Компактный высокоскоростной радиопередающий комплекс космического аппарата
COMPACT HIGH-SPEED RADIO-TRANSMITTING SPACECRAFT COMPLEX

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к радиоканалам передачи цифровой информации, конкретно к космическим высокоскоростным радиолиниям (ВРЛ) передачи данных наблюдения с космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).
Уровень техники
3
Радиоканал передачи данных космических аппаратов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) - это сложное компромиссное техническое решение по обеспечению высочайшей пропускной способности канала (сотни мегабит в секунду) при относительно малых массогабаритах антенны и аппаратуры и невысокой потребляемой мощности. Решение особенно сложно для микроспутников ДЗЗ (массой менее 100 кг), где для обычных современных спутниковых передатчиков и антенн просто недостаточно места и энергии. Так, для микроспутника ДЗЗ "Аурига" нужен передатчик канала данных со скоростью не менее 80 Мбит/сек, имеющий объем менее 1000 см (передатчик вместе с антенной), энергопотребление не более 15 Вт и массу не более 1 кг.
3
Обычно в аппаратах дистанционного зондирования Земли применяются радиопередатчики канала данных на частотах Х-диапазона (8-12 ГГц, длина волны 37-25 мм). Они обеспечивают скорость передачи данных до 320 (иногда до 500) Мбит/сек, но имеют типичную массу 3-10 кг, объем аппаратуры 1000-5000 см (без антенны), диаметр антенны не менее 400 мм, энергопотребление десятки Вт [http://www.irz.ru/uploads/files/cataloq_11.pdf; http://www.spacemicro.com/assets/datasheets/rf-and-microwave/uXTx-200.pdf; http://www.gd-ais.com/Documents/Space%20Electronics/SDST%20-%20DS5-813-12.pdf; http://www.syrlinks.com/en/products/x-band-transmitter-microsatellites.html; http://mmw.picocell.com/produkciya/kosmicheskaya/picostar2007/ (компактный, но медленный)]
При этом размер антенны не может быть уменьшен без существенной потери усиления и направленности - для обычной ширины диаграммы направленности в 10° диаметр антенны должен быть в 8-15 раз больше длины волны.
Малогабаритные антенны, подобные [http://www.sputnix.ru/ru/products/microsatellites-systems/onboard-antennas-ru/item/373-rupornaya-antenna-na-osnove-patchevogo-izluchatelya-kh-diapazona], имеют неприемлемо низкий коэффициент усиления.
Представляется перспективным использование более высокочастотных диапазонов радиоволн, в особенности Ка-диапазона (26.5-40 ГГц, длина волны 11-7.5 мм).
Оборудование этого диапазона (особенно антенны) может быть более компактным, хотя значительно сложнее в производстве.
Известные спутниковые передатчики этого диапазона [http://www.cinele.com/images/space_datasheets/t-730_ka_band.pdf; http://www.spacemicro.com/assets/datasheets/rf-and-microwave/uKATx-300.pdf и антенны http://www2.I-3com.com/csw/ProductsAndServices/DataSheets/Compact_Lens_Antenna_Sales-Sheet_WEB.pdf (один из прототипов); http://www.rymsaespacio.com/images/catalogorymsa20013.pdf pp. 25, 45] также имеют размер аппаратуры и антенн, чрезмерно большой для микроспутников.
Известны современные варианты компактных рупорных антенн Ка-диапазона с линзовым корректором, применяемые в маломощной наземной аппаратуре [http://media.wix.com/ugd/cf385b_7a8b20a4b1874d8ea3aa2725d7700488.pdf].
Однако антенны такого типа не приспособлены к использованию в спутниковой аппаратуре - в них широко используются элементы из пластмасс, не пригодных для использования в вакууме, их конструкция имеет недостаточную прочность, чтобы выдержать стартовые ускорения. Тем не менее, этот тип антенны принят нами за прототип.
Отдельными проблемами являются теплоотвод от компонентов радиопередающего комплекса (при отсутствии конвективного теплообмена в вакууме) и защита полупроводниковых компонентов от космического излучения. Известные решения этих проблем основаны на применении достаточно массивных металлических корпусов для каждой подсистемы радиопередающего комплекса (толщина стенок составляет 2-8 мм алюминия). Однако это существенно увеличивает массу и габариты аппаратуры.
