РАДИОЧАСТОТНАЯ СХЕМА, УСТАНОВЛЕННАЯ НА БОРТУ СПУТНИКА, СОДЕРЖАЩАЯ СИСТЕМУ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ ПРИ ПОМОЩИ СИГНАЛА ТРЕВОГИ, ГЕНЕРИРУЕМОГО ПРИ ОТРАЖЕНИИ МОЩНОСТИ Российский патент 2015 года по МПК H04B7/185 

Область техники

Настоящее изобретение касается радиочастотной схемы, установленной на борту спутника, содержащей систему теплового контроля при помощи сигнала тревоги, и изолятор, генерирующий такой сигнал. Изобретение используют, в частности, в области искусственных спутников, в частности, телекоммуникационных спутников.

Предшествующий уровень техники

Часто искусственные спутники применяют для телекоммуникационных систем. В частности, они позволяют охватывать географические зоны, в которых не развиты наземные сети, или связывать между собой удаленные наземные сети. Искусственный спутник содержит полезный груз, то есть совокупность приборов, которые позволяют ему осуществлять операции в соответствии с его назначением. По техническим причинам, а также из соображений стоимости, вес этого полезного груза необходимо сводить к минимуму. Поэтому в силу этих требований некоторые виды обработки, которые функционально следовало бы производить на уровне спутника, иногда осуществляют на уровне наземных станций системы.

Во время развертывания системы спутники выводят на заранее определенную орбиту, причем выбор этой орбиты осуществляют во время разработки системы. После вывода на орбиту очень трудно физически производить работы на спутнике, в частности, в случае возникновения неисправности. Естественно, конструкторы должны это учитывать, поэтому некоторые схемы обладают определенной избыточностью, чтобы, в случае необходимости, можно было заменить неисправные ресурсы.

Обычно телекоммуникационный спутник осуществляет передачу и прием на нескольких разных каналах, при этом один канал соответствует одной полосе частот. Следовательно, полезный груз необходимо распределить по каналам, то есть одну совокупность приборов, например, таких как усилители, предусматривают для передачи или для приема сигналов на данном канале. При передаче, сигналы, передаваемые по каждому каналу, формируют при помощи цепей усиления, связанных с каждым каналом, и уплотняют при помощи выходного устройства уплотнения, обозначаемого в дальнейшем аббревиатурой OMUX. Уплотнитель OMUX соответствует набору радиочастотных фильтров. Полученный в результате уплотнения сигнал направляют на передающую широкополосную антенну. Фильтры уплотнителя OMUX являются, например, фильтрами полосы пропускания, предназначенными для разных каналов передачи, и позволяют избежать наложения сигнала, передаваемого по одному каналу, на сигналы смежных каналов. Часть сигнала, генерируемого приборами, связанными с одним каналом, может отражаться, например, на уровне уплотнителя OMUX, и эта часть соответствует частотам сигнала, не принадлежащим к полосе пропускания фильтра. Эти отражения могут являться следствием человеческой ошибки, например, происходить в результате ошибочного программирования частоты оператором наземной станции контроля. Эти отражения могут быть также следствием нарушения работы или плохого программирования приборов полезного груза, обеспечивающих распределение сигналов большой мощности на выходе цепи усиления каналов в фильтры OMUX, и в дальнейшем тексте описания эти приборы будут называться коммутаторами. Отражения могут также происходить в результате неисправностей, в частности, при наличии дефектов в бортовом генераторе колебаний, используемом для транспонирования по частоте передаваемого сигнала. С другой стороны, если спутник используют в качестве ретранслятора, неисправность на земле, вызывающая смещение частоты сигнала, принимаемого спутником, приведет к смещению на уровне передающего канала и, следовательно, к отражениям на уровне фильтров OMUX. Кроме того, плохая адаптация выхода ретранслятора тоже может привести к отражениям сигнала.

Радиочастотную мощность, получаемую в результате этих отражений, необходимо рассеивать, чтобы обеспечить нормальную работу при передаче. Для этого, согласно известным решениям, в радиочастотных цепях усиления устанавливают мощные изоляторы, обычно называемые аббревиатурой HPI, содержащие циркулятор и силовую нагрузку.

