8.12. Бортовые радиопередающие устройства

Главным параметром бортового ретранслятора, опреде­ ляющим ресурс и характеристики системы связи, является мощ­ ность передатчика, максимальное значение которой ограничено рядом факторов: максимальной мощностью источников питания, возможностью отвода рассеянного тепла, снижением долговечно­ сти и надежности электронных приборов с повышением мощности, заданными габаритными размерами и массой, регламентирован­ ной плотностью потока мощности (не должна превышать 152 дБВт/м2 в полосе 4ГГц).

Обычно передатчики бортовых ретрансляторов строятся по схеме типа рис.8.11. Передатчик состоит из преобразователя час­ тоты ПрЧ с генератором Г и мощного выходного усилителя У с не­ обходимыми фильтрами и согласующими цепями СЦ. Обычно пе­ редатчики усиливают сигналы в полосе одного ствола, реже - не­ скольких. Усилитель У потребляет больше всего энергии, занимает самый большой объем и имеет наибольшую массу. В зависимости от назначения,требуемой мощности, диапазона частот, массы и габаритов, КПД, срока службы и т.п. в выходном усилителе при­ меняют различные СВЧ приборы: ЛБВ, клистроны, мощные тран­ зисторы.

Наиболее широко для бортовой техники используют ЛБВ, что объясняется их преимуществами по сравнению с другими при­ борами: высокий коэффициент усиления, широкополосность, воз­ можность работы в импульсном и непрерывном режимах в широ­ ком интервале выходных мощностей, высокий КПД, компактность, малая масса, долговечность (до 20 000 ч) и надежность.

Рис. 8.11

В качестве оконечных усилителей иногда используют также клистроны с выходной мощностью 200 ..300 Вт. Их применение в бортовых устройствах ограниченно из-за их сравнительной узкополосности. К достоинствам их следует отнести большую просто­ ту, меньшее по сравнению с ЛБВ число питающих напряжений, несколько лучший КПД.

Применение в выходных усилителях мощности брртовых ретрансляторов твердотельных приборов связано с успехами в полупроводниковой электронике, позволившими значительно по­ высить их мощность. Развитие полупроводниковых передатчиков СВЧ для космической связи идет по двум основным направлениям: создание более мощных СВЧ транзисторов; суммирование мощно­ стей полупроводниковых передатчиков. Преимущества твердотель­ ных передатчиков по сравнению с электровакуумными: большая долговечность, меньшее напряжение источника питания, возмож­ ность применения технологии полупроводниковых приборов, суще­ ственное уменьшение массы и габаритных размеров, а также уве­ личение КПД, практически мгновенная готовность к работе мощных полупроводниковых приборов. Однако полупроводниковые приборы чувствительны к некоторым видам дестабилизирующих факторов и мощность их ограничена, причем с повышением частоты она уменьшается примерно по закону квадрата частоты; поэтому для существенного увеличения мощности используются специальные цепи сложения мощностей однотипных усилителей.

При суммировании мощностей с помощью многополюсных цепей к специальному устройству подключают большое число од­ нотипных усилителей, выходные сигналы которых поступают

вобщую нагрузку; при суммировании с помощью фазированных антенных решеток сложение мощностей передатчиков происходит

впространстве от большого числа соответственно ориентирован­ ных излучателей, каждый из которых возбуждается от отдельного усилителя. Суммирование в общем резонаторе используется для сложения мощностей СВЧ генераторных диодов, которые распола­ гаются в общем резонаторе. Первым способом удается повысить мощность передатчика по отношению к мощности одного транзи­ стора на 15...20 дБ, вторым - на 30...40 дБ, третим - на 10...13 дБ.

Для перечисленных способов суммирования необходимо, чтобы мощность сигнала на выходе устройства сложения была бы равной или близкой к сумме номинальных мощностей Рнои отдель­ ных N усилителей; все усилители, мощности которых складывают­ ся, должны быть взаимно независимыми, выход из строя любого усилителя не должен влиять на режим работы и мощность других усилителей; при выходе из строя из общего числа m усилителей

мощность в нагрузке должна упасть не более чем на РН0М/т.Чаще всего сложение мощностей СВЧ усилителей осуществляют с по­ мощью мостовых цепей, относящихся к классу направленных от­ ветвителей, с попарным сложением сигналов.

8.13. Приемные устройства бортовых ретрансляторов

Задача входных приемных модулей ретрансляторов - обес­ печить надежный прием сигналов с малым уровнем. Известно, что чувствительность собственно приемника определяется его собст­ венными шумами, обычно оцениваемыми значением шумовой температуры Тпр [8.5]. Минимальная шумовая температура прием­ ного тракта бортового ретранслятора не может быть меньше экви­ валентной шумовой температуры Земли Т3, поскольку приемные антенны спутника обычно ориентируют в ее сторону. К тому же необходимо учитывать: шумы атмосферы (эквивалентная темпе­ ратура шумов атмосферы Татм, для антенн геостационарных спутников в диапазоне 1 ...20 ГГц - 2...25 К); космические шумы (эк­ вивалентная температура космических шумов Ткосм зависит от области неба, в которую направлена антенна, значения ее на час­ тоте 1 ГГц не превышают 30 К и резко падают с увеличением час­ тоты). Тогда шумовая температура входного приемного устройства бортового ретранслятора Тб = Т3 + Татм + ЬТК0См+ Тпр, где Ь=0,2...0,3 - коэффициент, определяющий факт приема космических шумов только боковыми лепестками. Обычно Тб=(5...10)Тпр. Входные при­ емные устройства земных станций при использовании малошумящих усилителей имеют шумовую температуру 40...300°С. Соответ­ ственно шумовая температура Тб может находиться в пределах 400...3000 К [8.1].