Сущность изобретения
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является высокоскоростная передача данных с борта низкоорбитального микроспутника на Землю в Ка-диапазоне.
Технический результат заявленного изобретения заключается в снижении габаритов (до 113×102×88 мм) и массы (до 1 кг) изделия при сохранении высоких скоростных (до 80 Мбит/с) и энергетических (ЭИИМ до 20 дБВт) показателей передачи информации.
Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что компактный высокоскоростной радиопередающий комплекс космического аппарата, содержащий квадратурный модулятор и кодер, размещенные в корпусах, поляризатор, конструктивно соединенный с рупорной антенной, радиочастотный блок, в корпусе которого установлен высокостабильный задающий генератор несущей чистоты, повышающий конвертер-сумматор, полосовой фильтр, твердотельный усилитель мощности, причем корпусы квадратурного модулятора и кодера закреплены на краях боковой поверхности корпуса радиочастотного блока, поляризатор, конструктивно объединенный с рупорной антенной и с согласованной нагрузкой, установлен на корпусе радиочастотного блока между квадратурным модулятором и кодером и соединен с выходом повышающе-усиливающей схемы радиочастотного блока посредством волновода, при этом рупорная антенна выполнена с линзовым корректором, а поляризатор выполнен с двумя входами для формирования левосторонней и правосторонней круговой поляризации, при этом на один из входов установлена согласованная нагрузка, представляющая собой участок волновода.
В частном случае реализации заявленного изобретения усилитель мощности выполнен в виде полупроводниковой интегральной схемы СВЧ диапазона на основе псевдоморфных транзисторов с высокой подвижностью электронов.
В частном случае реализации заявленного изобретения линзовый корректор выполнен на основе полноапертурной диэлектрической линзы, обеспечивающей формирование узкой диаграммы направленности.
В частном случае реализации заявленного изобретения рупорная антенна выполнена открытой на внешнюю поверхность космического аппарата.
В частном случае реализации заявленного изобретения рупорная антенна выполнена остронаправленной.
В частном случае реализации заявленного изобретения комплекс выполнен с возможностью использования стандарта цифрового вещания DVB-S2.
В частном случае реализации заявленного изобретения кодер выполнен на основе программируемой логической интегральной схемы.
В частном случае реализации заявленного изобретения комплекс выполнен с возможностью работы в сантиметровом Ка-диапазоне.
Применение сантиметрового диапазона (Ка-диапазон) с длиной волны порядка 1,1 см обеспечивает миниатюризацию высокочастотных элементов изобретения, таких как волноводы, рупорная антенна, обеспечивая их малую массу и габариты.
Объединение таких элементов высокочастотного тракта, как: высокостабильный задающий генератор несущей частоты, повышающий конвертер-сумматор, полосовой фильтр, твердотельный усилитель мощности, в единый радиочастотный блок позволяет значительно сократить габаритные размеры и массу узла и, как следствие, всего изобретения.
Размещение рупорной антенны и поляризатора непосредственно на выходе повышающе-усиливающей схемы радиочастотного блока позволяет миниатюризировать размер всего изобретения, а также снизить потери на тракте.
Применение миниатюрного цифрового квадратурного модулятора, а также кодера на основе ПЛИС, имеющих малую массу и габариты.
Применение миниатюрных разъемов стандарта Micro-D, обладающих малой массой и габаритом.
Низкое потребление передатчика обеспечивается в первую очередь за счет применения усилителя на основе транзисторов, а также не высокой выходной мощностью радиочастотного блока.
Высокие показатели ЭИИМ изделия при низком уровне выходной мощности радиочастотного блока достигаются за счет применения остронаправленной рупорной антенны с линзовым корректором, обладающей высоким коэффициентом усиления.
Высокие скоростные показатели изобретения достигаются за счет использования стандарта цифрового вещания DVB-S2 с реализацией эффективных кодовых скоростей и квадратурной модуляции.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - Функциональная структурная схема радиопередающего комплекса.
Фиг. 2 - Внешний вид радиопередающего комплекса.
Фиг. 3 - Внешний вид радиочастотного блока.