Вышеупомянутые отражения приводят к рассеянию мощности в виде тепла, и температура схем, таких как OMUX, и силовых нагрузок может значительно повышаться, что может привести к их безвозвратному выходу из строя.

Чтобы этого избежать, существующие решения, связанные с детектированием тепла, предлагают измерять температуру на уровне фильтров уплотнителя OMUX при помощи термисторов, при этом упомянутые термисторы генерируют сигналы измерения, обрабатываемые бортовым компьютером спутника. Основным недостатком этих решений является время их реагирования, которое может достигать нескольких десятков секунд, до того как будет произведена коррекция соответствующих компонентов для понижения температуры.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

В этой связи объектом настоящего изобретения является радиочастотная схема, установленная на спутнике, при этом данные передаются по нескольким каналам при помощи радиочастотных сигналов, причем один канал соответствует одной полосе частот, причем с каналом может быть связана цепь усиления, чтобы генерировать радиочастотный сигнал, предназначенный для передачи по этому каналу, при этом цепь усиления содержит, по меньшей мере, один усилитель с переменным коэффициентом усиления, а генерированные таким образом радиочастотные сигналы уплотняют при помощи устройства уплотнения, содержащего фильтры полосы пропускания. Цепь усиления содержит силовую нагрузку, выполненную с возможностью рассеяния мощности сигналов, отражаемой фильтрами устройства уплотнения, силовая нагрузка содержит средства генерирования сигнала A(t) тревоги, представляющего уровень мощности отражаемых сигналов, причем сигнал тревоги используют для контроля коэффициента усиления усилителя с переменным коэффициентом усиления.

Согласно одному аспекту изобретения, модули контроля, связанные с цепями усиления, содержат средства для определения заданных значений контроля усилителя с переменным коэффициентом усиления упомянутых цепей, заданные значения определяются сравнением между величиной, представляющей сигнал A(t) тревоги, и заранее определенным пороговым значением S.

Согласно другому аспекту изобретения, величина, представляющая сигнал тревоги, является силой тока или напряжением.

Заданное значение, генерируемое модулем контроля, является, например, таким, что усилитель с переменным коэффициентом усиления, по меньшей мере, одной цепи усиления деактивируется, когда значение, представляющее сигнал тревоги, превышает или равно пороговому значению S.

Объектом настоящего изобретения является также силовая нагрузка, содержащая элемент полого волновода, выполненный в виде короткого канала, содержащего отверстие, через которое заходит предназначенный для ослабления входной сигнал, при этом сигнал ослабляется поглощающим материалом, содержащимся в элементе волновода. Силовая нагрузка содержит радиочастотный детектор, который устанавливают на конце, противоположном отверстию элемента волновода, при этом элемент волновода пропускает часть мощности входного сигнала на уровне его ближайшего к детектору конца, а радиочастотный детектор преобразует эту часть мощности в сигнал A(t) тревоги.

Радиочастотный детектор является, например, диодным или транзисторным детектором.

В варианте выполнения часть мощности входящего сигнала передается в радиочастотный детектор посредством связи.

Сигнал тревоги соответствует, например, напряжению или силе тока и зависит от подаваемой мощности части мощности, присутствующей на входе детектора.

Преимуществом изобретения является, в частности, то, что его можно полностью применять в радиочастотной части бортовых схем, что облегчает разработку схем. Кроме того, при разработке схем, использующих изобретение, специалисту по радиочастотам не требуется взаимодействовать с другими специалистами, например, такими как специалисты по теплоэнергетике.

Другим преимуществом является то, что при применении предложенного решения полезный груз спутника можно уменьшить на несколько килограммов.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает пример бортовой радиочастотной схемы, содержащей систему теплового детектирования;

Фиг. 2 изображает пример силовой нагрузки;

Фиг. 3 изображает усовершенствованную силовую нагрузку, содержащую радиочастотный детектор;

Фиг. 4 изображает пример бортовой радиочастотной схемы, содержащей систему усиления по сигналу тревоги;

Фиг. 5 изображает пример модуля контроля усилителя канала.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

