Análisis de un conjunto de alimentación de antenas duales con polarización lineal para comunicaciones por satélite

Este artículo presenta un conjunto de alimentación de antenas con polarización lineal dual para comunicaciones por satélite en banda Ku. La matriz de alimentación se puede utilizar para antenas de comunicaciones por satélite de superficie reflectante simple o doble para lograr escaneo y seguimiento de satélites de comunicaciones con haz de electrones de alta velocidad, alta precisión y ángulo pequeño, lo que reduce los requisitos de la antena satelital en cuanto a precisión de la servoestructura mecánica y seguimiento dinámico. , Reduzca así en gran medida el costo del servosistema y amplíe la aplicación de antenas satelitales móviles en el campo civil.

Palabras clave: conjunto de alimentación; antena microstrip

1 Introducción

El sistema de antena de comunicación satélite-tierra satisface las necesidades de los usuarios para transmitir satélites durante movimientos dinámicos La demanda de información de datos de banda ancha permite a los operadores de telefonía móvil, como automóviles, barcos y aviones, rastrear satélites en tiempo real y transmitir continuamente voz, datos, imágenes y otra información [1][2]. Actualmente, las antenas de comunicaciones móviles utilizan principalmente la banda de frecuencia Ku para comunicarse con satélites de órbita fija [3], que necesitan cubrir bandas de frecuencia de enlace ascendente y descendente. La banda de frecuencia de enlace ascendente es de 13,75 a 14,5 GHz y la banda de frecuencia de enlace descendente es de 10,95 a 10,95 GHz. 11,75GHz y 18. Para garantizar una comunicación fluida entre los satélites y los equipos móviles terrestres, las antenas de comunicaciones móviles deben apuntar a los satélites de comunicaciones en tiempo real. Al mismo tiempo, para evitar interferencias con los satélites adyacentes cuando la antena está transmitiendo, el error de seguimiento del móvil en movimiento. El equipo debe ser inferior a 0,1, y la alimentación también debe girarse y rastrearse, el aislamiento de polarización de transmisión y recepción debe ser superior a 30 dB [4] [5]. Muchas empresas nacionales y extranjeras han lanzado productos de antenas para comunicaciones móviles, como la antena multichip de la empresa israelí RaySat y el producto IMVS450M de la empresa estadounidense TracStar [6]. Para cumplir con los requisitos de seguimiento y alineación de satélites en tiempo real y de alta precisión mediante antenas, todas las antenas de comunicaciones móviles mencionadas anteriormente incluyen sistemas de seguimiento automático. En el estado estacionario inicial, se utilizan GPS, teodolito y sistema de navegación inercial con correas para medir el ángulo de rumbo, la longitud y latitud de la posición del portaaviones y el ángulo inicial con respecto al plano horizontal, y luego determinan automáticamente el ángulo de elevación de la antena en función de el plano horizontal en función de su actitud, ubicación geográfica y longitud del satélite. Al girar el ángulo de acimut mientras se mantiene el ángulo de elevación y el plano horizontal sin cambios, el satélite se alinea automáticamente con la señal máxima. Durante el movimiento del portador, los cambios en la actitud del portador se miden y se convierten en el ángulo de error de la antena mediante operaciones matemáticas. El ángulo de azimut, el ángulo de paso y el ángulo de polarización de la antena se ajustan a través del servomecanismo para garantizar. que la antena esté dentro del rango especificado durante el cambio de portadora. La antena transmisora ​​del satélite rastrea al satélite geoestacionario en tiempo real durante el movimiento de la portadora. Los servosistemas de alta precisión siempre han sido una parte clave de los sistemas tradicionales de antenas de comunicaciones móviles. Por lo general, los servosistemas de alta precisión tienen un alto costo debido al gran diámetro de la antena móvil (generalmente alrededor de 0,8 ~ 1,2 m) y su gran peso. El costo actual de los servosistemas de alta precisión utilizados en las antenas de comunicaciones móviles es de decenas de miles o incluso cientos de miles, lo que representa una gran parte del costo de todo el sistema de antenas de comunicaciones móviles, lo que limita la amplia aplicación de las antenas satelitales de comunicaciones móviles. en el ámbito civil [5].