Фиг. 4 - Функциональная схема радиочастотного блока.
Фиг. 5 - Сборка кодера, квадратурного модулятора и радиочастотного блока.
Фиг. 6 - Сборка поляризатора, согласованной нагрузки и рупорной антенны с линзовым корректором.
Фиг. 7 - Установка поляризатора с рупорной антенной на радиочастотный блок.
Фиг. 8 - Рупорная антенна с линзовым корректором в разрезе.
Фиг. 9 - Сигнальное созвездие квадратурной фазовой манипуляции (QPSK)
На Фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1 - кодер (модем с опережающей коррекцией ошибок FEC), 2 - плата квадратурного модулятора, 3 - высокостабильный задающий генератор несущей частоты, 4 - повышающий конвертер-сумматор, 5 - полосовой фильтр СВЧ, 6 - усилитель мощности СВЧ, 7 - поляризатор для создания круговой поляризации выходного сигнала; 8 - рупорная антенна (с линзовым корректором); 9 - соединительный волновод СВЧ; 10 - подсистема вторичного электропитания; 11 - согласованная нагрузка; 12 - ВЧ кабель
Раскрытие изобретения
Предлагаемая конструкция радиопередающего комплекса показана на Фиг. 2 и состоит из следующих подсистем:
• кодер на базе ПЛИС (1); плата квадратурного модулятора (2); радиочастотный блок, включающий в себя:
высокостабильный задающий генератор несущей частоты;
повышающий конвертер-сумматор;
полосового фильтра СВЧ;
усилителя мощности СВЧ;
блок вторичного электропитания.
• круговой поляризатор;
• рупорная антенна с линзовым корректором;
• соединительный волновод;
• ВЧ кабель;
• согласованная нагрузка.
Новизна предлагаемого решения состоит в конструктивном объединении ряда подсистем, что позволяет принципиально уменьшить габариты и массу, сохранив модульную конструкцию.
1. Высокостабильный задающий генератор несущей частоты (3), повышающий конвертер-сумматор (4), полосовой фильтр (5) и твердотельный усилитель мощности (6) конструктивно объединены в единый радиочастотный блок, за счет чего обеспечивается компактность данного блока. Габарит радиочастотного блока составляет 96×87×29 см.
Поступивший на вход радиочастотного блока через SMA разъем модулированный сигнал частотой 1 ГГц попадает на вход повышающего конвертера, где он суммируется с сигналом частотой 25.8 ГГц, сформированным в генераторе опорной частоты. Генератор опорной частоты основан на кварцевом генераторе с температурной компенсацией (ТСХО) и обеспечивает стабильность выходной частоты сигнала в пределах ±5 ppm.
Суммированный сигнал частотой 26.8 ГГц и мощностью 9.7 дБм поступает на вход полосового фильтра, где осуществляется удаление паразитных частот. На выходе повышающего конвертера двух сигналов (1 ГГц и 25.8 ГГц) возникают интермодуляционные искажения, содержащие комбинационные составляющие с частотами, являющимися суммой и разностью основных и гармонических частот входных сигналов. Эти продукты интермодуляционных искажений взаимодействуют друг с другом, создавая практически бесконечный ряд частотных составляющих. Именно эти продукты интермодуляции и срезаются посредством полосового фильтра. Полоса пропускания фильтра составляет 2% спектра. Вносимые потери на фильтре составляют не более 1.8 дБ.
После фильтрации сигнал поступает на усилитель мощности. Усилитель представляет собой полупроводниковую интегральную схему СВЧ-диапазона (MMIC) на основе псевдоморфных транзисторов с высокой подвижностью электронов (рНЕМТ).
Усилители такого типа обладают высокими характеристиками усиления сигнала и выходной мощности, а также высокими показателями линейности выходного сигнала.
Значение коэффициента усиления усилителя мощности составляет 19.5 дБ при положении точки однодецибельной компрессии по уровню выходного сигнала 29 дБм.
Усиленный сигнал поступает на выход радиочастотного блока с интерфейсом под волновод WR-28 с фланцем UG559/U.
2. Платы квадратурного модулятора (2) и кодера (1), размещенные в компактных корпусах, механически крепятся при помощи винтов к корпусу радиочастотного блока, обеспечивая тем самым компактность всей сборки. Сборка кодера, квадратурного модулятора и радиочастотного блока представлена на Фиг. 5.
