Застосування RF-фільтрів у супутниках на низькій навколоземній орбіті

Супутники низької навколоземної орбіти (LEO) змінюють спосіб надання послуг широкосмугового зв’язку, позиціювання, дистанційного зондування Землі та Інтернету речей (IoT). Порівняно з традиційними геостаціонарними супутниками, супутники LEO розташовані значно ближче до Землі, що скорочує відстань зв’язку й робить практичним створення великих супутникових констелляцій для забезпечення глобального покриття. Однак така архітектура також створює складне радіочастотне середовище. Супутник LEO швидко рухається по небу, передає трафік від одного променя до іншого, працює поблизу інших космічних апаратів та наземних мереж і має строго контролювати кожен грам, ват та кубічний сантиметр. У такому середовищі радіочастотний фільтр — це не невелика допоміжна деталь. Це один із ключових пристроїв, який захищає якість сигналу від антени до модема.

RF-фільтр вибирає корисну смугу частот і відкидає небажану енергію поза цією смугою. У зв’язку через супутник антена приймає не лише бажаний сигнал. Вона також може захоплювати випромінювання сусідніх каналів, гармоніки від бортової електроніки, витік із передавальних шляхів, перешкоди від мереж 5G та Wi-Fi поблизу наземних терміналів і шум від систем живлення. Без належного фільтрування ці небажані сигнали можуть знижувати чутливість приймача, викликати міжмодуляцію пРОДУКТИ , або навіть перевантажувати каскади низькошумних підсилювачів. Для мереж НЗО, де покриття, пропускна здатність і надійність передачі з’єднання залежать від стабільної RF-продуктивності, фільтр безпосередньо впливає на якість обслуговування.

Чому RF-передні каскади супутників НЗО потребують кращого фільтрування

Супутники низької орбіти (LEO) та їхні термінали, як правило, працюють з обмеженими запасами потужності каналу зв’язку. Кожен децибел втрат при введенні до першого підсилювача з низьким рівнем шуму може зменшити ефективну чутливість приймача. У той самий час недостатня відмова сигналів поза смуговою частотою може дозволити потужним небажаним сигналам потрапити в ланцюг приймання. Тому метою проектування є досягнення ретельної рівноваги: низькі втрати при введенні в робочій смузі, різке придушення поза робочою смугою, стабільна центральна частота, компактні розміри та відтворювана продуктивність у широкому діапазоні температур.

Саме тут фільтри на основі мікрохвильової діелектричної кераміки, LC-фільтри, резонансні фільтри та дуплексери стають надзвичайно актуальними. Компанія Jiaxing Ruishang Electronic Technology Co., Ltd. спеціалізується на мікрохвильових керамічних компонентах, зокрема керамічних фільтрах, дуплексерах, LC-фільтрах, резонансних фільтрах, керамічних антенах та антенах для систем навігації GNSS. Діапазон робочих частот її продукції охоплює від постійного струму до 30 ГГц, а компанія надає послуги з індивідуального проектування РЧ-кіл для БПЛА, радарів, електронних засобів протидії, навігаційних систем, підсилювачів сигналів, геодезичного обладнання та інших пов’язаних РЧ-застосувань. Ці можливості відповідають вимогам до компонентів у терміналах супутникового зв’язку, наземних станцій, навігаційних приймачів та систем підтримки РЧ-корисного навантаження.

Мікрохвильові діелектричні керамічні фільтри для компактних корисних навантажень

Фільтри з діелектричною керамікою для мікрохвильових частот використовують керамічні матеріали з високою діелектричною проникністю, низькими втратами та стабільністю до змін температури як резонатори. Їхня головна перевага — мініатюризація: висока діелектрична проникність скорочує електромагнітну довжину хвилі всередині матеріалу, що дозволяє створювати менші резонансні структури порівняно з багатьма традиційними конструкціями з повітряними порожнинами. Для супутників низької навколоземної орбіти (LEO), де обмежені об’єм і маса корисного вантажу, така компактність є цінною. Менший фільтр дозволяє щільніше інтегрувати радіочастотний передній каскад, розмістити більше каналів у корисному вантажі або створити компактніший користувацький термінал.

