Применение радиочастотных фильтров в спутниках на низкой околоземной орбите

Спутники на низкой околоземной орбите (НОО) меняют способ предоставления услуг широкополосного доступа, позиционирования, дистанционного зондирования и Интернета вещей (IoT). По сравнению с традиционными геостационарными спутниками аппараты НОО находятся значительно ближе к Земле, что позволяет сократить расстояние радиолинии и делает практически осуществимым создание крупных спутниковых группировок для обеспечения глобального покрытия. Однако такая архитектура также формирует сложную радиочастотную (РЧ) среду. Спутник НОО быстро перемещается по небосводу, передаёт трафик от одного луча антенны к другому, функционирует вблизи других космических аппаратов и наземных сетей, а также требует строгого контроля за каждой граммой массы, ваттом мощности и кубическим сантиметром объёма. В такой среде РЧ-фильтр — это не второстепенный компонент. Он является одним из ключевых устройств, обеспечивающих сохранение качества сигнала от антенны до модема.

Полосовой фильтр РЧ-диапазона выделяет полезную частотную полосу и подавляет нежелательную энергию за пределами этой полосы. В спутниковой системе связи антенна принимает не только требуемый сигнал, но и другие помехи: излучение смежных каналов, гармоники от бортовой электроники, утечки из передающих трактов, помехи от сетей 5G и Wi-Fi вблизи наземных терминалов, а также шумы от систем электропитания. Без надлежащей фильтрации эти нежелательные сигналы могут снизить чувствительность приемника, вызвать интермодуляцию продукция , а в некоторых случаях даже перегрузить каскады малошумящих усилителей. Для сетей спутников на низкой околоземной орбите (LEO), где покрытие, пропускная способность и надежность передачи сигнала при переключении между спутниками напрямую зависят от стабильности РЧ-характеристик, фильтр оказывает непосредственное влияние на качество обслуживания.

Почему РЧ-тракты спутников на низкой околоземной орбите требуют более совершенной фильтрации

Спутники на низкой околоземной орбите (LEO) и их терминалы обычно работают с узкими бюджетами радиолинии. Каждый децибел потерь вносимого затухания до первого малошумящего усилителя может снизить эффективную чувствительность приемника. В то же время недостаточное подавление внеполосных сигналов может привести к проникновению мощных нежелательных сигналов в цепь приема. Поэтому целевой показатель проектирования — это тщательный баланс: низкие вносимые потери в полосе пропускания, резкое подавление вне полосы пропускания, стабильная центральная частота, компактные габариты и воспроизводимые характеристики при изменении температуры.

Здесь особенно актуальны микроволновые диэлектрические керамические фильтры, LC-фильтры, полостные фильтры и дуплексеры. Компания Jiaxing Ruishang Electronic Technology Co., Ltd. специализируется на микроволновых керамических компонентах, включая керамические фильтры, дуплексеры, LC-фильтры, полостные фильтры, керамические антенны и антенны для GNSS-позиционирования. Диапазон рабочих частот её продукции охватывает диапазон от постоянного тока до 30 ГГц, а компания предлагает индивидуальные проектные решения для ВЧ-схем, беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), радаров, систем электронного противодействия, навигационных систем, усилителей сигнала, геодезии и других ВЧ-приложений. Эти возможности соответствуют требованиям к компонентному уровню, предъявляемым к терминалам спутниковой связи, наземным станциям, навигационным приемникам и системам поддержки ВЧ-полезной нагрузки.

Микроволновые диэлектрические керамические фильтры для компактных полезных нагрузок

Фильтры на основе диэлектрических керамических резонаторов для СВЧ-диапазона используют керамические материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, низкими потерями и стабильными температурными характеристиками. Основное преимущество таких фильтров — миниатюризация: высокая диэлектрическая проницаемость сокращает длину электромагнитной волны внутри материала, что позволяет создавать резонансные структуры меньших размеров по сравнению со многими традиционными конструкциями с воздушными резонансными полостями. Для спутников на низкой околоземной орбите (LEO), где ограничены объём и масса полезной нагрузки, такая компактность является важным преимуществом. Более компактный фильтр позволяет обеспечить более плотную интеграцию РЧ-передающего тракта, увеличить количество каналов в полезной нагрузке или создать более компактную пользовательскую терминал.

