RU2630845C1 - Compact high-speed radio-transmitting spacecraft complex - Google Patents
Compact high-speed radio-transmitting spacecraft complex Download PDFInfo
- Publication number
- RU2630845C1 RU2630845C1 RU2016123424A RU2016123424A RU2630845C1 RU 2630845 C1 RU2630845 C1 RU 2630845C1 RU 2016123424 A RU2016123424 A RU 2016123424A RU 2016123424 A RU2016123424 A RU 2016123424A RU 2630845 C1 RU2630845 C1 RU 2630845C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radio
- polarizer
- horn antenna
- encoder
- complex according
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
- H01Q13/02—Waveguide horns
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
- H04B1/02—Transmitters
- H04B1/04—Circuits
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к радиоканалам передачи цифровой информации, конкретно к космическим высокоскоростным радиолиниям (ВРЛ) передачи данных наблюдения с космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).The invention relates to radio channels for transmitting digital information, specifically to space high-speed radio links (VRL) for transmitting surveillance data from spacecraft (SC) remote sensing of the Earth (ERS).
Уровень техникиState of the art
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 см3 (передатчик вместе с антенной), энергопотребление не более 15 Вт и массу не более 1 кг.The radio data channel of Earth remote sensing spacecraft (ERS) is a complex compromise technical solution to ensure the highest channel capacity (hundreds of megabits per second) with relatively small mass dimensions of the antenna and equipment and low power consumption. The solution is especially difficult for remote sensing microsatellites (weighing less than 100 kg), where for conventional modern satellite transmitters and antennas there is simply not enough space and energy. So, for the Auriga microsatellite, a data channel transmitter with a speed of at least 80 Mbit / s, having a volume of less than 1000 cm 3 (a transmitter with an antenna), power consumption of not more than 15 W and a mass of not more than 1 kg is needed.
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 см3 (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)]Typically, Earth remote sensing devices use data channel radio transmitters at X-band frequencies (8-12 GHz, wavelength 37-25 mm). They provide a data transfer rate of up to 320 (sometimes up to 500) Mbit / s, but have a typical mass of 3-10 kg, the volume of equipment is 1000-5000 cm 3 (without antenna), the diameter of the antenna is at least 400 mm, the power consumption is tens of watts [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/ (compact but slow)]
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.At the same time, the antenna size cannot be reduced without a significant loss of gain and directivity - for a typical radiation pattern width of 10 °, the antenna diameter should be 8-15 times the wavelength.
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.Small antennas like [http://www.sputnix.ru/en/products/microsatellites-systems/onboard-antennas-ru/item/373-rupornaya-antenna-na-osnove-patchevogo-izluchatelya-kh-diapazona], have an unacceptably low gain.
Представляется перспективным использование более высокочастотных диапазонов радиоволн, в особенности Ка-диапазона (26.5-40 ГГц, длина волны 11-7.5 мм).It seems promising to use higher-frequency ranges of radio waves, in particular the Ka-band (26.5-40 GHz, wavelength 11-7.5 mm).
Оборудование этого диапазона (особенно антенны) может быть более компактным, хотя значительно сложнее в производстве.Equipment in this range (especially antennas) can be more compact, although much more difficult to manufacture.
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.Known satellite transmitters of this range [http://www.cinele.com/images/space_datasheets/t-730_ka_band.pdf; http://www.spacemicro.com/assets/datasheets/rf-and-microwave/uKATx-300.pdf and antennas http://www2.I-3com.com/csw/ProductsAndServices/DataSheets/Compact_Lens_Antenna_Sales-Sheet_WEB.pdf (one of the prototypes); http://www.rymsaespacio.com/images/catalogorymsa20013.pdf pp. 25, 45] also have the size of equipment and antennas that are excessively large for microsatellites.
