تطبيقات مرشحات الترددات الراديوية في الأقمار الصناعية المدارية المنخفضة

تُغيِّر أقمار الاتصالات المدارية المنخفضة (LEO) طريقة تقديم خدمات النطاق العريض والملاحة والمسح الاستكشافي عن بُعد وإنترنت الأشياء (IoT). وبالمقارنة مع الأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة للأرض، فإن مركبات LEO تحلِّق على مقربةٍ كبيرةٍ من سطح الأرض، ما يقلل من طول ارتباط الإشارة ويجعل إنشاء تشكيلات ضخمة من الأقمار الصناعية أمراً عملياً لتغطية عالمية. لكن هذه البنية التحتية تخلق في المقابل بيئةً راديويةً تتسم بالتعقيد والتشويش. فقمر LEO يتحرك بسرعةٍ عاليةٍ عبر السماء، ويُحوِّل حركة المرور من شعاعٍ إلى آخر، ويعمل بالقرب من مركبات فضائية أخرى وشبكات أرضية، ويجب أن يُراعي بدقةٍ كل غرامٍ من وزنه وكل واطٍ من طاقته وكل سنتيمترٍ مكعبٍ من حجمه. وفي هذه البيئة، لا يُعتبر مرشح الترددات الراديوية (RF filter) جزءاً داعماً صغيراً؛ بل هو أحد الأجهزة الأساسية التي تحافظ على جودة الإشارة من الهوائي وحتى وحدة التعديل والتحوير (modem).

يختار مرشح الترددات الراديوية النطاق الترددي المفيد ويرفض الطاقة غير المرغوب فيها خارج هذا النطاق. وفي رابط الاتصالات الساتلية، تستقبل الهوائي إشارات أكثر من الإشارة المرغوبة فقط. فقد تلتقط أيضًا إصدارات القنوات المجاورة، والتوافقيات الناتجة عن الإلكترونيات الموجودة على متن الساتل، والتسريبات من مسارات الإرسال، والتداخل الناتج عن شبكات الجيل الخامس (5G) وشبكات الواي فاي (Wi-Fi) قرب المحطات الأرضية، والضوضاء القادمة من أنظمة الطاقة. وبغياب الترشيح المناسب، يمكن لهذه الإشارات غير المرغوب فيها أن تقلل من حساسية المستقبل، أو تُحدث توليفًا تداخليًّا المنتجات ، أو حتى تُحمّل مراحل المضخِّمات ذات الضوضاء المنخفضة بشكل زائد. أما في شبكات الأقمار الصناعية في المدار المنخفض حول الأرض (LEO)، حيث يعتمد التغطية والنقل والموثوقية أثناء التبديل بين الأقمار على أداء الترددات الراديوية المستقر، فإن المرشح يؤثر مباشرةً على جودة الخدمة.

لماذا تحتاج واجهات الترددات الراديوية للأقمار الصناعية في المدار المنخفض حول الأرض (LEO) إلى ترشيحٍ أفضل

عادةً ما تعمل الأقمار الصناعية من الجيل الجديد (LEO) ومحطاتها الطرفية بموازنات رابطة ضيقة. ويمكن أن يؤدي كل ديسيبل من فقدان الإدخال قبل المضخم المنخفض الضوضاء الأول إلى تقليل الحساسية الفعالة للمستقبل. وفي الوقت نفسه، قد تسمح قدرة الرفض غير الكافية خارج النطاق للإشارات غير المرغوب فيها القوية بالدخول إلى سلسلة الاستقبال. ولذلك فإن الهدف من التصميم هو تحقيق توازن دقيق: انخفاض فقدان الإدخال في النطاق المسموح، ورفض حاد خارج النطاق المسموح، واستقرار تردد المركز، وصغر الحجم، وأداءٌ قابل للتكرار عبر نطاق درجات الحرارة.

هذا هو المكان الذي تكتسب فيه مرشحات السيراميك العازلة للميكروويف، والمرشحات LC، ومرشحات التجويف، والمُزدوجات (Duplexers) أهميةً بالغة. وتتركّز شركة جياشينغ رويشانغ لتكنولوجيا الإلكترونيات المحدودة على مكونات السيراميك للميكروويف، بما في ذلك المرشحات السيراميكية، والمُزدوجات، والمرشحات LC، ومرشحات التجويف، والهوائيات السيراميكية، وهوائيات تحديد المواقع بنظام GNSS. ويغطي نطاق تردّد منتجاتها ما بين التيار المستمر وحتى ٣٠ جيجاهرتز، وتقدّم الشركة تصاميم مخصصة لدوائر الترددات الراديوية (RF)، والطائرات المُسيَّرة (UAVs)، وأنظمة الرادار، والتدابير الإلكترونية المضادة، وأنظمة الملاحة، ومكبّرات الإشارات، والمسوحات الجغرافية، وتطبيقات الترددات الراديوية ذات الصلة. وتتماشى هذه القدرات مع المتطلبات الخاصة بالمكونات على مستوى القطع في محطات الاتصالات عبر الأقمار الصناعية، والمحطات الأرضية، وأجهزة استقبال أنظمة الملاحة، وأنظمة دعم الحمولات الراديوية (RF payload support systems).