На фиг. 1 показан пример бортовой радиочастотной схемы, содержащей систему теплового детектирования. Этот вариант выполнения позволяет передавать сигналы по двум каналам. Для этого используют две цепи 100, 101 усиления. Первая цепь 100 усиления содержит, например, первый усилитель 102, управляемый по коэффициенту усиления и называемый усилителем канала. Этот усилитель принимает сигнал, предназначенный для передачи по связанному с ним каналу, а также команды контроля, поступающие от бортового компьютера, тоже установленного на спутнике. Сигнал, усиленный первым усилителем 102, опять усиливается вторым усилителем 104, который является усилителем мощности, например, типа лампы бегущей волны. В дальнейшем тексте описания этот усилитель будет называться аббревиатурой TWTA. Усиленный таким образом сигнал передают через циркулятор 106, затем через коммутатор 110, осуществляющий распределение между цепями усиления, в фильтры 114 полосы пропускания устройства уплотнения OMUX. Система охлаждения, состоящая из тепловых труб 112, 113, позволяет удалять тепло в пространство за счет излучения. Учитывая требования к габаритным размерам на спутнике, их параметры не предусмотрены для рассеяния всей мощности в случае нарушения в работе. Чтобы усилить тепловой контроль, вблизи фильтра 114 устанавливается термистор 116, который может генерировать сигнал, представляющий температуру этого фильтра. Затем этот сигнал передается в бортовой компьютер, установленный на спутнике. В зависимости от сигнала компьютер определяет команду, позволяющую понизить коэффициент усиления усилителя 102 канала, чтобы уменьшить тепловое рассеяние и избежать, таким образом, повреждения компонентов системы.

Вторая цепь 101 усиления связана со вторым каналом связи. Элементы являются такими же, что и для первой цепи 100, то есть она содержит усилитель 103 канала с коэффициентом усиления, управляемым при помощи цифровой обработки, усилитель TWTA 105, циркулятор 107, коммутатор 111, фильтр 115 полосы пропускания устройства уплотнения OMUX и измерительный термистор 117, генерирующий сигнал, направляемый в бортовой компьютер.

Мощность, отражаемая на уровне фильтров устройства уплотнения OMUX, направляется по циркуляторам 106, 107 различных каналов на силовую нагрузку 108, 109, связанную с каждым каналом, и эта мощность рассеивается в виде тепла.

Как было указано выше, недостатком этой технологии является время ее реагирования, так как термисторы 116, 117 имеют характеристики тепловой инерции, которые приводят к существенной задержке при детектироваии изменений измеряемой температуры. Это недостаточное реагирование системы по отношению к колебаниям температуры может привести к необратимому повреждению бортовых телекоммуникационных приборов.

На фиг. 2 показан пример силовой нагрузки для мощного изолятора. Эти силовые нагрузки обычно представляют собой элемент 200 волновода, например, из алюминия, имеющий прямоугольную или другую форму. Этот волновод содержит поглощающий материал 201, например, силиконовый карбид SiC RS - 4200 CHP, и выполнен открытым на одном из своих концов 203 и закрытым с другого конца 202, образуя короткий канал. Он работает как силовая нагрузка.

Таким образом, когда такой изолятор используют для рассеяния мощности, отражаемой на уровне устройства уплотнения OMUX, отраженный сигнал 204 направляется циркулятором в вышеуказанную силовую нагрузку, проходит в волновод и там рассеивается.

На фиг. 3 показана усовершенствованная силовая нагрузка, содержащая радиочастотный детектор. Эта силовая нагрузка выполнена в виде элемента 300 волновода из алюминия, имеющего прямоугольную или цилиндрическую форму. Упомянутый волновод содержит отверстие 303, через которое заходит предназначенный для ослабления входной сигнал 306. Ослабление происходит, благодаря использованию поглощающего материала 301. В этом варианте выполнения радиочастотный детектор 302 возбуждается сигналом, проходящим через соединительный элемент 308, находящийся на конце силовой нагрузки, то есть на уровне конца, противоположного отверстию 303. Волновод выполнен в виде короткого канала, однако может пропускать часть мощности на уровне своего конца 308, входящего в контакт с детектором 302, например, за счет связи. Радиочастотный детектор является, например, диодным детектором. Эту часть мощности детектор 302 преобразует в сигнал A(t) тревоги. Этот сигнал тревоги соответствует напряжению или силе тока, зависящим от входящей мощности на входе детектора 302. Этот сигнал тревоги можно при этом использовать, чтобы контролировать радиочастотные компоненты цепи усиления, с которой связано устройство изоляции и сигнализации, для понижения температуры компонентов в случае аномалии.