Известны современные варианты компактных рупорных антенн Ка-диапазона с линзовым корректором, применяемые в маломощной наземной аппаратуре [http://media.wix.com/ugd/cf385b_7a8b20a4b1874d8ea3aa2725d7700488.pdf].Known modern options for compact horn Ka-band antennas with a lens corrector, used in low-power ground equipment [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.However, antennas of this type are not suitable for use in satellite equipment - they widely use elements made of plastic that are not suitable for use in a vacuum, their design has insufficient strength to withstand starting accelerations. Nevertheless, this type of antenna is accepted by us as a prototype.
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.Separate problems are the heat sink from the components of the radio transmitting complex (in the absence of convective heat transfer in vacuum) and the protection of semiconductor components from cosmic radiation. Known solutions to these problems are based on the use of sufficiently massive metal cases for each subsystem of the radio transmitting complex (wall thickness is 2-8 mm of aluminum). However, this significantly increases the mass and dimensions of the equipment.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является высокоскоростная передача данных с борта низкоорбитального микроспутника на Землю в Ка-диапазоне.The problem solved by the claimed invention is high-speed data transmission from the low-orbit microsatellite to the Earth in the Ka-band.
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.The technical result of the claimed invention is to reduce the dimensions (up to 113 × 102 × 88 mm) and weight (up to 1 kg) of the product while maintaining high speed (up to 80 Mbit / s) and energy (EIRP up to 20 dBW) indicators of information transfer.
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.The technical result of the claimed invention is achieved due to the fact that the compact high-speed radio transmitting complex of the spacecraft, containing a quadrature modulator and encoder located in the hulls, a polarizer structurally connected to the horn antenna, an RF unit, in the casing of which is installed a highly stable reference carrier generator of purity, increasing the converter -adder, bandpass filter, solid-state power amplifier, and the cases of the quadrature modulator and encoder are fixed to the edges the side surface of the body of the RF block, a polarizer structurally combined with a horn antenna and with a matched load is mounted on the body of the RF block between the quadrature modulator and the encoder and connected to the output of the boost-amplifying circuit of the RF block by means of a waveguide, while the horn antenna is made with a lens corrector, and the polarizer is made with two inputs for the formation of left-side and right-side circular polarization, while one of the inputs is set according to bath load, which is a section of the waveguide.
В частном случае реализации заявленного изобретения усилитель мощности выполнен в виде полупроводниковой интегральной схемы СВЧ диапазона на основе псевдоморфных транзисторов с высокой подвижностью электронов.In the particular case of the implementation of the claimed invention, the power amplifier is made in the form of a semiconductor integrated circuit of the microwave range based on pseudomorphic transistors with high electron mobility.
В частном случае реализации заявленного изобретения линзовый корректор выполнен на основе полноапертурной диэлектрической линзы, обеспечивающей формирование узкой диаграммы направленности.In the particular case of the implementation of the claimed invention, the lens corrector is made on the basis of a full-aperture dielectric lens, which provides the formation of a narrow radiation pattern.
В частном случае реализации заявленного изобретения рупорная антенна выполнена открытой на внешнюю поверхность космического аппарата.In the particular case of the implementation of the claimed invention, the horn antenna is made open to the outer surface of the spacecraft.
В частном случае реализации заявленного изобретения рупорная антенна выполнена остронаправленной.In the particular case of the implementation of the claimed invention, the horn antenna is made highly directional.
В частном случае реализации заявленного изобретения комплекс выполнен с возможностью использования стандарта цифрового вещания DVB-S2.In the particular case of the implementation of the claimed invention, the complex is configured to use the digital broadcast standard DVB-S2.
В частном случае реализации заявленного изобретения кодер выполнен на основе программируемой логической интегральной схемы.In the particular case of the implementation of the claimed invention, the encoder is based on a programmable logic integrated circuit.
В частном случае реализации заявленного изобретения комплекс выполнен с возможностью работы в сантиметровом Ка-диапазоне.In the particular case of the implementation of the claimed invention, the complex is configured to work in the centimeter Ka-band.
