.
Однако такая архитектура не является гибкой и соединяет канализированное усиление (усилитель посредством одного канала и рекомбинация каналов через выходной мультиплексор) с пассивной антенной. Такое решение требует постоянного плана распределения частот, который определяет решение выходного мультиплексора, не оставляя возможности вносить изменения на орбите.
Кроме того, операторы не всегда имеют четкое представление о будущем распределении трафика (и, соответственно, мощности) в конкретных зонах покрытия и нуждаются, таким образом, в определенной степени гибкости, позволяющей приспосабливаться в период эксплуатации спутника к потребностям в трафике, который является результатом требования и успешной работы служб в различных географических зонах. В связи с этим необходимо иметь возможность гибко направлять каналы передачи к пучкам, т.е. чтобы общее количество каналов, обработанных посредством полезной нагрузки, в период эксплуатации спутника могло бы быть распределено по различным пучкам в соответствии с требованиями трафика. В этом плане изображенная на фиг.1 архитектура не допускает никакой гибкости в отношении количества каналов, определенных пучком и требующих такого количества усилителей, которое обусловлено количеством каналов, подлежащих усилению. С учетом изложенной технологии не представляется возможным образовывать какой-либо канал в возможном диапазоне каналов или разрабатывать также планы распределения частот во время эксплуатации спутника.
Это последнее условие заставило исследовательские группы заявителя заменить канализированное усиление распределенным усилением, в котором все усилители будут усиливать все каналы.
В соответствии с предлагаемым решением, каналы объединяются перед усилением, усиление является общим для всех каналов и обеспечивает непосредственное снабжение антенны. Таким образом, больше нет необходимости использовать выходной мультиплексор вывод, и в связи с этим по существу решение соответствует усилению любого рода частотного распределения каналов (единственным условием является то, что количество усиливаемых каналов ограничено количеством задействованных усилителей).
На фиг.2 изображено это последнее решение для параллельного соединения усилителей.
Два принимаемых канала после фильтрации и усиления сначала суммируются посредством блока объединения 5 каналов. Результирующий сигнал разделяется по мощности посредством делителя 6 для снабжения всех активных усилителей 71 блоков усиления 7. Количество выходов делителей соответствует количеству активных усилителей, задействованных в распределенном усилении. В данном случае используется два раза по четыре активных усилителя, при этом количество встроенных усилителей включает резервные на случай отказа (два раза по шесть установленных пассивных усилителей или 12 ламп для шести активных).
Фазовращатели и аттенюаторы 72 регулировки «настройки» усилителей по фазе и амплитуде установлены перед усилителями: таким образом, обеспечивается единая регулировка посредством усилителя. Регулировка, как правило, осуществляется на центральной частоте обрабатываемой полосы, что ограничивает возможность внесения поправок, которые могут быть выполнены. На фиг.3 и 4 изображен результат внесения поправки между четырьмя лампами, которая была выполнена в соответствии с данным принципом и представленным на фиг.2 способом. На фиг.3 изображена частотная характеристика по амплитуде или фазе усилителей перед настройкой, а на фиг.4 - частотная характеристика по амплитуде или фазе усилителей после настройки.
Если теоретически распределенное усиление отвечает поставленной проблеме, то на практике оно ставит проблему параллельного соединения усилителей на общей полосе передачи, занятой каналами: необходимо, чтобы настройка усилителей была эффективной на широкой полосе частот. Действительно, на фиг.5 представлено ограничение в отношении полосы пропускания осуществляемого таким образом параллельного соединения. «Приемлемая» дисперсия (функция результирующей потери мощности) определяет результирующую полосу пропускания.
Настоящее изобретение направлено, таким образом, на создание устройства для спутников, позволяющее осуществлять усиление и гибкое распределение множества n каналов передачи от входа к выходу, соответствующему пучку, с возможностью регулирования по амплитуде и по фазе усилителей в широкой полосе частот.
С этой целью задачей настоящего изобретения является устройство усиления спутника, обеспечивающее усиление множества n каналов передачи к выходу, соответствующему пучку, которое содержит:
- средства объединения частотных полос, содержащие n входов для приема n каналов передачи и q выходов для предоставления, соответственно, каналов, сгруппированных в рамках q частотных полос;
- средства усиления мощности, включающие р параллельно соединенных активных усилителей для распределенного усиления n каналов;
- средства регулирования усиления и фазы, соответствующие р усилителям мощности на q частотных полосах.
Настоящее изобретение обеспечивает, чтобы количество регулировок соответствовало количеству частотных полос, позволяющих осуществлять специфическую регулировку полосы частот. После выполнения регулировки на центральной частоте каждой полосы частот достигается широкополосная регулировка.
Преимуществом такого решения является то, что оно позволяет осуществить настройку между усилителями в широкой полосе частот, что предоставляет возможность использовать архитектуру усилителей, параллельно соединенных при многоканальных применениях, при этом решение открывает широкие перспективы для гибких полезных нагрузок.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут видны после изучения приводимого в качестве примера описания, которое не носит ограничительного характера, способов его осуществления, на которых:
Фиг.1 изображает в схематичном виде архитектуру усиления каналов передачи на базе достигнутого уровня техники.
