Оперативность, качество, доступные цены!
info@smart-sps.ru

Москва, ул. 6-я Радиальная, д.9​

Тестирование фазированных антенных решеток для спутниковой связи

Тестирование фазированных антенных решеток для спутниковой связи

 

Чтобы обеспечить следующее поколение спутниковых систем, космические аппараты все чаще используют фазированные антенные решетки для объединения нескольких отдельных антенных элементов для улучшения общих характеристик, увеличения усиления, устранения помех и управления решеткой, чтобы она была наиболее чувствительной в определенном направлении. Это позволяет операторам изменять и оптимизировать прием и передачу в ответ на изменение требований к каналу в режиме реального времени.

Антенны с фазированной решеткой и методы цифрового формирования луча все чаще используются спутниками всех размеров, орбит и частот, чтобы максимально увеличить диаграмму направленности для приема и передачи. Определение направления прихода входящих сигналов улучшает мощность принимаемого сигнала и снижает уровни замирания, помех и боковых лепестков, увеличивая пропускную способность полезной нагрузки с высокой пропускной способностью. Также достигается большее пространственное разнесение, лучшее повторное использование частот и более точное позиционирование пользователя.

При разработке спутников с высокой пропускной способностью антенны с фазированной решеткой испытываются на всех этапах разработки космического корабля: от определения характеристик отдельных элементов и всей решетки на этапе первоначального прототипирования (ЭМ) до интеграции с основной полезной нагрузкой. За этим следует проверка всего космического аппарата в репрезентативной среде с использованием термовакуумных камер на этапе аттестации (EQM). В процессе эксплуатации проводятся регулярные орбитальные проверки каналов передачи для мониторинга и подтверждения качества обслуживания (QoS) и с использованием методов формирования диаграммы направленности для динамического изменения и оптимизации диаграммы направленности антенны для приема и передачи в соответствии с изменением требований к каналу.

Фазированная антенная решетка принимает и передает заданную полосу пропускания информации в определенном диапазоне частот с определенным усилением, опорным углом (ось максимального усиления), эффективностью, импедансом, поляризацией и уровнями боковых лепестков. Антенна излучает трехмерное поле в определенном направлении, и все эти параметры должны быть проверены и подтверждены. Каждый элемент содержит модуль передачи/приема, как показано ниже, и для тестирования требуется прием, передача и двунаправленные измерения.


Рис. 1. Модуль приема / передачи фазированной антенной решетки

 

Ключевой проблемой для производителей спутников является точная проверка фазированной антенной решетки в режиме приема на всех этапах разработки космических аппаратов. Перед измерениями в эфире (OTA) необходимо проверить каждый малошумящий усилитель (LNA) в отдельных элементах. Коэффициент усиления, коэффициент шума, сжатие и интермодуляционные искажения определяются с помощью векторного анализатора цепей (ВАЦ) или источника непрерывного сигнала и анализатора спектра. Один векторный анализатор цепей характеризует вышеуказанные показатели без повторного подключения.

Для тестов OTA ключевыми измерениями являются уровни принимаемой мощности и разности фаз между отдельными элементами для определения направления приема. Многоканальный векторный анализатор цепей, такой как ZNBT или ZVA, можно использовать для выполнения таких тестов, как показано ниже на рисунке 2. Тестируемая приемная антенна (AUT) подключена к ВАЦ, а на передающей стороне рупорная антенна передает известный CW-сигнал.

Рис. 2. Измерительная установка для тестирования фазированных антенных решеток в режиме приема

 

Вторая ключевая проблема для производителей спутников - как точно проверить фазированную антенную решетку в режиме передачи. Перед измерениями OTA необходимо проверить каждый усилитель мощности в отдельных элементах. Для определения коэффициента усиления, коэффициента шума, сжатия и интермодуляционных искажений используется векторный анализатор цепей или источник непрерывного сигнала и анализатор спектра. Для тестов OTA ключевыми измерениями являются эффективная излучаемая мощность (ERP) и форма импульса.

Многоканальные фазово-когерентные сигналы используются для управления фазированной антенной решеткой AUT, а анализатор спектра подключается к эталонной рупорной антенне для измерения максимальной принятой диаграммы направленности и уровней уменьшения и обнуления боковых лепестков, как показано ниже (на рис. 3).

Когда тестовый сигнал CW, передаваемый тестируемой антенной, заменяется модулированной несущей, анализатор сигнала используется для измерения и сообщения таких показателей, как величина вектора ошибок (EVM) и коэффициент битовых ошибок (BER).

Рис. 3. Измерительная установка для тестирования фазированных антенных решеток в режиме передачи

 

Производители спутников беспокоятся о том, как надежно получить несколько фазово-когерентных выходных сигналов для тестирования антенн. Когерентность поддерживает фиксированное, заданное, относительное фазовое соотношение между генераторами сигналов с течением времени, и существует ряд методов для стабилизации относительной фазы несущих, например, соединение опорных сигналов 10 МГц или 1 ГГц или подключение общего гетеродина (LO). Ни один из первых двух методов не обеспечивает достаточной долговременной стабильности из-за дрейфа компонентов, разницы температур и того факта, что фазовый шум отдельных генераторов сигналов не коррелирован во времени, как показано ниже (см. рис. 4).

Функции фазовой когерентности гетеродина доступны для обеспечения стабильных относительных фаз между несколькими приборами. Это недоступно для генераторов аналоговых сигналов, поскольку им не хватает возможности устанавливать отдельные фазы для каждой ВЧ несущей со связью гетеродина.


Рис. 4. 10 МГц, 1 ГГц и LO смеситель для генерации нескольких сигналов

 

OEM-производители борются с измерением диаграмм направленности излучения в зависимости от частоты. Для поддержки этого теста доступно программное обеспечение, которое управляет внешним генераторам сигналов который позволяет выдавать до четырех фазово-когерентных сигналов для электронного формирования луча и управления. С помощью этого программного обеспечения можно построить результирующий двухмерный азимут диаграммы направленности антенны. Бесплатную программу Matlab можно найти в интернете.

 

 

Рис. 5. 2D измерение диаграммы направленности фазированной антенной решетки

 

Источник: www.edn.com