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.The use of the centimeter range (Ka-range) with a wavelength of about 1.1 cm provides miniaturization of the high-frequency elements of the invention, such as waveguides, horn antennas, ensuring their low weight and dimensions.
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.The combination of such elements of the high-frequency path as: a highly stable master carrier frequency generator, step-up converter-adder, band-pass filter, solid-state power amplifier, into a single radio-frequency unit can significantly reduce the overall dimensions and weight of the unit and, as a result, the entire invention.
Размещение рупорной антенны и поляризатора непосредственно на выходе повышающе-усиливающей схемы радиочастотного блока позволяет миниатюризировать размер всего изобретения, а также снизить потери на тракте.Placing the horn antenna and the polarizer directly at the output of the boost-amplifying circuit of the RF block allows miniaturizing the size of the entire invention, as well as reducing path loss.
Применение миниатюрного цифрового квадратурного модулятора, а также кодера на основе ПЛИС, имеющих малую массу и габариты.The use of a miniature digital quadrature modulator, as well as an FPGA-based encoder with low weight and dimensions.
Применение миниатюрных разъемов стандарта Micro-D, обладающих малой массой и габаритом.The use of miniature Micro-D connectors, which are light in weight and small in size.
Низкое потребление передатчика обеспечивается в первую очередь за счет применения усилителя на основе транзисторов, а также не высокой выходной мощностью радиочастотного блока.The low consumption of the transmitter is ensured primarily through the use of an amplifier based on transistors, as well as the low output power of the radio frequency unit.
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.High performance EIRP of the product with a low level of output power of the RF block is achieved through the use of a highly directional horn antenna with a lens corrector that has a high gain.
Высокие скоростные показатели изобретения достигаются за счет использования стандарта цифрового вещания DVB-S2 с реализацией эффективных кодовых скоростей и квадратурной модуляции.High speed indicators of the invention are achieved through the use of the digital broadcasting standard DVB-S2 with the implementation of effective code rates and quadrature modulation.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:Details, features, and advantages of the present invention follow from the following description of embodiments of the claimed technical solution using the drawings, which show:
Фиг. 1 - Функциональная структурная схема радиопередающего комплекса.FIG. 1 - Functional structural diagram of a radio transmitting complex.
Фиг. 2 - Внешний вид радиопередающего комплекса.FIG. 2 - Appearance of a radio transmitting complex.
Фиг. 3 - Внешний вид радиочастотного блока.FIG. 3 - Appearance of the radio frequency unit.
Фиг. 4 - Функциональная схема радиочастотного блока.FIG. 4 - Functional diagram of the radio frequency unit.
Фиг. 5 - Сборка кодера, квадратурного модулятора и радиочастотного блока.FIG. 5 - Assembly of the encoder, quadrature modulator and RF block.
Фиг. 6 - Сборка поляризатора, согласованной нагрузки и рупорной антенны с линзовым корректором.FIG. 6 - Assembly of the polarizer, matched load and horn antenna with lens corrector.
Фиг. 7 - Установка поляризатора с рупорной антенной на радиочастотный блок.FIG. 7 - Installation of a polarizer with a horn antenna on the radio frequency unit.
Фиг. 8 - Рупорная антенна с линзовым корректором в разрезе.FIG. 8 - Horn antenna with a lens corrector in section.