В кодере (1) данные разбиваются на блоки в соответствии со стандартом цифрового вещания DVB-S2, после чего над данными осуществляется FEC-кодирование. Закодированные данные поступают из кодера (1) по цифровому каналу LVDS на вход ЦАП платы квадратурного модулятора (2). Полученные на выходе ЦАП аналоговые синусоидальные сигналы с I и Q компонентами поступают на вход, расположенного на той же плате (2), IQ модулятора. Аналоговые квадратурные компоненты I и Q сигналов модулируют по фазе частоту встроенного генератора опорной частоты, после чего модулированный сигнал на опорной частоте в 1 ГГц через ВЧ кабель (12) поступает на вход радиочастотного блока.
3. Поляризатор (7) конструктивно объединен с рупорной антенной (8) и согласованной нагрузкой (11). Рупорная антенна и поляризатор имеют резьбовое соединение и антенна непосредственно вкручивается в поляризатор. За счет этого достигается компактность данного высокочастотного узла. Длина сборки поляризатора и рупорной антенны составляет 84 см. Диаметр антенны 75 см.
Поляризатор имеет два входа для формирования левосторонней и правосторонней круговой поляризации. На один из входов для согласования высокочастотного тракта на четырех винтах установлена согласованная нагрузка, представляющая собой участок волновода WR-28 с фланцем UG559/U.
4. Поляризатор (7) с рупорной антенной (8) устанавливаются непосредственно на радиочастотный блок при помощи четырех винтов. Сигнал из радиочастотного блока поступает в поляризатор через соединительный волновод (9).
Соединительный волновод крепится к поляризатору и радиочастотному блоку при помощи четырех винтов с каждой стороны. Волновод имеет размер WR-28 с фланцами UG559/U с обеих сторон.
5. Корректирующая линза непосредственно вклеена в рупорную антенну для сужения диаграммы направленности антенны и тем самым повышения плотность потока выходной мощности. За счет применения линзового корректора диаграмма направленности антенны достигает 12° по уровню 3 дБ, а коэффициент усиления значения 23 дБи.
Логика функционирования радиопередающего комплекса представлена ниже.
Предназначенные к отправке данные поступают на вход ПЛИС кодера (1) по одному из двух интерфейсов: по высокоскоростному интерфейсу Gigabit Ethernet или по интерфейсу SPI. Поступившие данные последовательно сохраняются во встроенном буферном ОЗУ кодера объемом 2048 Мб.
Полученные в ПЛИС кодера данные разбиваются на блоки данных (BBFRAME) в соответствии со стандартом цифрового вещания DVB-S2. После чего данные блоки поступают на FEC-кодер. FEC кодирование состоит из двух фаз:
- БЧХ (Боуза - Чоудхури - Хоквингема) кодирование;
- LDPC (Low Density Parity Check) кодирование.
В радиопередающем комплексе заложено одиннадцать режимов кодирования DVB-S2, как это показано в таблице 1. Режим кодирования может быть изменен путем отправки в радиопередающий комплекс цифровой команды управления по интерфейсу SPI.
После кодирования пакеты данных (FECFRAME) длиной 64800 бит преобразуются в 64800/ηMOD модулирующих символов (ηMOD - уровень модуляции для QPSK=2). Каждый модулирующий символ представляет собой комплексный вектор формата (I, Q) (где I - фазовый компонент, Q - квадратурный компонент). Для квадратурной фазовой манипуляции QPSK на каждый модулирующий символ используется 2 бита. В связи с этим последовательность битов FECFRAME образует модулирующие символы QPSK таким образом, что биты 2i и 2i+1 формируют i-й QPSK символ, где i=0, 1, 2, …, (N/2)-1 и N - размер пакета FECFRAME. Набор символов модуляции определяет вид сигнального созвездия QPSK, приведенного на Фиг. 9.
Сформированная последовательность символов модуляции в цифровом виде по каналу LVDS поступает на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) платы модулятора (2). Полученные на выходе ЦАП аналоговые синусоидальные сигналы с I и Q компонентами поступают на вход IQ модулятора. Принятые от ЦАП аналоговые квадратурные компоненты I и Q сигналов модулируют по фазе частоту встроенного генератора опорной частоты (со скоростью до 80 Мбит/с), после чего модулированный сигнал поступает на вход радиочастотного блока.
