ТЕРМИЧЕСКИ ОПТИМИЗИРОВАННОЕ УСТРОЙСТВО МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ КАНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ПОВТОРЕНИЯ СИГНАЛОВ, СОДЕРЖАЩЕЕ, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, ОДНО ТАКОЕ УСТРОЙСТВО МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ
THERMALLY OPTIMIZED SUPERHIGH FREQUENCY CHANNEL MULTIPLEXING DEVICE AND SIGNAL REPEATING DEVICE, CONTAINING AT LEAST ONE SUCH MULTIPLEXING DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству мультиплексирования термически оптимизированных сверхвысокочастотных каналов и к устройству повторения сигналов, содержащему, по меньшей мере, одно такое устройство мультиплексирования. Это изобретение применяется, в частности, в области спутниковых телекоммуникаций и, более конкретно, в устройствах повторения сигналов, размещенных на борту спутников.
Предшествующий уровень техники
Как показано, например, на фиг.1, устройство 1 повторения, размещенное на борту спутника 2, содержит, в общем случае, каналы излучения и приема сверхвысокочастотных сигналов, предназначенные для перенаправления, усиления и доставки сигналов между наземной станцией и пользователями, расположенными в специфических географических зонах. При приеме сигналы, принятые приемной антенной 3, передаются в приемник 4 посредством приемного фильтра 5, а затем усиливаются при помощи усилителей 6 и снова излучаются при помощи излучающей антенны 8 после прохождения через фильтр 7 излучения. По техническим соображениям усиления перед усилением ширина частотной полосы принятого сигнала разделяется на множество вспомогательных частотных полос уменьшенной ширины, равной ширине полос каналов пользователей, посредством устройства 9 демультиплексирования, обычно называемого IMUX (или Input Multiplexor, входной мультиплексор), и после усиления усиленные сигналы подвергаются рекомбинации в один единственный с широкой частотной полосой. Эта рекомбинация сигналов в один единственный выходной сигнал с широкой частотной полосой обычно реализуется посредством выходного устройства 10 мультиплексирования, обычно называемого OMUX (или Output Multiplexor, выходной мультиплексор), которое содержит множество элементарных фильтров 11, причем каждый такой элементарный фильтр имеет центральную частоту и предварительно определенную ширину частотной полосы.
Как показано, например, на фиг.2, каждый фильтр 11 содержит сигнальный вход 13 и сигнальный выход 14, причем эти фильтры подключены параллельно к общему выходному органу 15 доступа посредством поперечного волновода 16, называемого манифольд, который связывает выходы 14 всех каналов между собой. Каждый фильтр 11 содержит, по меньшей мере, одну внутреннюю резонансную полость или множество внутренних резонансных полостей, соединенных между собой, например, посредством соединительной мембраны таким образом, чтобы сформировать один канал, через который проходят радиочастотные сигналы RF.
Различные фильтры 11 мультиплексора OMUX обычным образом закрепляются горизонтально и параллельно друг другу на общем основании 12, обладающем теплопроводностью и обычно изготовленном из металла, таким образом, чтобы продольная ось Z каждого канала располагалась, по существу, параллельно плоскости этого основания 12. Продольные стенки каждой полости при этом находятся в контакте с основанием 12 либо непосредственно, либо при помощи уголковых элементов 7 крепления, что позволяет в результате теплопроводности иметь возможность отводить тепловую энергию, рассеянную полостями фильтра 11, в направлении основания 12. Обычным образом тепловой поток проходит сквозь основание 12 в направлении, перпендикулярном фильтру 11, к тепловым трубкам, располагающимся на панели спутника.