Серия микроволновых диэлектрических керамических фильтров RSWave отличается компактными габаритами, малым весом, превосходной температурной стабильностью, рабочим диапазоном частот от 400 МГц до 7000 МГц, возможностью индивидуальной настройки и поддержкой проектирования на основе моделирования. В таблице продукции также указаны ссылки на GPS/BDS, LTE, 5G, широкополосные и спутниковые системы связи, включая пример узкополосного SAT-COMM на частоте 7200 МГц. В приложениях для низких околоземных орбит (LEO) эти фильтры могут использоваться в диапазонах S-диапазона, C-диапазона, диапазонах, связанных с навигацией, а также в индивидуально разработанных поддиапазонах ниже 7 ГГц или близких к 7 ГГц — в зависимости от полной спецификации всей системы.

Стабильность температуры имеет особое значение. Спутник на низкой околоземной орбите (LEO) подвергается многократному термическому циклированию при переходе из освещённой солнцем зоны в тень, тогда как наземные терминалы на открытом воздухе испытывают суточные и сезонные колебания температуры. Если резонансная частота фильтра слишком сильно смещается, полоса пропускания может сместиться относительно выделенного канала, что приведёт к потере полезного сигнала или снижению подавления энергии соседних каналов. Температурно-стабильные керамические материалы обеспечивают предсказуемое ВЧ-поведение фильтров в этих эксплуатационных условиях.

LC- и полостные фильтры для наземных терминалов и шлюзов LEO

Различные системы LEO требуют различных структур фильтров. РЧ LC-фильтры, построенные на основе катушек индуктивности и конденсаторов, часто применяются там, где важны компактные размеры, экономическая эффективность и гибкость интеграции. Их можно спроектировать как фильтры нижних частот, верхних частот, полосовые или заграждающие. На РЧ-плате терминала или шлюза LC-фильтры могут использоваться для подавления гармоник после преобразования частоты, подавления паразитных излучений или выбора канала промежуточной частоты.

Полостные фильтры выполняют другую функцию. Поскольку они используют металлические резонансные полости и резонаторы с высоким добротностным коэффициентом (Q), они обеспечивают высокое подавление внеполосных сигналов, низкое вносимое затухание и хорошую мощностную нагрузочную способность. Это делает их подходящими для шлюзов, высокомощных РЧ-терминалов, радиолокационных каналов и наземной инфраструктуры, где приоритетом является производительность, а не минимально возможные габариты. RSWave’s RF LC-фильтр & Линейка продуктов полосно-пропускающих фильтров с резонансными полостями охватывает диапазон от постоянного тока до 30 ГГц, поддерживает компактные конструкции, такие как поверхностный монтаж и монтаж сквозь плату, и предназначена для терминалов спутниковой связи, военных коммуникационных терминалов, радиолокационного оборудования и радиочастотных модулей для аэрокосмической техники.

На практике в низких околоземных орбитальных (LEO) сетях наземный сегмент столь же важен, как и космические аппараты. Шлюзы должны обрабатывать высокую плотность трафика, отслеживать быстро движущиеся спутники и обеспечивать чистые каналы восходящей и нисходящей линий связи. Хорошо спроектированная цепочка фильтров позволяет снизить помехи в соседних каналах, повысить спектральную чистоту передатчиков и защитить приемные тракты от мощных близко расположенных передатчиков.

Дуплексеры для спутниковых систем связи с общим антенным трактом

Дуплексер позволяет передатчику и приемнику совместно использовать одну антенну, обеспечивая при этом изоляцию полос передачи и приема. Это критически важно в системах с частотным разделением каналов (FDD), где передача и прием осуществляются одновременно на разных частотах. В терминале низкой околоземной орбиты (LEO) дуплексер может помочь сократить количество антенн и упростить конструкцию РЧ-тракта. В компактных бортовых или мобильных системах меньшее количество антенн и более короткие РЧ-линии также позволяют снизить массу и сложность интеграции.

