CC BY
0
ТЕХНИКА, ТЕХНОЛОГИЯ, УПРАВЛЕНИЕ
УДК 629.056.8
НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В АНТЕННО-ФИДЕРНЫХ УСТРОЙСТВАХ СТАНЦИЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
1 "2 "I
С. В. Зинкин , В. Е. Тасимов , В. С. Перетрухин
12 3
, , Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
1sergiш-@bk.ru 2tasimchuk@gmail. т 3vladislavperetruhin 1155@gmail.com
Аннотация. Проанализированы разновидности направленных ответвителей, применяемых в антенно-фидерных устройствах станций спутниковой связи: типовой направленный ответвитель, двухдырочный направленный ответвитель на прямоугольных волноводах, многодырочный направленный ответвитель с направленными элементами связи, направленный ответвитель на полосковых и коаксиальных линиях передачи, шлейфный направленный ответвитель, трехдецибельный двухшлейфовый направленный ответвитель, емкостнорамочный направленный ответвитель. Указаны преимущества и недостатки рассмотренных направленных ответвителей.
Ключевые слова: направленный ответвитель, разновидность, антенно-фидерное устройство, станция спутниковой связи
Для цитирования: Зинкин С. В., Тасимов В. Е., Перетрухин В. С. Направленные ответвители, применяемые в антенно-фидерных устройствах станций спутниковой связи // Вестник Пензенского государственного университета. 2024. № 1. С. 82-88.
Направленные ответвители (НО) представляют собой сочленение двух линий передачи, соединенных элементами связи. В отличие от мостовых устройств, в которых мощность делится поровну между двумя плечами, в направленных ответвителях деление неодинаково: в одно из плеч поступает намного большая мощность, чем в другое [1].
Направленный ответвитель (рис. 1) состоит из основного тракта с плечами 1 и 2 и вспомогательного тракта, имеющего измерительное плечо 4 и изолированное плечо 3. Тракты соединены некоторой областью связи, которая может быть реализована в виде ряда отверстий в общих широких или узких стенках основного и вспомогательного трактов. При этом часть мощности, проходящей по основному тракту через область связи, проникает в измерительное плечо 4 и в идеальном случае совершенно не поступает в плечо 3.
© Зинкин С. В., Тасимов В. Е., Перетрухин В. С., 2024
82
Рис. 1. Направленный ответвитель
Параметрами направленных ответвителей являются переходное ослабление и направленность [2, 3].
Переходное ослабление характеризует относительную величину мощности, поступающей из основного плеча в плечо направленной связи:
С = 1018(Л/Л) [дБ].
В зависимости от конкретной задачи может возникнуть необходимость выделения из основного тракта любой доли мощности, поэтому переходное ослабление варьируется в широких пределах и не может служить параметром, определяющим качество НО.
Параметром, определяющим качество НО, является направленность. При одинаковых переходных ослаблениях качество НО тем выше, чем больше значение его направленности.
Направленность показывает, во сколько раз мощность в плече направленной связи больше мощности в изолированном плече:
В = 101в(Р/Рз) [ДБ].
У идеального НО направленность должна быть бесконечно большой, поскольку теоретически мощность в его изолированное плечо не ответвляется [4-6].
Еще одной разновидностью НО, применяемых в антенно-фидерных устройствах станций спутниковой связи, является двухдырочный ответвитель на прямоугольных волноводах. Он представляет собой соединение двух одинаковых волноводов с общей узкой стенкой, в которой прорезаны два круглых отверстия связи с расстоянием между центрами / = Л0/4, что соответствует расстоянию (рис. 2)
0 = р/ = (2Я/Л)(Ло/4) = п/2.
Каждое отверстие обладает малым коэффициентом передачи амплитуды бегущей волны 50 и дает излучение в обе стороны, т.е. является ненаправленным.