مرشحات السيراميك العازلة للميكروويف للحمولات المدمجة

تستخدم مرشحات السيراميك العازلة للميكروويف مواد سيراميكية ذات ثابت عزل كهربائي عالٍ، ومنخفضة الفقد، ومستقرة حراريًّا كعناصر رنين. وتتمثّل ميزة هذه المرشحات الرئيسية في تصغير الحجم: إذ يؤدي ارتفاع ثابت العزل الكهربائي إلى تقصير الطول الموجي الكهرومغناطيسي داخل المادة، ما يسمح بتصميم هياكل رنين أصغر حجمًا مقارنةً بالعديد من التصاميم التقليدية التي تعتمد على تجاويف هوائية. وفي حالة الأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض (LEO)، حيث تكون مساحة الحمولة والكتلة محدودتين، فإن هذا الانضغاط في الحجم يُعدّ ميزة قيّمة. وبذلك، يمكن لمرشح أصغر حجمًا أن يدعم دمجًا أكثر كثافةً للواجهة الأمامية الراديوية (RF)، أو زيادة عدد القنوات في الحمولة، أو تصميم طرف مستخدم أكثر انضغاطًا.

تتميز سلسلة مرشحات السيراميك الميكروويفية العازلة من شركة RSWave بحجم أصغر ووزن أخف واستقرار حراري ممتاز، ومدى ترددي يتراوح بين ٤٠٠ ميغاهيرتز و٧٠٠٠ ميغاهيرتز، مع إمكانية التخصيص ودعم التصميم القائم على المحاكاة. وتشمل جدول المنتج أيضًا مراجع لأنظمة تحديد المواقع العالمية (GPS) ونظام الملاحة الصيني (BDS)، والاتصالات طويلة المدى (LTE)، وشبكات الجيل الخامس (5G)، والاتصالات عريضة النطاق، والاتصالات عبر الأقمار الصناعية، ومنها مثال على اتصالات الأقمار الصناعية (SAT-COMM) ضيقة النطاق عند تردد ٧٢٠٠ ميغاهيرتز. وفي تطبيقات المدار الأرضي المنخفض (LEO)، يمكن النظر في استخدام هذه المرشحات في نطاقات S وC، وأطياف الملاحة ذات الصلة، وكذلك في قنوات مخصصة دون ٧ غيغاهيرتز أو قريبة من ٧ غيغاهيرتز، وذلك حسب مواصفات النظام الكامل.

تُعَدُّ استقرار درجة الحرارة أمراً بالغ الأهمية. فتتعرَّض الأقمار الصناعية في المدار المنخفض حول الأرض (LEO) لتقلبات حرارية متكرِّرة أثناء انتقالها بين ضوء الشمس والظل، في حين تواجه المحطات الأرضية الخارجية تقلبات حرارية موسمية ويومية. وإذا انحرفت ترددات الرنين الخاصة بالمرشح بعيداً جداً، فقد ينتقل نطاق التمرير عن القناة المخصصة، ما يؤدي إلى فقدان الإشارة المرغوبة أو ضعف قدرة المرشح على رفض الطاقة القادمة من القنوات المجاورة. وتساعد المواد الخزفية المستقرة حرارياً في الحفاظ على سلوك إشارات التردد اللاسلكي (RF) المتوقَّع في ظل هذه الظروف التشغيلية.

المرشحات LC والمرشحات التجويفية في المحطات الأرضية والأبواب الإلكترونية للأقمار الصناعية في المدار المنخفض حول الأرض (LEO)

تتطلب أنظمة المدار الأرضي المنخفض (LEO) المختلفة هياكل مرشحات مختلفة. وتُستخدم مرشحات التردد اللاسلكي (RF) من النوع LC، التي تُصنع من المحاثات والمكثفات، عادةً في الحالات التي تكون فيها الصغر في الحجم وكفاءة التكلفة ومرونة التكامل أمورًا بالغة الأهمية. ويمكن تصميمها على شكل مرشحات تمرير منخفض، أو تمرير عالٍ، أو تمرير نطاق، أو منع نطاق. وقد تُستخدم مرشحات LC في لوحة التردد اللاسلكي الخاصة بالمحطة الطرفية أو البوابة لحذف التوافقيات الناتجة بعد تحويل التردد، أو قمع الإشعاعات غير المرغوب فيها، أو توفير اختيار قناة التردد الوسيط.

