Приложения на RF филтри в спътници на ниска земна орбита

Сателитите на ниска земна орбита (LEO) променят начина, по който се предоставят широколентови, позиционни, дистанционно наблюдателни и IoT услуги. В сравнение с традиционните геостационарни сателити, LEO-сателитите летят много по-близо до Земята, което намалява разстоянието на връзката и прави практически възможно изграждането на големи сателитни констелации за глобално покритие. Тази архитектура обаче създава изискваща радиочестотна среда. Сателитът на ниска земна орбита се движи бързо по небосвода, прехвърля трафика от лъч в лъч, работи в близост до други космически кораби и наземни мрежи и трябва да контролира всяка грам, ват и кубичен сантиметър. В тази среда радиочестотният филтър не е малка поддръжна част. Той е едно от основните устройства, които защитават качеството на сигнала от антената до модема.

RF филтърът избира полезната честотна лента и отхвърля нежеланата енергия извън тази лента. В сателитна комуникационна връзка антената приема повече от желания сигнал. Тя може също така да улавя излъчвания от съседни канали, хармоници от бордовата електроника, изтичане от предавателните пътища, интерференция от 5G и Wi-Fi в близост до наземните терминали и шум от енергосистемите. Без подходящо филтриране тези нежелани сигнали могат да намалят чувствителността на приемника, да предизвикат интермодулация продукти , или дори да претоварят стадиите на нискошумни усилватели. За мрежи с ниски орбитални сателити (LEO), където покритието, пропускливата способност и надеждността на прехвърлянето всички зависят от стабилна RF производителност, филтърът директно влияе върху качеството на услугата.

Защо RF входните вериги на нискоорбиталните сателити имат нужда от по-добро филтриране

Сателитите от типа LEO и техните терминали обикновено работят с тесни граници на връзката. Всеки децибел загуба при вмъкване преди първия усилвател с нисък шум може да намали ефективната чувствителност на приемника. Едновременно с това недостатъчното отхвърляне на сигнали извън работната честотна лента може да позволи на мощни нежелани сигнали да проникнат в веригата за приемане. Целта при проектирането е следователно внимателно балансиране: ниска загуба при вмъкване в работната честотна лента, стръмно отхвърляне извън работната честотна лента, стабилна централна честота, компактни размери и възпроизводима производителност при промени в температурата.

Тук микровълновите диелектрични керамични филтри, LC-филтрите, кавитетните филтри и дуплексорите придобиват особено значение. Jiaxing Ruishang Electronic Technology Co., Ltd. се занимава с микровълнови керамични компоненти, включително керамични филтри, дуплексори, LC-филтри, кавитетни филтри, керамични антени и антени за GNSS-позициониране. Честотният обхват на продуктите й е от постоянен ток до 30 GHz, а компанията предлага персонализирани проекти за ВЧ-вериги, БПЛА, радари, електронни контрамери, навигация, усилватели на сигнали, геодезия и други свързани ВЧ-приложения. Тези възможности отговарят на изискванията за компоненти, използвани в терминалите за спътникова комуникация, наземните станции, приемниците за навигация и системите за поддръжка на ВЧ-полезни товари.

Микровълнови диелектрични керамични филтри за компактни полезни товари

Микровълновите диелектрични керамични филтри използват керамични материали с висока диелектрична проницаемост, ниски загуби и температурна стабилност като резонатори. Основното им предимство е миниатюризацията: високата диелектрична проницаемост намалява електромагнитната дължина на вълната вътре в материала, което позволява по-малки резонансни структури в сравнение с много традиционни конструкции с въздушни кухини. За спътниците на ниска земна орбита (LEO), където пространството и масата на полезния товар са ограничени, тази компактност е от голяма стойност. По-малкият филтър може да поддържа по-плътна интеграция на RF преден край, повече канали в полезния товар или по-компактен потребителски терминал.

