Передатчики систем радиорелейной и космической связи
Радиорелейная и космическая связь (РРЛ и КС) являются составной частью единой системы магистральной связи страны наряду с проводными и кабельными системами. Характерной особенностью РРЛ и КС является уплотнение одного радиоканала большим числом независимых информационных сигналов, передаваемых с помощью одного передатчика. При этом могут использоваться аналоговые и цифровые методы передачи информации.
В случае аналговых методов, сформированный многоканальный (групповой) сигнал (ГС) с частотным разделением каналов модулирует несущую передатчика по частоте. В цифровых малоканальных передатчиках используют М- позиционную ОФМ, или КАМ. При большем числе каналов (до 120) используется временное уплотнение информационных каналов и различные виды импульсной модуляции: амплитудно-импульсная (АИМ), импульсно-кодовая (ИКМ), фазо-импульсная (ФИМ), и т.п. Используется и цифро-аналоговые системы, в которых каждый телефонный канал подвергается вторичному уплотнению цифровыми каналами.
Для систем радиорелейной связи Государственной комиссией по
радиочастотам (ГКРЧ) отведены диапазоны частот представленные в Таблице 12.1 [22]
Таблица 12.1
| № | Наименование диапазона частот | Полоса частот (МГц) |
| 0,06 ГГц | 60 – 70 | |
| 0,16 ГГц | 150,0625 – 150,4875 165,0626 – 165,4875 | |
| 0,4 ГГц | 394 – 410; 434 -450 | |
| 2 ГГц | 1427 – 1530; 2300 – 2700 | |
| 4 ГГц | 3400 – 4200 | |
| 5 ГГц | 4400 – 5000 | |
| 6 ГГц | 5670 – 6425; 6700 – 7100 | |
| 7 ГГц | 6425 – 7110; 7250 – 7550 | |
| 8 ГГц | 7900 – 8400 | |
| 10 ГГц | 10380 – 10680 | |
| 11 ГГц | 10700 – 11700 | |
| 13 ГГц | 12750 – 13250 | |
| 15 ГГц | 14500 – 15350 | |
| 18 ГГц | 17700 – 19700 | |
| 23 ГГц | 21200 – 23600 | |
| 25 ГГц | 24250 – 25250 | |
| 26 ГГц | 24250 – 27500 | |
| 28 ГГц | 27500 – 29500 | |
| 31 ГГц | 31000 – 31300 | |
| 37 ГГц | 36000 – 37000 | |
| 38 ГГц | 37000 – 39500 | |
| 40 ГГц | 39500 – 40500 | |
| 52 ГГц | 51400 – 52600 | |
| 57 ГГц | 54250 – 59000 |
Согласно [22], эффективная мощность сигнала одного ствола передатчика не должна превышать 44 дБм (25 Вт). Относительная нестабильность частоты несущей ± 1,5∙10-5.
При частотной модуляции ГС с числом каналов 12 ÷ 2700 полоса излучаемых частот должна соответствовать таблице 12.2 с допуском +20%.
Таблица 12.2
| Число телефонных каналов в ГС | Полоса ГС (кГц) | Эффективная девиация на канал (кГц) | Полоса излучаемого сигнала (кГц) |
| 12 – 60 | 35 – 100 | 150 – 425 | |
| 12 – 252 | 35 – 100 | 205 – 570 | |
| 60 – 300 | 50 – 200 | 475 – 1350 | |
| 12 – 552 | 50 – 200 | 685 – 1750 | |
| 60 – 1300 | |||
| 60 – 2540 | |||
| 312 – 3340 | |||
| 60 – 4028 | |||
| 312 – 4636 | 140 – 200 | 12120 – 14000 | |
| 60 – 5636 | 140 – 200 | 13750 – 16260 | |
| 312 – 5932 | |||
| 312 – 8204 | |||
| 312 – 8524 | |||
| 312 – 12388 |
Для спутниковой радиосвязи международным Регламентом радиосвязи выделены определенные диапазоны частот, которые в технической литературе обозначаются буквенными символами (литерами), заимствованными из радиолокации (заметим, что распределение диапазонов частот по литерам в разных источниках выдерживается не всегда строго).
В таблице 12.3 [ 23 ] приведены полосы частот в литерных диапазонах, отведённых для спутниковой связи и вещания.