Дуплексоры микроволнового диапазона RSWave на основе диэлектрической керамики используют резонаторы из керамики с высоким добротностным фактором (Q) и низкими потерями для интеграции каналов фильтрации передачи и приема. Компания подчеркивает такие преимущества, как низкие потери, компактные габариты и малый вес, стабильность характеристик в зависимости от температуры, возможность поверхностного монтажа, рабочий частотный диапазон от 400 МГц до 6000 МГц, а также возможность индивидуальной настройки. В описании продукта указано, что керамические дуплексоры применяются в терминалах Интернета вещей (IoT), промышленных системах связи, оборудовании базовых станций, портативных устройствах, автомобильной электронике, а также в системах спутниковой навигации и связи.

В конструкциях низкоорбитальных спутников (LEO) дуплексоры должны выполнять функции, выходящие за рамки простого разделения двух каналов. Они должны защищать малошумящий приемник от утечки сигнала передатчика, обеспечивать высокую степень изоляции при быстрых изменениях сигнала и поддерживать низкий уровень вносимых потерь, чтобы сохранить запас мощности канала связи. Высокая изоляция особенно важна, поскольку приемник часто должен обнаруживать слабые сигналы нисходящей линии связи при одновременной работе передатчика на значительно более высоком уровне мощности.

Ключевые аспекты проектирования для инженеров

При выборе полосового фильтра РЧ для системы, связанной со спутником на низкой околоземной орбите (LEO), инженеры должны начать с плана частот. Центральная частота, полоса пропускания, расстояние между каналами, защитная полоса и нормативная маска определяют характеристики отклика фильтра. Следующим параметром является вносимое затухание. Фильтр с низким вносимым затуханием улучшает коэффициент шума приёма и снижает потери мощности передатчика. Подавление также имеет важное значение, особенно вблизи мощных соседних служб или в многочастотных терминалах. КСВ влияет на согласование импедансов и общую эффективность РЧ-тракта, а пульсации — на равномерность сигнала в широкополосных каналах.

Необходимо также учитывать механические и экологические требования. Для бортового космического оборудования необходимо отдельно подтверждать устойчивость к радиации, вибрации, ударным нагрузкам, дегазации, работоспособность в условиях термовакуума, а также соответствие требованиям испытаний на уровне всей миссии. Для наземных терминалов и шлюзов разработчики могут сделать акцент на устойчивости к погодным условиям, типе разъёмов, воспроизводимости производственного процесса и стабильности характеристик при длительном воздействии температуры. В обоих случаях разработка специализированных фильтров может быть критически важной, поскольку системы низкой околоземной орбиты (LEO) зачастую используют нестандартные полосы пропускания или плотно упакованные частотные планы.

Ценность специализированных СВЧ-фильтров

Связь через спутники на низкой околоземной орбите (LEO) — это не рынок «один размер подходит всем». Широкополосный пользовательский терминал, станция шлюза, канал слежения, управления и телеметрии (TT&C), приемник навигации с улучшенной точностью на основе глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS) и радиочастотная (RF) система дистанционного зондирования могут требовать различных архитектур фильтрации. Поэтому особое внимание RSWave к индивидуальным техническим характеристикам и поддержке проектирования с использованием моделирования имеет важное значение. Вместо того чтобы адаптировать RF-тракт под универсальный компонент, инженеры могут настраивать фильтр с учетом целей на уровне всей системы, таких как равномерность полосы пропускания, глубина подавления, габаритные размеры, расположение разъемов и стоимость.

По мере расширения группировок спутников на низкой околоземной орбите (LEO) компоненты RF-передающей части будут по-прежнему определять надежность соединений терминалов, чистоту передачи полезной нагрузки и эффективность использования радиочастотного спектра. Керамические фильтры, LC-фильтры, полостные фильтры и дуплексеры обеспечивают различный баланс между размерами, потерями, подавлением, мощностью, которую они способны выдерживать, и степенью интеграции. При правильном применении они помогают системам спутников LEO обеспечивать стабильные соединения в перегруженной радиочастотной среде.

Для компаний, разрабатывающих терминалы спутниковой связи, наземные станции, навигационные модули, радиочастотные системы, связанные с радарами, или специализированные СВЧ-передающие устройства, радиочастотную фильтрацию следует рассматривать как один из первых этапов проектирования, а не как деталь на уровне печатной платы. Правильная архитектура фильтра может повысить запас канала связи, снизить уровень помех, упростить интеграцию и обеспечить надёжную работу от лаборатории до эксплуатации в полевых условиях.