2 Conjunto de alimentación de antena con polarización lineal dual

Para superar las deficiencias de los servosistemas de seguimiento de antena existentes en las comunicaciones móviles, como la alta precisión y el alto costo, se utiliza una matriz de alimentación de antena con polarización lineal dual. Se desarrolló un conjunto de alimentación de antena que se puede aplicar a antenas de comunicación por satélite Cassegrain o de reflexión única y se combina con la tecnología de formación de haz digital (DBF) de back-end para lograr el seguimiento de fusión electromecánica del sistema de antena. Finalmente, mediante la combinación de "seguimiento mecánico de baja precisión de gran ángulo" y "seguimiento preciso DBF multicanal de ángulo pequeño", el sistema de antena puede lograr un seguimiento y alineación de satélites de alta precisión, reduciendo los requisitos de precisión para el servo. sistema, reduciendo así el coste del servosistema. Este conjunto de alimentación es una estructura centrosimétrica, con el centro del conjunto ubicado en el foco del reflector único o antena Cassegrain. Al alimentar diferentes elementos del conjunto, la antena irradiará haces de alta ganancia en diferentes direcciones. En este momento, combinado con la tecnología DBF de alta precisión en la parte posterior, se puede lograr un control de orientación del haz de alta precisión dentro de un rango de ángulo pequeño. El conjunto de alimentación adopta la forma de una antena Fabry-Perot basada en una placa de circuito impreso de microcinta. La matriz consta de tres capas, donde la capa inferior es un reflector de microcinta con piso de metal, la capa intermedia es una estructura de antena en forma de microcinta y la capa superior es una placa dieléctrica pura que mejora la directividad.

2.1 Estructura inferior

La capa inferior del conjunto de alimentación es una placa dieléctrica con cobre adherido a un lado y ocho orificios de alimentación. Los pilares de cobre hueco y SSMA están soldados al tablero dieléctrico subyacente a través de orificios de alimentación. El puerto de alimentación de la antena transmisora ​​y el puerto de alimentación de la antena receptora tienen cada uno cuatro orificios de alimentación. La Figura 2 es un diagrama esquemático de la estructura de la placa de circuito inferior.

2.2 Estructura superior

La placa dieléctrica superior es una placa dieléctrica que está completamente grabada del laminado revestido de cobre que conforma la superestructura "Fabry-Perot". La Figura 3 es un diagrama esquemático de la estructura de la placa de circuito superior.

2.3 Estructura de la capa intermedia

La antena transmisora, la antena receptora y sus alimentadores adjuntos están grabados en ambos lados de la placa de circuito de la capa intermedia para facilitar la soldadura, las almohadillas están colocadas. un lado. Para aislar la influencia de las ondas superficiales en el patrón de la antena, el conjunto de antenas está dividido por tiras metálicas en forma de rejilla. Hay tiras metálicas en ambos lados de la placa de circuito y están conectadas entre sí a través de orificios pasantes metalizados. La Figura 4 es un diagrama estructural esquemático de la placa de circuito de capa intermedia. La unidad de matriz de microcinta en la placa de circuito de la capa intermedia utiliza un par de dipolos metálicos cruzados para implementar las funciones de recepción/transmisión respectivamente. Dos dipolos metálicos están impresos en los lados frontal y posterior del tablero dieléctrico de microcinta de capa intermedia, que funcionan respectivamente en las bandas de frecuencia de recepción/transmisión (enlace descendente/enlace ascendente). La estructura de dipolo cruzado puede corresponder a los dos componentes ortogonales necesarios para lograr la recepción/enlace ascendente. Transmisión de polarización lineal. La unidad de matriz utiliza una alimentación inferior coaxial, en la que los dos brazos del dipolo están conectados al núcleo interior y a la pared exterior de la interfaz coaxial a través de un cable delgado impreso. El cable delgado se usa aquí para reducir el impacto de la estructura de alimentación. en el receptor y el transmisor. Para reducir aún más el impacto de la estructura de alimentación en el aislamiento del extremo del transceptor, se utiliza una línea delgada impresa en el diseño para conectar las dos estructuras dipolo en la misma posición, y se utilizan medios de cancelación apropiados según su longitud. espesor y otros parámetros para lograr el aislamiento del extremo del transceptor. Al introducir un círculo denso de estructuras metalizadas con orificios pasantes alrededor de las unidades del conjunto y diseñar estructuras metálicas adicionales en la placa de circuito para aislar las ondas superficiales en el medio, se reduce el acoplamiento mutuo entre las unidades del conjunto.