تلعب المرشحات الجوفية دورًا آخر. وبما أنها تستخدم تجاويف رنين معدنية ورنانات عالية العامل الجودة (Q)، فإنها تستطيع تحقيق رفض قوي للترددات الخارجة عن النطاق، وفقدان إدخال منخفض، وقدرة جيدة على التعامل مع القدرة. وهذا يجعلها مناسبةً للبوابات، والمحطات الطرفية عالية القدرة في مجال التردد اللاسلكي، وروابط الرادار، والبنية التحتية الأرضية، حيث يُعطى الأداء أولويةً أكبر من الحصول على أصغر مساحة ممكنة. شركة RSWave للتردد اللاسلكي مرشح LC وتغطي سلسلة منتجات مرشحات التجويف الترددات من التيار المستمر حتى 30 جيجاهرتز، وتدعم أشكالًا مدمجة مثل الخيارات المثبتة على السطح والمثبَّتة عبر الثقوب، وتُوصَف لاستخدامها في محطات الاتصالات الساتلية، ومحطات الاتصالات العسكرية، ومعدات الرادار، ووحدات الترددات اللاسلكية الفضائية.

في شبكات الأقمار الصناعية المنخفضة المدار (LEO) العملية، يكتسب الجزء الأرضي أهميةً مماثلةً لأهمية المركبة الفضائية. ويجب أن تتعامل بوابات الشبكة مع كثافة مرور عالية، وأن تتبع الأقمار الصناعية المتحركة بسرعة، وأن تحافظ على قنوات الإرسال والاستقبال نظيفة وخالية من التشويش. ويمكن لسلسلة المرشحات المصممة جيدًا أن تقلل من التداخل بين القنوات المجاورة، وتحسّن نقائية الطيف الإرسالي، وتحمي مسارات الاستقبال من الإشارات الإرسالية القوية القريبة.

أجهزة الإرسال والاستقبال المزدوجة لمسارات الاتصالات الساتلية المشتركة للهوائي

يسمح المُضاعِفُ المزدوج (الدوبلكسر) للمُرسِل والمُستقبِل بمشاركة هوائيٍّ واحدٍ مع الحفاظ على عزل نطاقات الإرسال والاستقبال. ويُعَدُّ هذا أمرًا بالغ الأهمية في أنظمة الازدواجية بتقسيم التردد، حيث يجري الإرسال والاستقبال عند ترددات مختلفة وفي الوقت نفسه. وفي محطة أرضية للأقمار الصناعية منخفضة المدار (LEO)، يمكن أن يساعد الدوبلكسر في تقليل عدد الهوائيات وتبسيط التخطيط الراديوي (RF). أما في الأنظمة المدمجة المركبة على متن المركبات أو الأنظمة المحمولة، فإن تقليل عدد الهوائيات وتقصير المسارات الراديوية يؤدي أيضًا إلى خفض الوزن وتعقيد التكامل.

تستخدم مرشحات التعدد الميكروويفية الخزفية من شركة RSWave رنانات خزفية عالية الجودة ومنخفضة الفقد لدمج قنوات ترشيح الإرسال والاستقبال. وتُبرز الشركة ميزات مثل انخفاض الفقد، وصغر الحجم، وخفّة الوزن، واستقرار الأداء مع التغيرات الحرارية، وملاءمة التركيب على السطح (SMT)، ومدى ترددي يتراوح بين ٤٠٠ ميغاهيرتز و٦٠٠٠ ميغاهيرتز، بالإضافة إلى إمكانية التخصيص. ويوضح وصف المنتج أن المرشحات الخزفية المتعددة تُستخدم في أجهزة إنترنت الأشياء (IoT)، والاتصالات الصناعية، ومعدات محطات القاعدة، والأجهزة المحمولة، والإلكترونيات automotive، وأنظمة الملاحة والاتصالات عبر الأقمار الصناعية.

في تصاميم الأقمار الاصطناعية المنخفضة المدار (LEO)، لا يقتصر دور المرشحات المتعددة على فصل قناتين فقط، بل يجب أن تحمي المستقبل المنخفض الضوضاء من تسرب إشارات جهاز الإرسال، وأن تحافظ على العزل الكافي أثناء التغيرات السريعة في الإشارات، وأن تبقي فقد الإدخال منخفضًا بما يكفي للحفاظ على هامش الاتصال. كما أن ارتفاع درجة العزل أمرٌ بالغ الأهمية، لأن المستقبل غالبًا ما يحاول كشف إشارات الوصلة التنازلية الضعيفة، في حين قد يعمل جهاز الإرسال عند مستوى طاقة أعلى بكثير.