Фиг. 9 - Сигнальное созвездие квадратурной фазовой манипуляции (QPSK)FIG. 9 - Signal constellation quadrature phase shift keying (QPSK)
На Фигурах цифрами обозначены следующие позиции:In the Figures, the numbers indicate the following positions:
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 кабель1 - encoder (modem with advanced error correction FEC), 2 - quadrature modulator board, 3 - highly stable master carrier frequency generator, 4 - boost converter-adder, 5 - microwave bandpass filter, 6 - microwave power amplifier, 7 - polarizer for creating circular polarization of the output signal; 8 - horn antenna (with lens corrector); 9 - microwave connecting waveguide; 10 - a subsystem of secondary power supply; 11 - coordinated load; 12 - RF cable
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Предлагаемая конструкция радиопередающего комплекса показана на Фиг. 2 и состоит из следующих подсистем:The proposed design of the radio transmitting complex is shown in FIG. 2 and consists of the following subsystems:
• кодер на базе ПЛИС (1); плата квадратурного модулятора (2); радиочастотный блок, включающий в себя:• FPGA-based encoder (1); quadrature modulator board (2); radio frequency unit, including:
высокостабильный задающий генератор несущей частоты; highly stable carrier frequency oscillator;
повышающий конвертер-сумматор; step-up converter-adder;
полосового фильтра СВЧ; microwave bandpass filter;
усилителя мощности СВЧ; microwave power amplifier;
блок вторичного электропитания. secondary power supply unit.
• круговой поляризатор;• circular polarizer;
• рупорная антенна с линзовым корректором;• horn antenna with lens corrector;
• соединительный волновод;• connecting waveguide;
• ВЧ кабель;• RF cable;
• согласованная нагрузка.• agreed load.
Новизна предлагаемого решения состоит в конструктивном объединении ряда подсистем, что позволяет принципиально уменьшить габариты и массу, сохранив модульную конструкцию.The novelty of the proposed solution lies in the constructive integration of a number of subsystems, which allows to fundamentally reduce the size and weight, while maintaining a modular design.
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.1. A highly stable master carrier frequency generator (3), a step-up converter-adder (4), a band-pass filter (5) and a solid-state power amplifier (6) are structurally combined into a single radio-frequency unit, due to which this unit is compact. The overall dimension of the RF block is 96 × 87 × 29 cm.
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.The 1 GHz modulated signal received at the input of the RF block via the SMA connector is fed to the input of the boost converter, where it is added to the 25.8 GHz signal generated in the reference frequency generator. The reference frequency generator is based on a temperature compensated crystal oscillator (TLCO) and ensures the stability of the output frequency of the signal within ± 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.The summed signal with a frequency of 26.8 GHz and a power of 9.7 dBm is fed to the input of a band-pass filter, where spurious frequencies are removed. At the output of the step-up converter of two signals (1 GHz and 25.8 GHz), intermodulation distortions occur that contain combinational components with frequencies that are the sum and difference of the fundamental and harmonic frequencies of the input signals. These products of intermodulation distortion interact with each other, creating an almost infinite series of frequency components. It is these intermodulation products that are cut off with a band-pass filter. The filter passband is 2% of the spectrum. Insertion loss on the filter is not more than 1.8 dB.
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).After filtering, the signal goes to the power amplifier. The amplifier is a microwave semiconductor integrated circuit (MMIC) based on pseudomorphic transistors with high electron mobility (pHEMT).
Усилители такого типа обладают высокими характеристиками усиления сигнала и выходной мощности, а также высокими показателями линейности выходного сигнала.Amplifiers of this type have high characteristics of signal amplification and output power, as well as high linearity of the output signal.
Значение коэффициента усиления усилителя мощности составляет 19.5 дБ при положении точки однодецибельной компрессии по уровню выходного сигнала 29 дБм.The gain value of the power amplifier is 19.5 dB with the position of the one-decibel compression point in terms of the output signal level of 29 dBm.
Усиленный сигнал поступает на выход радиочастотного блока с интерфейсом под волновод WR-28 с фланцем UG559/U.The amplified signal is fed to the output of an RF unit with an interface for a WR-28 waveguide with a UG559 / U flange.