2.4 Montaje del conjunto de alimentación

La placa de circuito de tres capas del conjunto de alimentación se fija mediante varios pernos de nailon. La figura 5 es un diagrama esquemático de la descomposición tridimensional y el montaje general del conjunto de alimentación. En la estructura del conjunto de alimentación, la frecuencia de funcionamiento de la antena se puede ajustar ajustando la longitud del brazo del dipolo metálico. Al ajustar la distancia entre el sustrato dieléctrico superior y la placa de circuito central, la ganancia de radiación se puede ajustar fácilmente para cumplir con los requisitos de diferentes tamaños de reflector y distancias focales.

3 Resultados de simulación y medición

Los puertos 1, 3, 5 y 7 del conjunto de alimentación son puertos de recepción, y los puertos 2, 4, 6 y 8 son puertos de transmisión. La Figura 6 es un diagrama de los resultados de la simulación y la prueba de la pérdida de retorno del conjunto de alimentación. Como se puede ver en la Figura 6, los ecos del puerto receptor y del puerto transmisor son inferiores a -12,25-12,75 GHz y 13,75-14,5 GHz respectivamente, logrando una buena coincidencia. La Figura 7 es el patrón de recepción simulado y medido del conjunto de alimentación a la frecuencia operativa de 12,5 GHz. En la Figura 7 se puede ver que cuando se opera a 12,5 GHz, la ganancia de la antena en la dirección cenital es de 15 dB y el lóbulo lateral es. 10 dB más bajo que el lóbulo principal (simulación)/18 dB (medición real). La Figura 8 es el patrón de emisión simulado y medido del conjunto de alimentación a una frecuencia operativa de 14,1 GHz. Como se puede ver en la Figura 8, cuando se opera a 14,1 GHz, la ganancia en la dirección cenital de la antena es de 15 dB y el lóbulo lateral es 11 dB (simulación)/10 dB (medición real) menor que el lóbulo principal.

4 Conclusión

La matriz de alimentación adopta una estructura de placa de circuito impreso de microcinta, que es simple y compacta, tiene tecnología madura, procesamiento simple, bajo costo y es adecuada para la producción en masa. En comparación con los puertos de guía de ondas tradicionales, las bocinas de guía de ondas y otras estructuras de alimentación, se pueden implementar múltiples unidades y múltiples canales de recepción/transmisión en un área más pequeña, lo que favorece un control de orientación del haz de mayor precisión. Al mismo tiempo, la tecnología de cancelación utilizada en el conjunto de alimentación puede lograr un aislamiento de 30 dB entre los canales de recepción/transmisión en la misma posición en el extremo de la estructura de la antena, lo que reduce la presión sobre los dispositivos finales. Desde la perspectiva de la aplicación práctica, el conjunto de antenas coopera con el reflector principal para lograr un escaneo y seguimiento de haces de electrones de ángulo pequeño, alta velocidad y alta precisión de satélites de comunicaciones en banda Ku a través de antenas satelitales de comunicaciones móviles. El uso de esta tecnología reduce en gran medida los requisitos de la antena en cuanto a precisión del servosistema y velocidad de respuesta dinámica. El costo del servosistema se reduce en un orden de magnitud, lo que ayuda a promover la aplicación a gran escala de antenas de satélite en el espacio-tierra. Comunicaciones integradas.

Referencia

[1]Xu. La innovación lidera el desarrollo sostenible de aplicaciones a gran escala: sobre la nueva tendencia de desarrollo de antenas Zhongtong [J]. Satélites y Redes, 2013, 09: 39-40.

[2]LouisJ J., IppolitoJr. Traducido por Sun Baosheng. Ingeniería de sistemas de comunicación por satélite[M]. Beijing: Prensa de la Industria de Defensa Nacional, 2012, 3.

[3]MiuraA. , Yamamoto, Huan Bangli, etc.

[2] Liu Jianhua, Liu Jianmin, et al. Tecnología de medición experimental de comunicaciones por satélite [J] Transactions of Electronic Engineering, 2002, 19(2).

Liu Changhua. Investigación sobre tecnología de seguimiento de antenas de sistemas de comunicaciones por satélite de operadores móviles [tesis de maestría]. Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de Xi'an, 2009, 3-4.

Tang Ming. Diseño de servosistema de movimiento [J]. Modern Radar, 2003, 25 (4): 51-54.

Wang Hongwu y Ruan Xiaogang. Aplicación de la tecnología y los productos de antenas satelitales de China Mobile [J]. Satellite and Network, 2006, 3: 34-37.

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