Серията микровълнови диелектрични керамични филтри на RSWave се отличава с по-малки размери, по-ниска тежест, отлично температурно стабилност, честотен обхват от 400 MHz до 7000 MHz, възможност за персонализация и поддръжка за проектиране, базирано на симулации. В таблицата с продукти са включени също така препратки към GPS/BDS, LTE, 5G, широколентови и спътникови комуникации, включително пример за теснолентова SAT-COMM на 7200 MHz. При приложения в ниска земна орбита (LEO) тези филтри могат да се разглеждат за използване в S-диапазона, C-диапазона, честотни диапазони, свързани с навигацията, както и за персонализирани под-7 GHz или близки до 7 GHz канали, в зависимост от пълната спецификация на системата.

Стабилността на температурата е особено важна. Сателитът на ниска земна орбита (LEO) изпитва многократно термично циклиране, докато преминава от слънчева светлина в сянка, докато наземните терминали на открито са изложени на сезонни и дневни температурни промени. Ако резонансната честота на филтъра се измести твърде много, пропускателната лента може да се премести далеч от определения канал, което води до загуба на желания сигнал или по-слабо отстраняване на съседната енергия. Температурно стабилните керамични материали помагат за поддържане на предвидимо ВЧ поведение при тези работни условия.

LC и кавитетни филтри в наземни терминали и шлюзове на ниска земна орбита (LEO)

Различните системи за нискоорбитални спътници (LEO) изискват различни филтри. РЧ LC филтрите, състоящи се от индуктори и кондензатори, често се използват там, където има значение компактността, икономичността по отношение на разходите и гъвкавостта при интеграция. Те могат да бъдат проектирани като филтри за долни честоти, горни честоти, лентови пропускащи или лентови заграждащи филтри. На РЧ платка в терминал или шлюз LC филтрите могат да премахват хармониците след преобразуване на честотата, да потискат паразитни излъчвания или да осигуряват избор на канал в интермедиалната честотна област.

Кавитетните филтри изпълняват друга роля. Тъй като използват метални резонансни кавитети и резонатори с високо Q, те могат да осигурят силно подтискане на извънлентовите сигнали, ниски загуби при включване и добра мощностна устойчивост. Това ги прави подходящи за шлюзове, РЧ терминали с висока мощност, радарни връзки и наземна инфраструктура, където е по-важна производителността, отколкото минималната възможна площ. RSWave’s RF LC филтър & Линията от продукти за кавитетни филтри обхваща честотен диапазон от постоянен ток до 30 GHz, поддържа компактни форми като повърхностно монтирани и чрез-отворни опции и е предназначена за терминали за спътникова комуникация, военни комуникационни терминали, радарно оборудване и ВЧ модули за аерокосмическа техника.

На практика в нискоорбиталните мрежи наземният сегмент е толкова важен, колкото и космическите апарати. Шлюзовете трябва да обработват висока плътност на трафика, да проследяват бързо движещи се спътници и да поддържат чисти канали за възходяща и низходяща връзка. Добре проектирана верига от филтри може да намали интерференцията между съседни канали, да подобри спектралната чистота на предавателя и да защити приемните пътища от мощни близки предаватели.

Дуплексери за споделени антенни пътища за спътникова комуникация

Дуплексерът позволява предавател и приемник да споделят една антена, като в същото време поддържа изолация между предавателната и приемната честотни ленти. Това е критично за системите с дуплекс по честотно разделяне (FDD), при които предаването и приемането се извършват едновременно на различни честоти. В терминал за ниска земна орбита (LEO) дуплексерът може да помогне за намаляване на броя на антените и опростяване на радиочестотната (RF) схема. В компактна бордова или мобилна система по-малко антени и по-къси RF пътища също могат да намалят теглото и сложността на интеграцията.

Дуплексорите за микровълнови честоти на RSWave използват висококачествени, с ниски загуби керамични резонатори, за да интегрират канали за филтриране при предаване и приемане. Компанията подчертава ниските загуби, по-малките размери и по-ниската тегло, температурната стабилност, подходящостта за повърхностно монтиране, честотен обхват от 400 MHz до 6000 MHz и възможност за персонализация. В описанието на продукта се отбелязва, че керамичните дуплексори се използват в IoT терминали, промишлена комуникация, оборудване за базови станции, преносими устройства, автомобилна електроника, както и в спътни системи за навигация и комуникация.