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. 5.2. The boards of the quadrature modulator (2) and encoder (1), located in compact cases, are mechanically attached with screws to the body of the RF block, thereby ensuring the compactness of the entire assembly. The assembly of the encoder, quadrature modulator, and RF block is shown in FIG. 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.In the encoder (1), the data is divided into blocks in accordance with the DVB-S2 digital broadcast standard, after which FEC encoding is performed on the data. The encoded data is received from the encoder (1) via the LVDS digital channel to the DAC input of the quadrature modulator board (2). The analogue sinusoidal signals received at the output of the DAC with I and Q components are fed to an input located on the same board (2), the IQ modulator. The analog quadrature components of the I and Q signals phase-modulate the frequency of the built-in reference frequency generator, after which the modulated signal at the 1 GHz reference frequency passes through the RF cable (12) to the input of the RF block.
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.3. The polarizer (7) is structurally combined with a horn antenna (8) and a matched load (11). The horn antenna and polarizer have a threaded connection and the antenna is directly screwed into the polarizer. Due to this, compactness of this high-frequency unit is achieved. The assembly length of the polarizer and horn antenna is 84 cm. The antenna diameter is 75 cm.
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.The polarizer has two inputs for the formation of left-side and right-side circular polarization. A matched load is installed on one of the inputs for matching the high-frequency path with four screws, which is a section of the WR-28 waveguide with a UG559 / U flange.
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).4. A polarizer (7) with a horn antenna (8) is mounted directly on the radio frequency unit using four screws. The signal from the radio frequency block enters the polarizer through a connecting waveguide (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.The connecting waveguide is attached to the polarizer and the RF block with four screws on each side. The waveguide is WR-28 with flanges UG559 / U on both sides.
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.5. A correction lens is directly glued into the horn antenna to narrow the antenna pattern and thereby increase the output power flux density. Through the use of a lens corrector, the antenna radiation pattern reaches 12 ° at the level of 3 dB, and the gain is 23 dBi.
Логика функционирования радиопередающего комплекса представлена ниже.The logic of the functioning of the radio transmitting complex is presented below.
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.The data intended for sending arrives at the FPGA input of the encoder (1) via one of two interfaces: via the high-speed Gigabit Ethernet interface or through the SPI interface. The received data is sequentially stored in the built-in buffer RAM of the encoder with a capacity of 2048 MB.
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:The data received in the FPGA of the encoder is divided into data blocks (BBFRAME) in accordance with the digital broadcasting standard DVB-S2. Then these blocks arrive at the FEC encoder. FEC coding consists of two phases:
- БЧХ (Боуза - Чоудхури - Хоквингема) кодирование;- BCH (Bowza - Chowdhury - Hockingham) coding;
- LDPC (Low Density Parity Check) кодирование.- LDPC (Low Density Parity Check) encoding.
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.The radio transmission complex contains eleven DVB-S2 encoding modes, as shown in Table 1. The encoding mode can be changed by sending a digital control command via the SPI interface to the radio transmitting complex.
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.After encoding, data packets (FECFRAME) with a length of 64800 bits are converted to 64800 / ηMOD modulating symbols (ηMOD is the modulation level for QPSK = 2). Each modulating symbol is a complex vector of the format (I, Q) (where I is the phase component, Q is the quadrature component). For QPSK quadrature phase shift keying, 2 bits are used per modulating symbol. In this regard, the FECFRAME bit sequence forms QPSK modulating symbols in such a way that bits 2i and 2i + 1 form the ith QPSK symbol, where i = 0, 1, 2, ..., (N / 2) -1 and N is the size FECFRAME package. The modulation symbol set determines the type of QPSK signal constellation shown in FIG. 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.The generated sequence of modulation symbols in digital form via the LVDS channel is input to a digital-to-analog converter (DAC) of the modulator board (2). Received at the output of the DAC analog sinusoidal signals with I and Q components are fed to the input of the IQ modulator. The analog quadrature components of I and Q signals received from the DAC modulate in phase the frequency of the built-in reference frequency generator (at a speed of up to 80 Mbit / s), after which the modulated signal is fed to the input of the RF block.