الاعتبارات التصميمية الرئيسية للمهندسين

عند اختيار مرشح ترددات راديوية (RF) لنظام مرتبط بالأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض (LEO)، يجب أن يبدأ المهندسون بخطة الترددات. ويُعرَّف استجابة المرشح من خلال التردد المركزي، وعرض النطاق الترددي، والمسافة بين القنوات، والشريط الوقائي، وقناع اللوائح التنظيمية. وبعد ذلك يأتي فقدان الإدخال. فمرشح ذو فقدان منخفض يحسّن معامل الضوضاء عند الاستقبال ويقلل من هدر طاقة الإرسال. كما أن القدرة على الرفض تكتسي أهميةً بالغة، لا سيما بالقرب من الخدمات المجاورة القوية أو في المحطات متعددة الأشرطة. أما معامل انعكاس الموجة الثابتة (VSWR) فيؤثر على مطابقة المعاوقة وكفاءة السلسلة الراديوية بأكملها، بينما يؤثر التموج على تسطّح الإشارة عبر قنوات العرض الترددي الواسع.

ويجب أيضًا أخذ المتطلبات الميكانيكية والبيئية في الاعتبار. فبالنسبة لمعدات المركبات الفضائية على متنها، يجب التحقق بشكل منفصل من تحمل الإشعاع، والاهتزاز، والصدمات، وانبعاث الغازات، والأداء في ظروف الفراغ الحراري، والاختبارات على مستوى المهمة. أما بالنسبة لمحطات الأرض والبوابات، فيمكن للمصممين إعطاء الأولوية لمقاومة الطقس، ونوع الموصلات، وإمكانية تكرار عملية التصنيع بدقة، والاستقرار الحراري على المدى الطويل. وفي كلا الحالتين، قد يكون تصميم مرشحات الترددات الراديوية المخصصة أمرًا بالغ الأهمية، لأن أنظمة المدار المنخفض جدًّا (LEO) غالبًا ما تستخدم نطاقات تردُّد غير قياسية أو خطط ترددات مُحكَمة الترتيب.

قيمة المرشحات الراديوية المخصصة

اتصالات الأقمار الصناعية من الجيل الجديد (LEO) ليست سوقًا تنطبق عليها قاعدة «مقاس واحد يناسب الجميع». فقد تتطلب محطة المستخدم العريضة النطاق، ومحطة البوابة، ورابط التحكم والقياس والتوجيه (TT&C)، وجهاز استقبال الملاحة المُحسَّن بنظام تحديد المواقع العالمي (GNSS)، وحمولة الاستشعار الراديوية الترددية (RF) هندسات ترشيح مختلفة. ولذلك فإن تركيز شركة RSWave على المواصفات المخصصة ودعم تصميم المحاكاة أمرٌ بالغ الأهمية. فبدلًا من إجبار سلسلة الإشارات الراديوية (RF chain) على التكيُّف مع مكوِّن عام، يمكن للمهندسين ضبط الفلتر وفقًا للأهداف على مستوى النظام مثل تسطُّح نطاق التمرير، وعمق الرفض، والحجم الفيزيائي، وتوزيع الموصلات، والتكلفة.

وبتمدُّد كُبرى الأقمار الصناعية من الجيل الجديد (LEO)، ستظل مكوِّنات الواجهة الأمامية الراديوية (RF front-end) تُحدِّد مدى اعتمادية الاتصالات التي توفرها المحطات، ومدى نظافة الإرسال الذي تقوم به الحمولات، وكفاءة استخدام الطيف الترددي. وتوفِّر المرشحات الخزفية، والمرشحات LC، والمرشحات المجوّفة (cavity filters)، والمُضاعِفات (duplexers) كلٌّ منها توازنًا مختلفًا بين الحجم، والخسارة، ودرجة الرفض، وقدرة التحمُّل على القدرة، ودرجة التكامل. وباستخدامها بالشكل الصحيح، تساعد هذه المكوِّنات أنظمة الأقمار الصناعية من الجيل الجديد (LEO) في تقديم روابط مستقرة في بيئة راديوية مزدحمة.

بالنسبة للشركات التي تطور محطات الاتصالات الساتلية، أو المحطات الأرضية، أو وحدات الملاحة، أو الأنظمة الراديوية ذات الصلة بالرادار، أو واجهات الميكروويف الأمامية المخصصة، يجب اعتبار الترشيح الراديوي (RF) قرارًا مبكرًا في مرحلة التصميم بدلًا من كونه تفصيلًا نهائياً على مستوى اللوحة. ويمكن لهندسة المرشح المناسبة أن تحسّن هامش الاتصال، وتقلل التداخل، وتُبسّط عملية الدمج، وتدعم التشغيل الموثوق به من المختبر إلى الموقع الميداني.