Серія мікрохвильових діелектричних керамічних фільтрів RSWave відрізняється компактними розмірами, невеликою вагою, відмінною температурною стабільністю, діапазоном частот від 400 МГц до 7000 МГц, можливістю індивідуального проектування та підтримкою проектування на основі симуляції. У таблиці продуктів також наведено посилання на GPS/BDS, LTE, 5G, широкосмугові та супутникові системи зв’язку, у тому числі приклад вузькосмугового супутникового зв’язку (SAT-COMM) на частоті 7200 МГц. У застосуваннях у низьких навколоземних орбітах (LEO) ці фільтри можна розглядати для смуг S- та C-діапазону, смуг, пов’язаних з навігацією, а також для індивідуально розроблених каналів у під-7 ГГц або близьких до 7 ГГц діапазонів, залежно від повних специфікацій системи.

Стабільність температури є особливо важливою. Супутник на низькій навколоземній орбіті (LEO) піддається повторним термічним циклам під час переходу між сонячним освітленням і тінню, тоді як наземні зовнішні термінали зазнають сезонних і добових коливань температури. Якщо резонансна частота фільтра зміщується надто сильно, смуга пропускання може зміститися від призначеного каналу, що призведе до втрати бажаного сигналу або зниження пригнічення сусідньої енергії. Температуростійкі керамічні матеріали сприяють збереженню передбачуваної РЧ-поведінки в усіх цих експлуатаційних умовах.

LC- та резонансні фільтри в наземних терміналах і шлюзах LEO

Різні системи LEO потребують різних структур фільтрів. Радіочастотні LC-фільтри, що складаються з індуктивностей і конденсаторів, часто використовуються там, де важливі компактні розміри, економічна ефективність та гнучкість інтеграції. Їх можна спроектувати як фільтри нижніх частот, верхніх частот, смугові або загороджувальні фільтри. На радіочастотній платі терміналу або шлюзу LC-фільтри можуть призводити до придушення гармонік після перетворення частоти, придушення паразитних випромінювань або забезпечувати вибір каналів проміжної частоти.

Порожнинні фільтри виконують іншу роль. Оскільки вони використовують металеві резонансні порожнини та резонатори з високим коефіцієнтом добротності (Q), вони забезпечують сильне придушення позачастотних сигналів, низькі втрати внесення та хорошу потужнісну стійкість. Це робить їх придатними для шлюзів, радіочастотних терміналів високої потужності, радарних ліній зв’язку та наземної інфраструктури, де продуктивність має більше значення, ніж мінімальний можливий розмір. RSWave’s RF LC-фільтр & Лінійка продуктів фільтрів з резонансною порожниною охоплює діапазон від постійного струму до 30 ГГц, підтримує компактні форми, такі як поверхневий монтаж і встановлення через отвори, і призначена для терміналів супутникового зв’язку, військових терміналів зв’язку, радарного обладнання та РЧ-модулів аерокосмічної галузі.

На практиці в мережах низьких навколоземних орбіт (LEO) наземний сегмент є не менш важливим, ніж космічні апарати. Шлюзи повинні обробляти високу щільність трафіку, відстежувати швидкопорушні супутники та забезпечувати чисті канали висхідної та низхідної ліній зв’язку. Добре спроектований ланцюг фільтрів може зменшити перешкоди в сусідніх каналах, покращити спектральну чистоту передавачів і захищати приймальні ланцюги від потужних передавачів, розташованих поблизу.

Дуплексери для супутникових каналів зв’язку зі спільною антеною

Дуплексер дозволяє передавачу й приймачу спільно використовувати одну антену, одночасно забезпечуючи ізоляцію смуг передачі та прийому. Це критично важливо в системах з частотним розділенням каналів (FDD), де передача й прийом відбуваються на різних частотах одночасно. У терміналі низькоорбітального супутника (LEO) дуплексер може зменшити кількість антен і спростити радіочастотну (RF) розташування. У компактній бортовій або мобільній системі менша кількість антен і коротші RF-шляхи також зменшують вагу та складність інтеграції.

Дуплексори RSWave з мікрохвильовою діелектричною керамікою використовують резонатори з високим Q-фактором і низькими втратами для інтеграції каналів фільтрації передавання та приймання. Компанія підкреслює низькі втрати, менші габарити й масу, стабільність у роботі при зміні температури, придатність до поверхневого монтажу, діапазон частот від 400 МГц до 6000 МГц та можливість налаштування під конкретні потреби. У описі продукту зазначено, що керамічні дуплексори застосовуються в терміналах Інтернету речей (IoT), промислових засобах зв’язку, обладнанні базових станцій, переносних пристроях, автомобільних електронних системах, а також у системах супутникової навігації та зв’язку.