На фиг. 4 показан пример бортовой радиочастотной схемы, содержащей систему теплового контроля по сигналу тревоги.

Показанный на фигуре вариант выполнения содержит две цепи 400, 401 усиления. Для каждого канала показаны те же элементы, что были показаны на каналах на фиг. 1, то есть усилитель 404 канала, управляемый по коэффициенту усиления, усилитель 405, 410 мощности, циркулятор 406, 411, коммутатор 407, 412 и устройство уплотнения OMUX, содержащее несколько фильтров 408, 413 полосы пропускания.

Циркуляторы направляют отраженные сигналы в силовые нагрузки, содержащие радиочастотный детектор 402, 403. Эти изоляторы генерируют сигнал тревоги, направляемый по проводящей линии 414, 415 в усилитель 404, 409 канала. Модуль контроля усилителя позволяет скорректировать коэффициент усиления усилителя в зависимости от напряжения/силы тока сигнала. Модуль контроля интегрируется, например, в усилитель канала. В альтернативном варианте выполнения его можно размещать снаружи усилителя.

На фиг. 5 показан пример модуля контроля усилителя канала. Сигнал A(t) тревоги, сгенерированный радиочастотным детектором описанной выше силовой нагрузки, направляется в этот модуль контроля. Он поступает в пороговый компаратор 500 для сравнения с пороговым сигналом S. Значение порогового сигнала S является записанной в памяти константой, но может быть изменено при программировании модуля контроля. Выходной сигнал компаратора 500 является двоичным сигналом C(t), соответствующим «0» или «1». Например, при сравнении получают: A(t)<S⇒C(t)=0

A(t)≥S⇒C(t)=1

Схема 501 прерывателя позволяет активировать или деактивировать учет сигнала C(t), что эквивалентно активации или деактивации защиты от температурных повышений. Например, двоичный сигнал P(t) позволяет управлять этой активацией таким образом, чтобы, если P(t)=0, приводить выходной сигнал C'(t) схемы к 0, а если P(t)=1, C'(t)=C(t).

Сигнал C'(t) получается на выходе модуля контроля, и он сообщает бортовому компьютеру состояние контроля.

Сигнал C'(t) используется также в качестве входных данных логического порта 502 или, при этом вторая входная величина соответствуют двоичному командному сигналу Mon(t), сигнал C'(t) учитывается при управлении усилителем, когда, например, Mon(t)=1. Иначе говоря, выходной сигнал C”(t) порта 502 или является таким, что C”(t)=C'(t), когда Mon(t)=1, и его приводят к 0, если Mon(t)=0.

Модуль 503 вычисления заданного значения контроля определяет заданное значение контроля в зависимости от значения сигнала C'(t). Это заданное значение может быть командой, позволяющей деактивировать усилитель канала, связанный с модулем контроля, или командой коррекции коэффициента усиления упомянутого усилителя с учетом изменений сигнала C'(t) в течение данного интервала времени. Вычисление заданного значения можно активировать или деактивировать при помощи сигнала Moff(t).

В предложенном решении время реагирования, позволяющее учитывать аномальное повышение температуры, является исключительно коротким. Действительно, время реагирования детектора, а также время вычисления заданного значения модулем контроля составляет примерно несколько миллисекунд. Этот показатель можно сравнить с показателем известных систем, например, на основе термисторов, в которых время реагирования может достигать нескольких десятков секунд.