Таблица 12.3
| Условные обозначение диапазонов частот | ||
| Наименование диапазона | Полосы частот | |
| L –диапазон | 1452-1550 МГц и 1610-1710 МГц | |
| S – диапазон | 1930 – 2700 МГц | |
| C – диапазон | 3400 -5250 МГц и 5725 – 7075 МГц | |
| X – диапазон | 7250 – 8400 МГц | |
| Ku – диапазон | 10,70 - 12,75 ГГц и 12,75 - 14,80 ГГц | |
| Ka – диапазон | 15,40 - 26,50 ГГц и 27,00 - 30,20 ГГц | |
| K – диапазон | 84,0 - 86,0 ГГц | |
Большинство действующих геостационарных спутниковых систем работают в диапазонах С (4/6ГГц) и Κu(11/14ГГц). Диапазон Ка(20/30ГГц) в России пока практически не используется, но в Европе и Америке он осваивается достаточно быстро. Дело в том, что эффективность антенн пропорциональна числу длин волн, укладывающихся в ее поперечнике. И, поскольку, с ростом частоты длина волны уменьшается, размеры антенн при одинаковой эффективности уменьшаются с увеличением частоты. Если для приема в диапазоне С требуется антенна 2,4 - 4,5 м, то для диапазона Ku ее размер уменьшится до 0,6 - 1,5 м, для диапазона Ка он может быть уже 30 - 90 см, а для К- диапазона - всего 10 - 15 см. При одинаковых размерах антенн, в более высокочастотных диапазонах возрастает коэффициент усиления и соответственно может быть уменьшена мощность передатчика при одинаковом качестве приёма. Диапазон К относится к перспективным и повидимому будет осваиваться в ближайшем будущем.
12.1 Структурные схемы радиостанций РРЛ и КС
Согласно таблице 12.2 в аналоговых станциях РРЛ необходимо обеспечить глубокую частотную модуляцию с девиацией до 200 кГц на канал. Поэтому в передатчиках РРЛ используются исключительно прямые методы ЧМ. Чтобы обеспечить при этом высокую стабильность несущей частоты, используют методы автоподстройки ГПД по частоте опорного кварцевого генератора (см. п.п. 5.7.3), или метод интерполяции. Последний заключается в смешении частот двух генераторов с последующим выделением одной из полученных комбинационных частот в качестве несущего колебания. Метод интерполяции иллюстрируется рисунком 12.1
Рисунок 12.1 – Структурная схема интерполяционного метода
формирования сигнала в оконечной станции РРЛ
В генераторе плавного диапазона (ГПД) на промежуточной частоте fПЧ осуществляется частотная модуляция групповым сигналом (ГС). Частота f1 получается путём многократного умножения частоты опороного кварцевого генератора f0, так, чтобы выполнялось условие
f1 >> fПЧ. (12.1)
В этом случае относительная нестабильность выходной частоты, с учётом (12.1), определится следующим выражением
(12.2)
Таким образом, при условии (12.1), нестабильность выходной частоты передатчика определяется нестабильностью опорного генератора и практически не зависит от нестабильности ГПД. В зависимости от рабочего диапазона РРЛ, промежуточная частота fПЧ может принимать значения 35, 70 или 140 МГц.
Отметим некоторые особенности построения гетеродина передатчика (опорный генератор + умножители частоты). При работе РРЛ в сантиметровом диапазоне волн, кратность умножения может составить десятки или даже сотни раз. Как правило, в схемах гетеродинов используются транзисторные умножители с кратностью 2 ÷ 3 на одну ступень. Поскольку в режиме умножения частоты ГВВ требует значительной мощности возбуждения, умножительные ступени чередуются с усилительными каскадами, а в выходных ступенях приходится использовать варакторные умножители (см. рисунок 12.3).
Рисунок 12.3 – Структурная схема гетеродина
Кратности умножения в одной ступени более 3 обычноне используются, из-за появления паразитной амплитудной модуляции. Эту особенность поясняет рисунок 12.4.Амплитудная модуляция (АМ) возникает вследствие того, что за период возбуждения транзисторного умножителя амплитуда коллекторного напряжения успевает затухать, и такое затухание тем значительнее, чем выше кратность умножения.
Рисунок 12.4 – Диаграммы тока и напряжения в коллекторной цепи
умножителя при высокой кратности умножения
При малой кратности умножения в одной ступени, глубина паразитной АМ невелика, а спектральные составляющие, ею вызванные, расположены достаточно далеко от основного колебания, и могут быть существенно ослаблены с помощью полосового фильтра.
В тракте гетеродина может включаться фазовый модулятор (ФМ), с помощью которого, при малом индексе модуляции, между станциями РРЛ обеспечивается служебная связь (uc).
В выходных ступенях гетеродина и передатчика, когда длина соединительных проводников становится сравнимой с длиной волны, для защиты активных элементов умножителей и усилителей от перегрузки, приходится включать ферритовые вентили для поглощения отраженных волн, или циркуляторы, которые направляют отраженные волны в балластную нагрузку.