Пусть из плеча 1 поступает электромагнитная волна с амплитудой электрического поля Е0 (рис. 3). Основная часть энергии этой волны по главному волноводу поступает в плечо 2:
Е2 = Е0 е-;'р/ = Е0 е-;П/2 часть ее через отверстия поступает в плечи 3 и 4:
Ез = ЕЛ + (Е0 е-0 50) е-0 = ЕЛ е-0 (¿0 + е-0); Е4 = ЕЛ е-0 + Е1 е-0 50 = 2ЕЛ е-0
Таким образом, волны от обоих отверстий в плече 4 складываются в фазе, а в плече 3 -в противофазе и компенсируются (Р3 = 0).
Рис. 2. Основная часть энергии волны, проходящей по главному волноводу
Лп
Рис. 3. Электромагнитная волна с амплитудой электрического поля
Высокая направленность ответвителя сохраняется в узком диапазоне частот, где I = Л0/4. Для расширения диапазонных свойств НО увеличивается количество отверстий связи с соответствующим подбором их диаметров. Многодырочную систему отверстий можно рассматривать как результат соединения двух и большего числа двухдырочных ответвителей, сдвинутых относительно друг друга на Л0/4 (рис. 4). При отходе от центральной частоты каждый двухдырочный от-ветвитель теряет направленность и дает нескомпенсированную волну в плече 3. Два следующих отверстия частично компенсируют волны первой пары отверстий и тем самым, повышая направленность, расширяют диапазон работы НО [7]. Практически отверстия двух ответвителей, расположенные в одном сечении волноводов, выполняются как одно отверстие с удвоенным коэффициентом передачи 250 (рис. 5).
Л0 Л0
>
е7
1 1
-е- -е- "
1 2 1
© а
Рис. 4. Двухдырочные ответвители, сдвинутые относительно друг друга
Рис. 5. Направленные ответвители с удвоенным коэффициентом передачи
Еще одна разновидность многодырочных ответвителей - ответвители с направленными элементами связи (рис. 6). Направленность возникает за счет особого характера взаимодействия электромагнитных полей между линиями передачи. Такой направленностью обладают, например, отверстия в широкой стенке волновода, смещенные относительно его края на расстояние х0, определяемое из условия ^(л/а)х0| = Л/2а.
Рис. 6. Ответвители с направленными элементами связи
При возбуждении плеча 1 в нем возникает основная волна Н10, вектор магнитного поля которой в отверстии имеет круговую поляризацию. Направление вращения вектора Н определяется направлением распространения электромагнитной волны (ЭМВ) и наоборот, поэтому электромагнитное поле (ЭМП) в плече 1 вызывает появление вектора Н с круговой поляризацией в отверстии. Это поле возбуждает ЭМП основной волны в плечах 3 и 4. Направление ее распространения жестко связано с направлением распространения волны в плече 1.
В настоящее время, помимо рассмотренных выше волноводных НО, широко используются направленные ответвители на полосковых и коаксиальных линиях передачи.
Преимуществами НО на полосковых линиях являются высокая надежность, технологичность, малые габариты и масса, низкая стоимость.
Пример НО на связанных линиях представлен на рис. 7. Здесь у НО внутренние плоские проводники размещаются между двумя экранирующими металлическими пластинами, служащими «землей» или обратным проводом (на рис. 7 не показаны). Направленность рассматриваемого устройства обусловлена боковыми связями по электрическому и магнитному полям, что приводит к возникновению двух частичных волн, компенсирующихся в одном из плеч ответвителя (Р3 = 0).
Рис. 7. Направленные ответвители на связанных линиях
Особенностью направленного ответвителя на связанных линиях является ответвление энергии в направлении, противоположном направлению распространения ЭМВ в основном тракте. Кроме того, в таких НО с боковой связью реализуется слабая связь между основным и измерительным трактами (большое переходное ослабление) [8].
Для реализации сильной связи на практике используются шлейфные НО (рис. 8). Они состоят из двух параллельных полосковых линий У1, У2, ..., У„, связанных рядом параллельных шлейфов 7ш1, Гш2, ..., Длина шлейфов и расстояния между ними равны четверти длины волны на средней частоте. В отличие от НО на связанных линиях мощность, ответвляемая во вспомогательный тракт шлейфного НО, распространяется в нем в том же направлении, что и в основном.