В номинальном режиме работы, соответствующем работе фильтра в частотной полосе, для которой были определены его размерные параметры, эта тепловая энергия является, главным образом, потерями в результате поверхностного эффекта, возникающего вследствие эффекта Джоуля в стенках фильтра, причем эти потери рассеиваются в результате теплопроводности от внутренней части фильтра к его наружной части. В режиме работы, называемом "вне полосы" и соответствующем аномалии в частоте излучения в направлении фильтра мультиплексора OMUX, этот фильтр функционирует за пределами частотной полосы, для которой были определены его размерные параметры. В этом режиме работы вне полосы фильтр поглощает и рассеивает значительную часть энергии сигнала. Мощность, рассеянная фильтром в режиме работы вне полосы, оказывается примерно в три раза более высокой, чем мощность, рассеянная в номинальном режиме работы. В том случае, когда мультиплексор OMUX выполнен по термокомпенсированному типу и когда каждый фильтр содержит гибкую мембрану, позволяющую контролировать объем полости и корректировать таким образом рабочую частоту в зависимости от температуры, это значительное рассеяние мощности может иметь эффект, негативным образом влияющий на гибкую мембрану, поскольку эта часть является существенно резистивной и порождает мощные градиенты температуры.
Таким образом, размерные параметры каналов фильтров мультиплексора OMUX всегда термически определяются по отношению к режиму работы вне полосы.
Горизонтальная структура мультиплексора OMUX хорошо адаптирована для контроля термических градиентов каналов, но остается ограниченной, чтобы отвечать новым требованиям, встречающимся в рамках различных космических применений, поскольку, с одной стороны, в случае применения, требующего использования очень высоких мощностей, превышающих или равных 500 Вт, эта структура порождает значительные плотности тепловых потоков на поверхностях раздела внеполосного канала на тепловых трубках панели спутника, что связано с опасностью осушения этих тепловых трубок, а с другой стороны, эта структура требует большой поверхности размещения в плоскости основания, что оказывает негативное влияние в случае размещения полезной нагрузки в пространстве с ограниченными размерами.
Для того чтобы решить проблему ограничения плотности потока на тепловых трубках, обычным является разработка тепловых трубок, обладающих избыточными размерами, что негативным образом влияет на размещение полезной нагрузки спутника.
Для того чтобы решить проблему габаритных размеров мультиплексора OMUX и оптимизировать его размещение, вертикальная структура может быть предпочтительной по отношению к горизонтальной структуре, но она порождает тепловые градиенты, значительно более существенные, чем тепловые градиенты, полученные от горизонтальной структуры. В настоящее время известное техническое решение, используемое для разрешения этой проблемы теплового градиента, состоит в увеличении проводящего сечения каждого канала путем увеличения толщины стенок каждого фильтра. Однако это требует соответствующего добавления материала, которое приводит к существенному увеличению массы мультиплексора OMUX, что является нежелательным, и даже неприемлемым, для космических применений.
Краткое изложение существа изобретения
Задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы реализовать устройство мультиплексирования сверхвысокочастотных каналов, оптимизированное по массе и позволяющее уменьшить плотность теплового потока на поверхности раздела канала, работающего в режиме вне полосы, в частности, в случае применения, требующего использования очень высокой мощности.
Для решения этой задачи предлагаемое изобретение относится к устройству мультиплексирования сверхвысокочастотных каналов, содержащему множество элементарных фильтров, подключенных параллельно к общему выходному органу доступа посредством поперечного волновода, причем каждый фильтр содержит нижний конец, закрепленный на общем для всех фильтров основании, верхний конец, противоположный этому основанию, наружную периферийную стенку, по меньшей мере, одну внутреннюю полость, определяющую внутренний канал, сигнальный вход, подключенный к внутренней полости, и сигнальный выход, подключенный к поперечному волноводу, устройство характеризуется тем, что дополнительно содержит проводяще-излучающее устройство, механическим и термическим образом соединенное с, по меньшей мере, двумя фильтрами, причем это проводяще-излучающее устройство содержит, по меньшей мере, одну теплопроводную пластину и связано с наружными периферийными стенками каждого из, по меньшей мере, двух фильтров, и эта пластина закреплена на уровне верхнего конца фильтров.