У проектуванні дуплексорів для низьких навколоземних орбіт (LEO) потрібно більше, ніж просто розділення двох каналів. Вони мають захищати чутливий приймач з низьким рівнем шуму від витоку сигналу передавача, забезпечувати високу ізоляцію під час швидких змін сигналу та підтримувати низькі вносимі втрати, щоб зберегти запас потужності каналу зв’язку. Висока ізоляція також є важливою, оскільки приймач часто намагається виявити слабкі сигнали зворотного каналу, тоді як передавач може працювати на значно вищому рівні потужності.

Ключові аспекти проектування для інженерів

Під час вибору фільтра РЧ для системи, пов’язаної з супутником на низькій навколоземній орбіті (LEO), інженери повинні почати з плану частот. Центральна частота, смуга пропускання, відстань між каналами, захисна смуга та регуляторна маска визначають характеристики фільтра. Далі йде втрати при включенні. Фільтр із низькими втратами покращує коефіцієнт шуму приймача й зменшує втрати потужності передавача. Відхилення також є важливим параметром, особливо поблизу потужних суміжних служб або в багатодіапазонних терміналах. КСХВ впливає на узгодження імпедансу та загальну ефективність РЧ-ланцюга, тоді як пульсації впливають на рівномірність сигналу в широкосмугових каналах.

Також необхідно враховувати механічні та екологічні вимоги. Для бортового космічного обладнання потрібно окремо перевірити стійкість до радіації, вібрації, ударів, випаровування речовин (outgassing), роботу у вакуумі при екстремальних температурах та відповідність вимогам на рівні місії. Для наземних терміналів і шлюзів проектанти можуть надавати пріоритет стійкості до погодних умов, типу роз’ємів, повторюваності виробництва та тривалій температурній стабільності. У обох випадках спеціальне проектування фільтрів може бути критично важливим, оскільки системи низької навколоземної орбіти (LEO) часто використовують нестандартні смуги пропускання або щільні частотні плани.

Цінність спеціалізованих РЧ-фільтрів

Зв’язок через супутники на низьких навколоземних орбітах (LEO) — це не ринок «одного розміру для всіх». Термінал користувача з широкосмуговим зв’язком, станція шлюзу, зв’язок з системою телеметрії, телекерування та телесигналізації (TT&C), приймач навігаційного сигналу з підвищеною точністю за рахунок глобальних навігаційних супутникових систем (GNSS) та радіочастотне (RF) сенсорне навантаження можуть вимагати різних архітектур фільтрації. Тому акцент RSWave на індивідуальні технічні специфікації та підтримку проектування за допомогою моделювання є важливим. Замість того щоб пристосовувати RF-ланцюг під універсальний компонент, інженери можуть налаштовувати фільтр з урахуванням цілей на рівні системи, таких як рівномірність смуги пропускання, глибина заглушення, габаритні розміри, розташування роз’ємів та вартість.

У міру розширення супутникових груп на низьких навколоземних орбітах (LEO) компоненти RF-переднього кінця далі визначатимуть надійність з’єднання терміналів, чистоту передачі корисного навантаження та ефективність використання радіочастотного спектру. Керамічні фільтри, LC-фільтри, резонансні (каверні) фільтри та дуплексери забезпечують різний баланс між розміром, втратами, заглушенням, потужністю, яку вони можуть обробляти, та ступенем інтеграції. Якщо їх правильно використовувати, вони допомагають супутниковим системам LEO забезпечувати стабільні зв’язки в переповненому радіочастотному середовищі.

Для компаній, що розробляють термінали супутникового зв’язку, наземні станції, навігаційні модулі, радіолокаційні РЧ-системи або спеціалізовані мікрохвильові передні каскади, РЧ-фільтрацію слід розглядати як раннє проектне рішення, а не як остаточну деталь на рівні друкованої плати. Правильна архітектура фільтра може покращити запас зв’язку, зменшити завади, спростити інтеграцію та забезпечити надійну роботу від лабораторії до експлуатаційних умов.