В некоторых вариантах выполнения радиочастотные устройства уплотнения можно выполнять таким образом, чтобы они выдерживали повышения температуры, связанные с сигналами вне полосы. Благодаря применению системы теплового контроля при помощи сигнала тревоги, требования, связанные с этим рассеянием, являются менее строгими, и поэтому размерность фильтров устройства уплотнения можно определять таким образом, чтобы получить экономию порядка 80 граммов на канал, что эквивалентно нескольким килограммам для всей бортовой радиочастотной схемы.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в системах спутниковой связи. Технический результат состоит в повышении качества принимаемой информации. Для этого бортовая радиочастотная схема установлена на спутнике, при этом данные передаются по нескольким каналам при помощи радиочастотных сигналов, причем один канал соответствует одной полосе частот, и с каналом может быть связана цепь (400, 401) усиления для генерирования радиочастотного сигнала, предназначенного для передачи по этому каналу, причем упомянутая цепь содержит, по меньшей мере, один усилитель с переменным коэффициентом усиления, а радиочастотные сигналы уплотняют при помощи устройства уплотнения, содержащего фильтры. Цепи усиления содержат силовую нагрузку, выполненную с возможностью рассеяния мощности сигналов, отражаемой фильтрами, при этом нагрузка содержит средства генерирования сигнала A(t) тревоги, представляющего уровень мощности отражаемых сигналов, сигнал тревоги используется для контроля коэффициента усиления усилителя с переменным коэффициентом усиления. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Радиочастотная схема, установленная на спутнике, в которой передача данных осуществляется по множеству каналов при помощи радиочастотных сигналов, причем один канал соответствует одной полосе частот и с каналом связана цепь (400, 401) усиления, так чтобы генерировать радиочастотный сигнал и передавать по указанному каналу, при этом цепь усиления содержит, по меньшей мере, один усилитель (404, 409) с переменным коэффициентом усиления, а генерированные таким образом радиочастотные сигналы уплотняются при помощи выходного устройства уплотнения, содержащего фильтры (408, 413) с полосой пропускания, отличающаяся тем, что каждая цепь (400, 401) усиления содержит силовую нагрузку (402, 403), выполненную с возможностью рассеяния мощности сигналов, отражаемой фильтрами выходного устройства уплотнения, при этом указанная силовая нагрузка содержит радиочастотный детектор для формирования сигнала A(t) тревоги, представляющего уровень мощности отражаемых сигналов, причем указанный сигнал тревоги используется для контроля коэффициента усиления усилителя (404, 409) с переменным коэффициентом усиления.

2. Схема по п. 1, отличающаяся тем, что содержит множество модулей (505) контроля, связанных с цепями (400, 401) усиления, причем каждый модуль контроля содержит средства (503) вычисления заданных контрольных значений усилителя с переменным коэффициентом усиления упомянутых цепей, причем заданные значения определяют путем сравнения (500) между величиной, представляющей сигнал A(t) тревоги, и заранее определенным пороговым значением S.

3. Схема по п. 2, отличающаяся тем, что величина, представляющая сигнал тревоги, является силой тока или напряжением указанного сигнала.

4. Схема по любому из пп. 2 или 3, отличающаяся тем, что заданное значение, генерируемое модулем контроля, является таким, что усилитель с переменным коэффициентом усиления, по меньшей мере, одной цепи усиления дезактивируется, когда значение, представляющее сигнал тревоги, превышает или равно пороговому значению S.

5. Силовая нагрузка, содержащая элемент (300) полого волновода, выполненный в виде короткого канала, содержащего отверстие (303) для входа сигнала, и предназначенный для ослабления входного сигнала посредством поглощающего материала (301), содержащегося в элементе (300) полого волновода,
отличающаяся тем, что содержит радиочастотный детектор (302), расположенный на конце (308), противоположном отверстию (303) элемента (300) полого волновода, при этом элемент (300) полого волновода выполнен таким образом, чтобы пропускать часть мощности входного сигнала (306) на уровне ближайшего к детектору (302) конца (308), при этом радиочастотный детектор предназначен для преобразования указанной части мощности в сигнал A(t) тревоги.

6. Силовая нагрузка по п. 5, отличающаяся тем, что радиочастотный детектор является диодным или транзисторным детектором (304).

7. Силовая нагрузка по любому из пп. 5 или 6, отличающаяся тем, что часть мощности входящего сигнала проходит в радиочастотный детектор через соединение (309).

8. Силовая нагрузка по п. 5, отличающаяся тем, что сигнал тревоги соответствует напряжению или силе тока и зависит от подаваемой мощности части мощности, присутствующей на входе детектора.