Предпочтительным образом эта пластина содержит вырезы, взаимодействующие с наружными периферийными стенками, по меньшей мере, двух фильтров таким образом, чтобы наружные периферийные стенки фильтров оказывались вставленными в соответствующий вырез пластины.
Предпочтительным образом каждый фильтр содержит наружный кольцевой ободок, жестко связанный с наружной периферийной стенкой, и пластина установлена и закреплена на этих ободках, по меньшей мере, двух фильтров.
В соответствии с одним из вариантов осуществления верхний конец каждого фильтра содержит кожух, закрывающий продольный канал, и пластина закреплена между кольцевым ободком и кожухом, по меньшей мере, двух фильтров.
Предпочтительным образом пластина может быть снабжена теплоотводящими небольшими тепловыми трубками, содержащими стенку, изготовленную из теплопроводного материала с контуром циркуляции жидкого теплоносителя.
В соответствии с одним из вариантов осуществления пластина может содержать две различные стенки, соответственно нижнюю и верхнюю, и небольшие тепловые трубки, закрепленные между этими двумя стенками.
Предпочтительным образом пластина изготовлена из теплопроводного материала, выбранного из металлических материалов или композитных материалов с металлической матрицей, усиленной проводящими волокнами.
Проводяще-излучающее устройство может содержать одну теплопроводную пластину, связанную с наружными периферийными стенками всех фильтров и закрепленную на них.
Альтернативным образом это проводяще-излучающее устройство может содержать, по меньшей мере, две теплопроводные пластины, связанные соответственно с наружными периферийными стенками первой совокупности, состоящей из, по меньшей мере, двух фильтров, и второй совокупности, также состоящей из, по меньшей мере, двух фильтров. В том случае, когда проводяще-излучающее устройство содержит две пластины, обе эти пластины могут быть соединены между собой термическим образом.
В соответствии с одним из вариантов осуществления элементарные фильтры располагаются параллельно друг другу на общем основании, и их продольные оси перпендикулярны к их общему основанию, а проводяще-излучающее устройство соединено термическим образом с одной полостью каждого канала фильтров.
В соответствии с еще одним способом реализации элементарные фильтры располагаются параллельно друг другу на общем основании, и их продольные оси параллельны к их общему основанию, а проводяще-излучающее устройство соединено термическим образом со всеми полостями каждого канала фильтров.
Предлагаемое изобретение также относится к устройству повторения сигналов, содержащему, по меньшей мере, одно устройство мультиплексирования.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием, не являющимся ограничительным, предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой принципиальную схему примера реализации устройства повторения сигналов;
фиг.2 - схематический вид примера реализации устройства мультиплексирования сверхвысокочастотных каналов с горизонтальной структурой в соответствии с известным уровнем техники;
фиг.3 - схематический вид, в процессе монтажа, примера реализации термически оптимизированного устройства мультиплексирования сверхвысокочастотных каналов с вертикальной структурой в соответствии с изобретением;
фиг.4а - вид в разрезе примера реализации фильтра для мультиплексора OMUX, содержащего две полости, в соответствии с изобретением;
фиг.4b и 4с - два схематических вида сбоку примера реализации фильтра для мультиплексора OMUX в соответствии с изобретением;
фиг.5 - вид сверху мультиплексора OMUX с вертикальной структурой, снабженного проводяще-излучающей пластиной, в соответствии с предлагаемым изобретением;
фиг.6а и 6b - два схематических вида, в процессе монтажа и в смонтированном положении, термически оптимизированного устройства мультиплексирования сверхвысокочастотных каналов с вертикальной структурой в соответствии с изобретением;
фиг.7а и 7b - два вида, общий вид и вид в поперечном разрезе, варианта реализации теплопроводяще-излучающей пластины в соответствии с изобретением;
фиг.8 - пример реализации термически оптимизированного устройства мультиплексирования сверхвысокочастотных каналов с горизонтальной структурой в соответствии с изобретением;