Конструкция одного из вариантов ферритового циркулятора в полосковом исполнении представлена на риснке 12.5 [1]. Слева на этом же рисунке показана топология металлизации, которая наносится методом напыления на изолирующую подложку и ферритовый диск. Ферритовый диск помещается между постоянными магнитами, от расположения полюсов которых зависит направление передачи энергии (по часовой стрелке, или против).
Если в области вывода 3 на подложку напылить угольный резистор, циркулятор превращается в ферритовый вентиль.
Рисунок 12.5 - Ферритовый циркулятор
К частотным модуляторам передатчиков РРЛ и КС также предъявляются повышенные требования, что обусловлено необходимостью получения линейной модуляции промежуточной частоты (fПЧ) широкополосным групповым сигналом при очень большом значении девиации частоты (см. табл. 12.2). Решить такую задачу на промежуточной частоте методами, рассмотренными ранее (п.п. 9.3.1), практически невозможно, поэтому применяют более сложные схемы с использованием двух автогенераторов работающих на частотах в несколько раз выше промежуточной. Структурная схема такого модулятора представлена на рисунке 12.6.
Рисунок 12.6 – Частотный модулятор
Частоты f1, f2 выбираются следующим образом:
f1 >> fПЧ, f2 >> fПЧ, f2 - f1= fПЧ
Модуляция генераторов (ГПД) осуществляется групповым сигналом в противофазе, так, что при увеличении частоты одного генератора частота второго пропорционально уменьшается. В каждом генераторе отношение девиации частоты к несущей частоте (f2 или f1) сравнительно не велико, поэтому линейность модуляции обеспечивается достаточно просто. После смесителя и фильтра, выделяющего разностную частоту, на выходе частотного модулятора получается промежуточная частота с удвоенным значением девиации.
Смесители, используемые на частотах, отведенных для радиорелейной связи, обычно выполняются с использованием нелинейных ёмкостей, в качестве которых используются р-n переходы специальных диодов - варакторов. Требования к параметрам смесительных диодов полностью аналогичны требованиям, которые предъявляются к умножительным диодам (см. п.п. 3.15.2).
На практике в схеме на рисунке 12.1 могут быть использованы смесители двух основных типов: проходного и отражающего [7]. При этом под коэффициентом передачи смесителя по мощности понимается отношение выходной мощности к мощности гетеродина. Упрощенная структурная схема одного из вариантов проходного смесителя представлена на рисунке 12.7. Здесь же представлена конструкция смесительной камеры на варакторных диодах.
Рисунок 12.7 – Смеситель проходного типа
Сигнал от гетеродина поступает на вход циркулятора 1 и далее через подстраиваемую волноводную секцию W1 и циркулятор 2 в смесительную камеру, в которой размещаются два встречно включенных варактора. Сюда же через ФНЧ подаётся сигнал промежуточной частоты, промодулированный ГС. Коаксиальные резонаторы W2, W3 и объёмный резонатор W4 настраиваются так, что после смешения разностная частота подавляется, а суммарная (fГЕТ +fПЧ) через циркулятор и полосовой фильтр поступает на выход смесителя. Остатки подавляемой разностной частоты и другие побочные частоты отражаются от полосового фильтра и через циркулятор 2, секцию и циркулятор 1 поступают в балластную нагрузку RБ, где и поглощаются. Волноводная секция W1, настраиваемая с помощью подстроечных штифтов, обеспечивает согласование гетеродина со смесителем.
К достоинствам проходного смесителя следует отнести относительно высокий к.п.д. (энергия гетеродина не затрачивается на генерацию разностной частоты). Основной недостаток – сложность настройки колебательной системы, состоящей из резонаторов W2, W3, W4 и секции W1.
Схема смесителя отражающего типа представлена на рисунке 12.8. Здесь сигнал гетеродина через циркулятор 1 поступает в смесительную камеру, где смешивается с промежуточной частотой. Колебания суммарной и разностной частоты через циркуляторы 1 и 2 проходят к полосовому фильтру, настроенному на пропускание суммарной частоты. Все остальные частоты от полосового фильтра отражаются и через циркулятор 2 поступают в балластную нагрузку.
Рисунок 12.8 – Смеситель отражающего типа
Поскольку функция подавления частот, отличающихся от рабочей, возложена на полосовой фильтр, такой смеситель проще в настройке, обеспечивает равномерную амплитудно-частотную характеристику, но имеет относительнол низкий к.п.д (по сравнению с проходным смесителем).