Посредством интерфейса SPI в составе IQ модулятора может быть настроена частота генератора опорной частоты. Это позволяет подавать на вход радиочастотного блока модулированный сигнал с необходимыми параметрами. В реализуемой схеме выходной QPSK сигнал имеет частоту 1000 МГц и мощность 4 дБм. Сигнал подается на вход радиочастотного блока через высокочастотный полугибкий коаксиальный кабель (12).
Поступивший на вход блока через SMA разъем модулированный сигнал частотой 1 ГГц попадает на вход повышающего конвертера (4), где он суммируется с сигналом частотой 25.8 ГГц, сформированным в генераторе опорной частоты (3). Генератор опорной частоты основан на кварцевом генераторе с температурной компенсацией (ТСХО) и обеспечивает стабильность выходной частоты сигнала в пределах ±5 ppm.
Суммированный сигнал частотой 26.8 ГГц и мощностью 9.7 дБм поступает на вход полосового фильтра (5), где осуществляется удаление паразитных частот. На выходе повышающего конвертера двух сигналов (1 ГГц и 25.8 ГГц) возникают интермодуляционные искажения, содержащие комбинационные составляющие с частотами, являющимися суммой и разностью основных и гармонических частот входных сигналов. Эти продукты интермодуляционных искажений взаимодействуют друг с другом, создавая практически бесконечный ряд частотных составляющих. Именно эти продукты интермодуляции и срезаются посредством полосового фильтра. Полоса пропускания фильтра составляет 2% спектра. Вносимые потери на фильтре составляют не более 1.8 ДБ.
После фильтрации сигнал поступает на усилитель мощности (6). Усилитель представляет собой полупроводниковую интегральную схему СВЧ-диапазона (MMIC) на основе псевдоморфных транзисторов с высокой подвижностью электронов (рНЕМТ). Усилители такого типа обладают высокими характеристиками усиления сигнала и выходной мощности, а также высокими показателями линейности выходного сигнала. Значение коэффициента усиления усилителя мощности составляет 19.5 дБ при положении точки однодецибельной компрессии по уровню выходного сигнала 29 дБм.
Полученный на выходе усилителя сигнал поступает в волновод (9) типоразмера WR-28 со значением вносимых потерь менее 0.1 дБ. Таким образом, на выходе радиочастотного блока оказывается сигнал частотой 26.8 ГГц и мощностью 27 дБм. Питание устройство осуществляется стабилизированным напряжением в 8 В.
Из волноводного соединителя сигнал поступает на круговой поляризатор (7) рупорной антенны (8). Поляризатор обеспечивает преобразование входного электромагнитного колебания с произвольным состоянием поляризации в сигнал с круговой поляризацией, после чего антенна излучает электромагнитную волну в космическое пространство. Линзовый корректор на основе полноапертурной диэлектрической линзы обеспечивает формирование узкой диаграммы направленности и повышение коэффициента усиления, минимизируя габариты антенны. Волноводная согласованная нагрузка (11) устанавливается на второй неиспользуемый вход поляризатора (обеспечивающий круговую левостороннюю поляризацию) для предотвращения возникновения отраженного сигнала, способного вызвать интерференцию в канале передачи. Импеданс волноводной нагрузки согласован для минимизации отражения сигнала в нагрузке. Рупорная антенна с линзовым корректором обеспечивает коэффициент усиления, равный 23 дБи, на заданной частоте 26.8 ГГц.
Таким образом, радиопередающим комплексом обеспечивается высокий уровень ЭИИМ, равный 50 дБм или 20 дБВт, при канальной скорости передачи данных, равной 80 Мбит/с, ограниченной производительностью квадратурного модулятора.
Плотное механическое объединение всех корпусов подсистем радиопередающего комплекса обеспечивает малые габариты (до 113×102×88 мм) и массу (до 1 кг) изобретения. При этом рупорная антенна (всегда открытая на внешнюю поверхность космического аппарата) играет важную роль радиатора для теплоотвода.