фиг.9 - вариант реализации термически оптимизированного устройства мультиплексирования сверхвысокочастотных каналов с вертикальной структурой, содержащего две проводяще-излучающие пластины в соответствии с изобретением.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Устройство мультиплексирования сверхвысокочастотных каналов, называемое OMUX, пример реализации которого представлен на фиг.3, содержит совокупность из пяти фильтров 11, располагающихся в соответствии с вертикальной структурой каналов. Каждый фильтр 11, вид которого детально представлен на фиг.4а, 4b и 4с, содержит располагающуюся вдоль продольной оси Z наружную периферийную стенку 30, нижний конец 31, размещенный в цоколе 32, верхний конец 33, содержащий верхний кожух 34 закрытия, причем этот кожух 34 может быть снабжен гибкой и поддающейся деформированию частью и ободком крепления, и, по меньшей мере, одну внутреннюю полость 35, 36, располагающуюся между двумя концами 31, 33. В соответствии с не являющимся ограничительным примером реализации, проиллюстрированным на фиг.4а, представленный фильтр содержит две внутренние полости 35, 36, располагающиеся одна поверх другой вдоль оси Z. В соответствии с топологическими вариантами реализации фильтра количество и геометрические характеристики полостей могут быть различными. Можно, например, использовать фильтр с тремя полостями, две из которых располагаются на одной линии вдоль оси Z, а третья полость присоединена сбоку, перпендикулярно по отношению к оси Z. Две внутренние полости электрическим образом соединяются между собой при помощи перегородок (не показаны). Фильтр 11 содержит входной интерфейс 13 радиочастотного сигнала RF, связанный с верхней полостью 36, и выходной интерфейс 14 радиочастотного сигнала RF, подключенный к нижней полости 35. Цоколи 32 каждого фильтра 11 мультиплексора OMUX закреплены на общем основании 12 таким образом, чтобы продольная ось каждого фильтра располагалась, по существу, перпендикулярно к основанию. Каждый фильтр функционирует на предварительно определенной центральной частоте, различной от одного фильтра к другому фильтру мультиплексора OMUX. В соответствии с выбранным технологическим типом фильтр может быть изготовлен из материала с небольшим коэффициентом теплового расширения, такого, например, как инвар, или же этот фильтр может быть, в случае необходимости, оборудован устройством температурной компенсации, и/или может, в случае необходимости, содержать диэлектрический резонатор. В примере реализации, представленном на фиг.4b и 4с, фильтр является термокомпенсируемым, причем кожух 34 каждого фильтра 11 содержит устройство 44 температурной компенсации, позволяющее автоматически изменять объем внутренних полостей 35, 36 этого фильтра 11 в зависимости от температуры для того, чтобы стабилизировать частоту функционирования этого фильтра.
Эта вертикальная структура представляет преимущество, которое состоит в ее большей компактности на плоскости основания 12 по сравнению с горизонтальной структурой, но она, однако, обладает недостатком в том случае, когда количество полостей каждого фильтра превышает одну, когда имеется только нижняя полость 35, находящаяся в контакте с основанием 12, и когда оказывается затруднительным отводить тепловую энергию от частей, наиболее удаленных от основания 12. Действительно, тепловой поток, возникающий в результате рассеяния тепловой энергии в верхней полости 36, должен пройти через нижнюю полость 35 перед тем, как быть отведенным в основание 12. Нижняя полость 35, находящаяся в контакте с основанием 12, должна, таким образом, поглощать свой собственный тепловой поток и тепловой поток, рассеянный верхней полостью 36, что порождает существенные ограничения в плане термического контроля канала. Таким образом, эта вертикальная структура представляет значительные термические градиенты, которые принимают масштабы, существенно усиливающиеся в том случае, когда один из фильтров находится в режиме работы вне полосы. В этом случае верхние части этого канала вне полосы достигают очень высоких температур, тогда как каналы, примыкающие к этому каналу вне полосы и работающие в номинальном режиме, остаются при значительно более низких температурах.