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).Using the SPI interface as part of the IQ modulator, the frequency of the reference oscillator can be tuned. This allows you to apply a modulated signal with the necessary parameters to the input of the RF block. In the current scheme, the output QPSK signal has a frequency of 1000 MHz and a power of 4 dBm. The signal is fed to the input of the RF block through a high-frequency semi-flexible coaxial cable (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.The 1 GHz modulated signal received at the block input through the SMA connector goes to the input of the boost converter (4), where it is added to the 25.8 GHz signal generated in the reference frequency generator (3). The reference frequency generator is based on a temperature compensated crystal oscillator (TLCO) and ensures the stability of the output frequency of the signal within ± 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.The summed signal with a frequency of 26.8 GHz and a power of 9.7 dBm is fed to the input of a band-pass filter (5), where spurious frequencies are removed. At the output of the step-up converter of two signals (1 GHz and 25.8 GHz), intermodulation distortions occur that contain combinational components with frequencies that are the sum and difference of the fundamental and harmonic frequencies of the input signals. These products of intermodulation distortion interact with each other, creating an almost infinite series of frequency components. It is these intermodulation products that are cut off with a band-pass filter. The filter passband is 2% of the spectrum. Insertion loss on the filter is not more than 1.8 dB.
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.After filtering, the signal enters the power amplifier (6). The amplifier is a microwave semiconductor integrated circuit (MMIC) based on pseudomorphic transistors with high electron mobility (pHEMT). Amplifiers of this type have high characteristics of signal amplification and output power, as well as high linearity of the output signal. The gain value of the power amplifier is 19.5 dB with the position of the one-decibel compression point in terms of the output signal level of 29 dBm.
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.The signal received at the output of the amplifier enters the waveguide (9) of size WR-28 with an insertion loss value of less than 0.1 dB. Thus, a signal with a frequency of 26.8 GHz and a power of 27 dBm appears at the output of the RF block. The device is powered by a stabilized voltage of 8 V.
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.From the waveguide connector, the signal enters the circular polarizer (7) of the horn antenna (8). The polarizer converts the input electromagnetic wave with an arbitrary state of polarization into a circularly polarized signal, after which the antenna emits an electromagnetic wave into outer space. A lens corrector based on a full-aperture dielectric lens provides the formation of a narrow radiation pattern and increase the gain, minimizing the dimensions of the antenna. The waveguide matched load (11) is installed on the second unused input of the polarizer (providing circular left-hand polarization) to prevent the occurrence of a reflected signal that can cause interference in the transmission channel. The impedance of the waveguide load is matched to minimize signal reflection in the load. A horn antenna with a lens corrector provides a gain of 23 dBi at a given frequency of 26.8 GHz.
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.Thus, the radio transmitting complex provides a high level of EIRP equal to 50 dBm or 20 dBW, with a channel data rate of 80 Mbps, limited by the performance of the quadrature modulator.
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.The tight mechanical combination of all the cases of the subsystems of the radio transmitting complex provides small dimensions (up to 113 × 102 × 88 mm) and a mass (up to 1 kg) of the invention. In this case, the horn antenna (always open to the outer surface of the spacecraft) plays an important role as a radiator for heat removal.