Наиболее широкое применение в качестве входных блоков бортовых ретрансляторов находят кристаллические преобразователи частоты благодаря их простоте и надежности в работе. В настоящее время в качестве преобразовательных элементов в таких преобразо­ вателях используют транзисторы, диоды с барьером Шотки, обычные кремниевые диоды с точечными контактами и иногда туннельные и обращенные диоды. Различают преобразователи однотакгные и балансные. В балансных преобразователях частоты используют дио­ ды с барьером Шотки, реализующие шумовую температуру не выше 2500 К в диапазонах спутниковой связи до 20 ГГц.

На рис.8.12, приведены упрощенные схемы входных моду­ лей приемников спутников связи и вещания с однократным преоб­ разованием частоты при работе в диапазонах 6/4 ГГц (рис.8.12,а), 14/12 ГГц (рис.8.12,6) и 17/12 ГГц (рис.8.12,в). В этих диапазонах

используют следующие частоты: на линии земля - спутник: 5.925.. .6.425; 14...14,5 и 17,3...17,8 ГГц; на линии спутник - земля:

3.7...4.2; 11,7 12,2; 12,2...12,7 ГГц [8.1].

При работе в диапазоне 6/4 ГГц (рис.8.12,а) входные сигналы с частотой 6 ГГц усиливаются в двухкаскадном малошумящем уси­ лителе МШУ на арсенид-галлиевых транзисторах и далее преобра­ зуются в сигнал частоты 4 ГГц в кольцевом диодном преобразова­ теле ПрЧ с частотой гетеродина 2,225 ГГц. На выходе ПрЧ включен режекторный фильтр РФ, ПрЧ со стороны входов и выхода развязан не показанными на схеме ферритовыми вентилями. Преобразован­ ный сигнал частоты 4 ГГц усиливается до необходимого уровня двумя усилителями УПЧ-1 и УПЧ-2, каждый из которых состоит из двух каскадов на полевых транзисторах. Усиление первого усилите­ ля - 27 дБ, второго - 25 дБ. Усилитель на 6 ГГЦ обеспечивает рав­ номерное усиление во всей полосе пропускания порядка 24 дБ. Во всех усилителях на 6 и 4 ГГц имеются не показанные на схеме входные и выходные микрополосковые согласующие цепи, обычно - это двузвенные четвертьволновые трансформаторы, а также меж­ каскадные ферритовые вентили. Приемник диапазона 6/4 ГГц рабо­ тает устойчиво в интервале температур от 2 до +55 °С, что обеспе­ чивается специальными цепями термокомпенсации.

Частота гетеродина формируется следующим образом. От опорного кварцевого генератора с частотой 123,611 МГц напряже­ ние подается на умножители частоты, усиливается и фильтруется. Микрополосковые фильтры обеспечивают ослабление побочных каналов приема на 80 дБ по отношению к несущей сигнала. Квар­ цевый генератор КГ термостатирован, его нестабильность менее ±10"® в интервале температур -7...+35°С. Мощность гетеродина +6дБм при мощности сигнала на входе преобразователя частоты

-4...-8 дБм, потери преобразования 6 дБ.

Вдиапазоне 14/12 ГГц (рис.8.12,6), структурная схема при­ емника аналогична схеме приемника 6/4 ГГц, однако усилитель на полевых транзисторах состоит из двух транзисторов, соединенных непосредственно для уменьшения размеров, что достигается ис­ ключением межкаскадного ферритового вентиля и подбора согла­ сующих цепей. МШУ представляет собой конструктивно оформ­ ленный самостоятельный блок, который для повышения чувстви­ тельности приемника располагается непосредственно рядом с облучателем антенны. Шумовая температура МШУ - 120...240 К, а усиление - 26...40 дБ. Усилитель УПЧ на 11 ГГц по построению аналогичен УПЧ приемника диапазона 6/4 ГГц, включение в него аттенюатора ATT на p-i-n диодах позволяет корректировать усиле­ ние УПЧ по командам с Земли.

МШУ-1 МШУ-2 |7|Тц Прч |2г|ц ПФ УПЧ-1

ATT

УПЧ-2

УПЧ-3

Структурная схема приемника в диапазоне 17/12 ГГц показа­ на на рис.8.12.в. Входные сигналы частоты 17 ГГц проходят через не показанные на схеме волноводно-полосковый переход и микрополосковый ферритовый вентиль на двухкаскадный МШУ-1 на ар- сенид-галлиевых транзисторах с шумовой температурой

253