Для того чтобы усовершенствовать рассеяние тепловых потоков и уменьшить тепловые градиенты в мультиплексорах OMUX в режиме вне полосы, в данном изобретении предлагается соединять каналы между собой механическим и термическим образом, предпочтительно на уровне их наиболее горячих частей, и увеличивать теплообмен через тепловое излучение в направлении окружающей среды, внешней по отношению к мультиплексору OMUX. Пример реализации, представленный на фиг.3, относится к наиболее критическому случаю вертикальной структуры каналов, но предлагаемое изобретение также может быть применено и к горизонтальной структуре в случае применения, требующего использования очень высоких мощностей, как это представлено, например, на фиг.8.
В примере реализации, проиллюстрированном на фиг.3, наиболее горячая часть представляет собой верхнюю часть каналов на уровне кожуха 34, закрывающего верхнюю полость 36 каждого фильтра 11. Предлагаемое изобретение состоит в закреплении проводяще-излучающего устройства, содержащего, по меньшей мере, одну теплопроводную пластину 38, на наружных периферийных стенках 30 фильтров. В соответствии с вариантом воплощения, представленным на фиг.3, эта пластина 38, называемая теплопроводяще-излучающей пластиной, содержит вырезы 39, проходящие сквозь всю толщину этой пластины, причем эти вырезы взаимодействуют с наружными периферийными стенками каждого фильтра 11 таким образом, что эти наружные периферийные стенки 30 каждого фильтра 11 оказываются вставленными в соответствующий вырез 39 пластины 38. Предпочтительным образом наружный кольцевой ободок 40 выполняется на наружных периферийных стенках каждого фильтра, например на верхнем конце 33 канала каждого фильтра 11, причем кольцевые ободки 40 всех фильтров локализованы в одной и той же плоскости, по существу, параллельной плоскости основания 12, и пластина 38 установлена и закреплена на этих кольцевых ободках 40. При этом пластина 38 перекрывает всю совокупность кольцевых ободков 40 фильтров 11 мультиплексора OMUX, как это представлено на фиг.5, и она находится, таким образом, в контакте с периферийными стенками каждого фильтра. Эта проводяще-излучающая пластина 38 изготавливается из того или иного теплопроводного материала, металлического или композитного, такого, например, как алюминий, обладающий преимуществом, которое заключается в его относительно небольшой плотности, совмещающейся с очень хорошей теплопроводностью по сравнению с другими металлическими материалами, или композитный материал с металлической матрицей, усиленной волокнами, обладающими высокой теплопроводностью. Эта проводяще-излучающая пластина 38 содержит вырезы 39, располагающиеся против каналов каждого фильтра 11, причем эти вырезы 39 имеют размеры, немного превышающие диаметр каждого канала для того, чтобы эта пластина 38 надевалась снаружи вокруг стенок 30 каналов и входила в опорный контакт с каждым кольцевым ободком 40. Крепление этой проводяще-излучающей пластины 38 на кольцевых ободках 40 может быть реализовано при помощи любого средства крепления, такого, например, как крепление при помощи винтов. Крепление кожухов 34 и, в случае необходимости, устройств 44 температурной компенсации реализуется затем на конце каждого канала, поверх проводяще-излучающей пластины 38. В этой конфигурации одна полость 36 каждого фильтра 11, соответствующая входной полости радиочастотных сигналов, связана с проводяще-излучающей пластиной 38 и термически соединена с этой пластиной 38. Поскольку пластина 38 находится в контакте с наружными периферийными стенками 30 всех каналов на их верхней части, это позволяет соединить термическим образом все каналы между собой в их наиболее горячей части и направить в результате теплопроводности в периферийных стенках 30 фильтров тепловой поток от канала, который работает в режиме вне полосы, в сторону значительно более холодных каналов, которые