Claims (12)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016123424A RU2630845C1 (en) | 2016-06-14 | 2016-06-14 | Compact high-speed radio-transmitting spacecraft complex |
PCT/RU2017/050019 WO2017217893A1 (en) | 2016-06-14 | 2017-03-28 | Compact high-speed radio transmission complex for spacecraft |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016123424A RU2630845C1 (en) | 2016-06-14 | 2016-06-14 | Compact high-speed radio-transmitting spacecraft complex |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2630845C1 true RU2630845C1 (en) | 2017-09-13 |
Family
ID=59893936
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016123424A RU2630845C1 (en) | 2016-06-14 | 2016-06-14 | Compact high-speed radio-transmitting spacecraft complex |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2630845C1 (en) |
WO (1) | WO2017217893A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2805273C1 (en) * | 2022-11-25 | 2023-10-13 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" | Installation for determination of radio protective properties of materials in the microwave range |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3184743A (en) * | 1961-03-07 | 1965-05-18 | Bell Telephone Labor Inc | Antenna structures for communication satellites |
CA2266154A1 (en) * | 1999-03-18 | 2000-09-18 | Sandor Kostya | Satellite based earth fixed cell tracking method |
EP1069648A2 (en) * | 1999-07-13 | 2001-01-17 | TRW Inc. | Multimode choked antenna feed horn |
US8477075B2 (en) * | 2009-04-30 | 2013-07-02 | Qest Quantenelektronische Systeme Gmbh | Broadband antenna system for satellite communication |
-
2016
- 2016-06-14 RU RU2016123424A patent/RU2630845C1/en not_active IP Right Cessation
-
2017
- 2017-03-28 WO PCT/RU2017/050019 patent/WO2017217893A1/en active Application Filing
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3184743A (en) * | 1961-03-07 | 1965-05-18 | Bell Telephone Labor Inc | Antenna structures for communication satellites |
CA2266154A1 (en) * | 1999-03-18 | 2000-09-18 | Sandor Kostya | Satellite based earth fixed cell tracking method |
EP1069648A2 (en) * | 1999-07-13 | 2001-01-17 | TRW Inc. | Multimode choked antenna feed horn |
US8477075B2 (en) * | 2009-04-30 | 2013-07-02 | Qest Quantenelektronische Systeme Gmbh | Broadband antenna system for satellite communication |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2805273C1 (en) * | 2022-11-25 | 2023-10-13 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" | Installation for determination of radio protective properties of materials in the microwave range |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2017217893A1 (en) | 2017-12-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2057749B1 (en) | Transceivers | |
CN110447146A (en) | Wireless communication techniques, apparatus and methods | |
Qin et al. | Parametric conversion with distributedly modulated capacitors (DMC) for low-noise and non-reciprocal RF front-ends | |
Wu et al. | A 21 km 5 Gbps real time wireless communication system at 0.14 THz | |
Li et al. | Design and implementation of an active array antenna with remote controllable radiation patterns for mobile communications | |
RU2630845C1 (en) | Compact high-speed radio-transmitting spacecraft complex | |
Paoloni et al. | Transmisson hub and terminals for point to multipoint W-Band TWEETHER system | |
EP4358400A1 (en) | Power amplifier using coupler, and electronic device comprising same | |
Dinis et al. | All-digital transmitter based antenna array with reduced hardware complexity | |
Tamura et al. | 7.5 GHz-Band Digital Beamforming Using 1-bit Direct Digital RF Transmitter with 10GbE Optical Module | |
Dyadyuk et al. | Multi-gigabit wireless communication technology in the E-band | |
Peragin et al. | X Band downlink for CubeSat | |
Shi et al. | Development of Ka-band BUC with wideband linearizer for high speed satellite communications | |
Shenoy et al. | Notebook satcom terminal technology development | |
Kobayashi et al. | UST-lite direct waveform sampling software-defined radio for spaceflight applications | |
Yüceer | Emerging technologies for communication satellite payloads | |
İçöz et al. | Communication subsystem of RASAT | |
LaBelle et al. | Uplink and downlink electronics upgrades for the NASA deep space network aperture enhancement (DAE) project | |
Suematsu | Direct digital RF transceiver technology for millimeter-wave DBF systems | |
Kegege et al. | Advances in Ka-band Communication System for CubeSats and SmallSats | |
Clayhills | Design of a transceiver front-end for the foresail-2 small satellite | |
Orecchini et al. | Low-noise ku-band receiver frontend with switchable siw filters for cubesat applications | |
JP7571327B1 (en) | Signal separation circuit, transmission/reception circuit, and radio device | |
CN218416382U (en) | Broadband satellite signal receiving and transmitting device | |
US11979176B2 (en) | Configurable modem architecture for satellite communications |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190615 |