Рис. 8. Шлейфные ответвители
Минимальное число шлейфов, при котором происходит направленное ответвление мощности, равно двум. С ростом числа шлейфов частотные характеристики НО улучшаются. Фазовый сдвиг напряженности электрического поля на выходах плеч 2 и 4 составляет п/2.
Для построения балансных смесителей, модуляторов и других устройств широко используются трехдецибельные двухшлейфовые НО (мосты). Они обеспечивают равное деление мощности между выходными плечами 2 и 4. В этом случае значения нормированных проводимостей шлейфов и отрезков линий передачи между ними
Гш1 = Гш2 = 1; Го
72.
Аналогично НО на связанных линиях работает так называемый емкостнорамочный ответ-витель (рис. 9), в котором при определенной степени связи обеспечивается направленное ответвление энергии из плеча 1 в плечо 3, так как магнитный и емкостный токи в плече 4 компенсируются, а в плече 3 складываются. В емкостнорамочном НО происходит передача энергии в направлении, противоположном распространению волны в коаксиальной линии.
Рис. 9. Емкостнорамочный ответвитель
Если поменять местами плечи 3 и 4, то емкостнорамочный НО будет регистрировать мощность отраженной волны, что позволяет оценить качество трактов сверхвысоких частот (СВЧ) путем измерения коэффициента отражения |г| = 7 р - / р+.
Таким образом, теоретически проанализированы разновидности направленных ответвите-лей, применяемых в антенно-фидерных устройствах станций спутниковой связи: типовой направленный ответвитель, двухдырочный направленный ответвитель на прямоугольных волноводах, многодырочный направленный ответвитель с направленными элементами связи, направленный ответвитель на полосковых и коаксиальных линиях передачи, шлейфный направленный ответви-тель, трехдецибельный двухшлейфовый направленный ответвитель, емкостнорамочный направленный ответвитель. Вышеперечисленные преимущества и недостатки рассмотренных направленных ответвителей окажут помощь при проектировании антенно-фидерных устройствах станций спутниковой связи для достижения требуемых характеристик (в зависимости от того, где они будут использоваться).
Список литературы
1. Славянский А. О., Шпак А. В. Проектирование бортовой аппаратуры высокоскоростной радиолинии передачи космической информации // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2022. № 3. С. 51-63.
2. Генералов А. Г., Гаджиев Э. В., Салихов М. Р. Применение спиральных антенн для бортовых систем и комплексов // Труды МАИ. 2019. № 106. С. 7.
3. Братышева В. Е., Орлов Д. В. Особенности бортовых антенно-фидерных устройств космических аппаратов // Решетневские чтения. 2018. Т. 1. С. 86-87.
4. Буров Р. И., Гревцев А. И., Илларионов Б. В. Комплексная модель тракта ретрансляции диагностирующих сигналов при радиоконтроле линий спутниковой связи // Т-Сотт. 2020. Т. 14, № 4. С. 4-14.
5. Подколзин В. В., Шоколов А. А., Плахов А. В. Организация удаленной служебной связи с земными станциями спутниковой связи // Инновационная наука. 2023. № 3-2. С. 46-50.
6. Пантенков Д. Г., Гусаков Н. В., Ломакин А. А. Методический подход к радиоконтролю сигналов спутниковой связи с оценкой требуемых энергетических характеристик приемных станций // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2022. Т. 27, № 3. С. 382-406.
7. Якушенко С. А., Забело А. Н., Антонов В. В. [и др.]. Анализ технологий для организации высокоскоростного спутникового доступа // Colloquium-journal. 2020. № 3 (55). С. 9-12.
8. Генералов А. Г., Гаджиев Э. В. Состояние и перспективы развития бортовых антенно-фидерных устройств радиолинии передачи целевой информации космических аппаратов // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2018. № 2 (30). С. 44-52.
Информация об авторах
Зинкин Сергей Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Радио- и спутниковая связь», Пензенский государственный университет.
Тасимов Виктор Евгеньевич, преподаватель кафедры «Радио- и спутниковая связь», Пензенский государственный университет.
Перетрухин Владислав Сергеевич, студент, Пензенский государственный университет. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