Фиг.2 изображает в схематичном виде устройство усиления и гибкое распределение каналов передачи путем параллельного соединения усилителей на базе достигнутого уровня техники.Фиг.3 изображает частотную характеристику по амплитуде или фазе усилителей, представленных на фиг.2, перед настройкой.Фиг.4 изображает частотную характеристику по амплитуде или фазе усилителей, представленных на фиг.2, после настройки.Фиг.5 изображает ограничение в отношении полосы пропускания осуществляемого таким образом параллельного соединения на базе достигнутого уровня техники.
Фиг.6 изображает в схематичном виде устройство усиления в соответствии со способом осуществления изобретения.
Фиг.7 изображает в схематичном виде частотную характеристику по амплитуде или фазе усилителей в соответствии со способом осуществления изобретения, представленного на фиг.6.
Описание фиг.1, 2, 3, 4 и 5 было уже приведено в связи с уровнем техники.
На фиг.6 изображено устройство 8, позволяющее осуществлять усиление и гибкое распределение n сигналов от С1 (канал С1) до Сn (канал Сn) входных каналов к выходному сигналу, соответствующему пучку.
Устройство 8 содержит:
- входную секцию 9 для n входов и n выходов;
- функциональный блок объединения 10 для n входов и q выходов (q=4 согласно настоящему способу осуществления изобретения);
- устройство 11 регулировки амплитуды/фазы усилителя;
- блок 12 усиления мощности;
- передающую антенну 13.
Входная секция 9 принимает n входящих каналов передачи от С1 до Сn, каждый из которых соответствует одному каналу передачи. Входная секция 9 выполняет, таким образом, следующие операции:
- преобразует адекватную частоту каждого из n каналов передачи С1-Сn, осуществляет фильтрацию и контролирует усиление;
- восстанавливает n каналов передачи на соответствующих n входах блока объединения 10 полос частот.
Блок объединения 10 содержит низкоуровневые переключатели (т.е. работающие на очень малой мощности): блок объединения суммирует между собой все сигналы, принадлежащие к каждой из q полос частот, и восстанавливает, таким образом, на каждом из своих q выходов совокупность каналов, принадлежащих к соответствующей полосе частот.
Выходные сигналы (Полоса1-Полоса4) блока объединения 10, которые могут, таким образом, соответствовать многим сигналам каналов передачи, посылаются на q входов устройства 11 регулировки амплитуды/фазы усилителей.
Четыре входа (q=4) устройства 11 соединены сначала с блоком 111 делителей, которые предназначены для деления по мощности сигналов (Полоса 1-Полоса 4), называемых в дальнейшем сигналами полосы частот, таким образом, чтобы иметь возможность обеспечивать снабжение всех усилителей. Таким образом, в данном случае, когда имеется восемь активных усилителей, каждый сигнал полосы частоты (Полоса 1-Полоса 4) делится на восемь сигналов полосы частоты, выходящих из блока 111. Каждый из 4*8 разделенных сигналов частотной полосы принимаются, соответственно, фазовращателем/аттенюатором усиления 113.
Распределение сигналов передачи по четырем частотным полосам и использование восьми активных усилителей привело к необходимости использования 32 фазовращателей/аттенюаторов. В общем плане можно считать, что распределение каналов передачи по q' полосам частот и использование р' активных усилителей влечет за собой необходимость использования q'*р' фазовращателей/аттенюаторов.
Регулировка по амплитуде и фазе для настройки усилителей осуществляется для каждой подполосы и для каждого усилителя или производится 32 независимых регулировки согласно способу осуществления изобретения, представленному на фиг.6.
После 32 фазовращателей/аттенюаторов следует блок 114, состоящий из восьми блоков сложения 115 типа 4 к 1. Каждый из блоков сложения 115 содержит четыре входа, при этом каждый из них принимает, соответственно, один выходной сигнал фазовращателя/аттенюатора, соответствующий одному сигналу полосы собственной частоты колебания. Каждый из блоков сложения подает на свой выход сочетание четырех различных сигналов полосы частоты в направлении одного из активных усилителей мощности одного устройства усиления 121, разъяснение которого приводится ниже.
Каждый из усилителей мощности устройства 121 является, как правило, линеаризованным усилителем на лампе бегущей волны (LTWTA - Linearized Traveling Wave Tube Amplifier), однако речь может также идти и о твердотельном усилителе мощности SSPA (Solid State Power Amplifier).
После усилителей устройства 121 следует блок сложения 122 типа 8 к 1, после которого выходной сигнал фильтруется при помощи фильтра 123, а затем подается на излучатель 13, который расходится лучами для образования пучка.
На фиг.7 в схематичном виде изображена частотная характеристика по амплитуде или фазе усилителей устройства 121 согласно способу осуществления изобретения, представленному на фиг.6. Максимальная дисперсия для каждой полосы ограничена, в то время как общая рабочая полоса велика и не определяется результирующей потерей мощности.
Преимуществом этого решения является то, что оно позволяет осуществить настройку между усилителями в широкой полосе частот, что позволяет использовать усилители, параллельно соединенные в многоканальных применениях, при этом данное решение открывает широкие перспективы для гибких полезных нагрузок.
Кроме того, использование большего количества фазовращателей и аттенюаторов оказывает влияние на массу, потребление и стоимость, которые являются вполне приемлемыми.