работают в номинальном режиме и играют при этом роль тепловых стоков. Поскольку проводяще-излучающая пластина 38 имеет наружную поверхность, более значительную, чем поверхность, занимаемая суммой верхних частей всех каналов, это также позволяет увеличить излучающую поверхность различных каналов мультиплексора OMUX 10 и увеличить часть общего излучаемого теплового потока мультиплексора OMUX 10 в окружающее пространство. Для увеличения теплообмена в результате теплопроводности, излучения и рассеяния теплового потока однородным образом во всей пластине 38 эта проводяще-излучающая пластина 38 может содержать тепловые трубки 41, припаянные или приклеенные к ее наружной поверхности, как это показано на фиг.6а и 6b. Альтернативным образом, как это показано на фиг.7а и 7b, проводяще-излучающая пластина 38 может содержать две различные стенки 42, 43, соответственно нижнюю и верхнюю, по существу, параллельные между собой, и тепловые трубки 41 могут быть закреплены между двумя стенками 42, 43 пластины 38. Эти тепловые трубки 41 предпочтительным образом выбираются среди небольших тепловых трубок или микротепловых трубок, содержащих стенку, изготовленную из теплопроводного материала с контуром циркуляции текучего теплоносителя. Так, например, пара материалов, образующих стенку и текучую среду теплоносителя тепловых трубок, может быть выбрана среди таких пар, как пара, образованная медью и водой, или пара, образованная алюминием и этанолом, или пара, образованная алюминием и метанолом. Небольшие тепловые трубки и микротепловые трубки, реализованные с использованием этих пар материалов, представляют преимущество, которое заключается в том, что они являются малочувствительными к силе тяжести и имеют возможность функционировать в любом положении, в частности в вертикальном положении при тестировании на земле.
В примере реализации, представленном на фиг.8, различные фильтры 11 мультиплексора OMUX 10 закрепляются горизонтально и параллельно друг другу на общем основании 12 таким образом, чтобы продольная ось Z каждого фильтра была, по существу, параллельной плоскости основания 12, причем это основание образует нижнюю часть мультиплексора OMUX. Проводяще-излучающая пластина 38 устанавливается и закрепляется на продольных стенках фильтров 11, по существу, параллельных плоскости основания 12, на верхней части мультиплексора OMUX, противоположной основанию 12. При этом фильтры мультиплексора OMUX располагаются между основанием 12 и проводяще-излучающей пластиной 38. Эта проводяще-излучающая пластина 38 содержит вырезы, которые охватывают стенки входных отверстий 13 и выходных отверстий 14 каждого фильтра 11. В этой конфигурации две полости 35, 36 каждого фильтра 11 связаны с проводяще-излучающей пластиной 38 и термически соединены, таким образом, между собой.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения проводяще-излучающее устройство содержит одну проводяще-излучающую пластину 38, соединенную со всеми фильтрами мультиплексора OMUX, но, в частности, в случае применения в мультиплексоре OMUX, содержащем фильтры существенно различной длины, как это представлено на фиг.9, можно также использовать проводяще-излучающее устройство, содержащее множество проводяще-излучающих пластин, соединенных соответственно с первой совокупностью и со второй совокупностью, состоящих из, по меньшей мере, двух фильтров мультиплексора OMUX. В том случае, когда мультиплексор OMUX содержит множество проводяще-излучающих пластин 38, различные пластины могут быть термически соединены между собой или могут быть независимыми друг от друга.
Хотя предлагаемое изобретение было описано в связи со специфическими способами его реализации, очевидно, что это изобретение ими не ограничивается и что оно включает в себя все технические эквиваленты описанных средств, а также сочетаний этих средств, если они не выходят за рамки данного изобретения.