За проектирането на ниски земни орбити (LEO) дуплексорите трябва да изпълняват повече функции от просто разделяне на два канала. Те трябва да защитават чувствителния приемник с нисък шум от изтичане на сигнали от предавателя, да осигуряват висока изолация при бързи промени на сигнала и да поддържат достатъчно ниски вносни загуби, за да се запази резервът на връзката. Високата изолация е също от особено значение, тъй като приемникът често се опитва да регистрира слаби сигнали от низходящата връзка, докато предавателят може да работи при значително по-висока мощност.

Основни проектирани съображения за инженерите

При избор на RF филтър за система, свързана с LEO спътник, инженерите трябва да започнат с честотния план. Централната честота, широчината на лентата, разстоянието между канали, защитната лента и регулаторната маска определят отговора на филтъра. Следва загубата при вмъкване. Филтър с ниска загуба подобрява шумовия фактор при приемане и намалява загубата на мощност в предавателя. Отхвърлянето е също толкова важно, особено при силни съседни услуги или в мултидиапазонни терминали. Коефициентът на стояща вълна (VSWR) влияе върху съгласуването на импеданса и общата ефективност на RF веригата, докато пулсирането влияе върху равномерността на сигнала в широкополосните канали.

Трябва да се вземат предвид също така и механичните, и екологичните изисквания. За бордовото космическо оборудване трябва отделно да се потвърди устойчивостта към радиация, вибрации, ударни натоварвания, изпаряване (outgassing), работата в термовакуумна среда и изпитанията на ниво мисия. За наземните терминали и шлюзове проектирането може да насочи приоритетите към устойчивост към атмосферни условия, тип на конекторите, повтаряемост при производството и дългосрочна температурна стабилност. Във всеки от двата случая персонализираното проектиране на филтри може да е от съществено значение, тъй като системите в ниска земна орбита (LEO) често използват нестандартни ширини на лентата или плътно подредени честотни планове.

Стойността на персонализираните ВЧ филтри

Комуникацията чрез спътници на ниска земна орбита (LEO) не е пазар с едно решение за всички. Терминал за широколентова връзка, шлюзовата станция, връзката за проследяване, управление и контрол (TT&C), приемник за навигация с подобрена точност чрез глобална навигационна спътникова система (GNSS) и радиочестотна (RF) система за наблюдение могат да изискват различни архитектури на филтриране. Затова е важно RSWave да се фокусира върху персонализирани спецификации и поддръжка при проектирането чрез симулации. Вместо да се налага RF веригата около универсален компонент, инженерите могат да настроят филтъра според целите на цялата система – например равномерност на предавателната лента, дълбочина на отхвърляне, габарити, разположение на конекторите и разходи.

С разширяването на съзвездията от спътници на ниска земна орбита (LEO) компонентите на RF преден край ще продължат да определят надеждността на връзките на терминалите, чистотата на предаването от полезни товари и ефективността на използването на радиочестотния спектър. Керамичните филтри, LC филтрите, кавитетните филтри и дуплексерите предлагат различен баланс между размер, загуби, отхвърляне, мощност и степен на интеграция. При правилно използване те помагат системите за спътници на ниска земна орбита (LEO) да осигуряват стабилни връзки в претъпканата RF среда.

За компании, които разработват терминали за сателитна комуникация, наземни станции, навигационни модули, радиочестотни системи, свързани с радари, или персонализирани микровълнови предни края, филтрирането в радиочестотния диапазон трябва да се разглежда като рано проектно решение, а не като окончателна подробност на платката. Правилната филтрова архитектура може да подобри запаса на връзката, да намали интерференцията, да опрости интеграцията и да осигури надеждна работа от лабораторията до полевите условия.