ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

ЭЛЕКТРОННАЯ КОМПОНЕНТНАЯ БАЗА, ФОТОНИКА

И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

УДК 621.396.13

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПЕРЕДАТЧИКОВ

S-ДИАПАЗОНА МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

ФГАУ «Военный инновационный технополис «ЭРА», Анапа, Россия

^*E-mail: Gosha986@rambler.ru

В данной статье рассматриваются вопросы, касающиеся принципа работы и внутреннего устройства современ-

ных передатчиков S-диапазона, устанавливаемых на малые космические аппараты. Был проведен сравнитель-

ный анализ технических характеристик различных передатчиков с описанием их преимуществ и недостатков.

ВВЕДЕНИЕ

VHF/UHF были пригодны для достижения целей

С момента запуска первого космического аппа-

миссии.

рата возникла серьезная необходимость в исполь-

Миссия Can-X2 использует частоты S-диапазо-

зовании спутниковой радиосвязи для получения и

на для передачи данных. Пропускная способность

передачи информации. В зависимости от назначе-

Can-X2 (до 1 Мбит/с) больше, чем у предыдущих

ния и особенностей передаваемых данных исполь-

миссий CubeSat, использующих UHF-частоты. Это

зуют разные частоты радиосигнала.

значит, что использование передатчиков, рассчи-

S-диапазон представляет собой совокупность

танных на более высокие частоты, помогает до-

дециметровых и сантиметровых длин волн с ча-

биться большей пропускной способности данных.

стотным спектром от 2 ГГц до 4 ГГц.

Передатчик s-диапазона в миссии AprizeSat-3

Его чаще всего используют при работе метео-

способен передавать данные со скоростью до не-

рологических и научных спутников, морских рада-

скольких Мбит/с. Обладая мощностью 1 Вт, он

ров, управление воздушным движением, а также в

потребляет меньше энергии, чем UHF-передатчик

системах цифрового радио и в мобильных телеком-

мощностью 6 Вт. Это преимущество в сочетании

муникациях. Для обработки и генерации сигнала с

с увеличенной скоростью передачи данных делает

длиной волны 15-7.5 см применяют передатчики

подсистему связи S-диапазона идеальным шлюзом

S-диапазона.

для больших требований к данным полезной на-

Данный диапазон по сравнению с Ku и Ka об-

грузки (ПН) [2].

ладает следующими особенностями [1]: менее вос-

При необходимости более быстрой передачи

приимчив к дождю, поддерживает более низкую

данных используют передатчики X-диапазона, как,

пропускную способность, имеет узкополосный

например, в миссии NigeriaSat-X. В ней данные ПН

спектр, требует более крупные габариты антенны.

нисходят либо через высокоскоростной передатчик

S-диапазона, работающий со скоростью 8 Мбит/с,

ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАТЧИКОВ

либо через высокоскоростной передатчик X-диапа-

S-ДИАПАЗОНА

зона, работающий со скоростью 20 Мбит/с [3].

Миссии CubeSat активно используют люби-

тельские полосы частот, ультравысокие частоты

ПРИНЦИП РАБОТЫ ПЕРЕДАТЧИКОВ

(UHF), из-за того, что проектирование радиоча-

S-ДИАПАЗОНА

стотных систем проще и уровни затухания сигна-

Для передачи информации по беспроводному

ла ниже по сравнению с более высокими частота-

каналу, она должна быть перенесена на несущую

ми. До определенного времени, от большинства

частоту с модуляцией. Чтобы модулировать ин-

миссий CubeSat не требовалась высокая пропуск-

формацию, в передатчике установлен модулятор,

ная способность данных, следовательно, частоты

передающий данные в виде символов на несущую

А.В. ЕФРЕМОВ и др.

Рис. 1. Схема типичного передатчика

частоту. Сигнал, по которому передаются символы,

ляцией (ЧМ) и фазовой модуляцией (ФМ) соот-

называется основной полосой. Локальный генера-

ветственно. Поскольку радиочастотные передачи с

тор (ЛГ) обеспечивает более высокие частоты, с

постоянной огибающей имеют менее строгие тре-

которыми смешиваются сигналы основной полосы

бования к линейности по сравнению с непостоян-

частот для получения модулированной несущей.

ными огибающими передачами, предпочтительны

После того, как сигналы основной полосы смеши-

схемы модуляции ФМ и ЧМ вместо АМ.

ваются с несущей частотой, модулированная не-

Рассмотрим особенности устройства на схеме

сущая проходит через усилитель мощности (УМ).

передатчика S-диапазона МКА Aalto-1 2017 года.

После усиления сигнала он передается по радиоча-

Он принимает передаваемые данные, генерирует из

стотной сигнальной линии на передающую антен-

них исходный немодулированный сигнал, модули-

ну. В передатчике обычно используются фильтры

рует его на радиочастотную несущую и после это-

для удаления нежелательных частот, вызванных

го усиливает. Существует возможность изменять

нелинейностями радиочастотных компонентов.

скорость передачи данных и выходную мощность

Схема типичного передатчика показана на рис. 1.

радиочастотного приемопередатчика при помощи

Информационные символы могут быть выраже-

микроконтроллера. Он с помощью интерфейса вза-

ны как в виде амплитудных изменений на несущей

имодействует с бортовым компьютером и передает

частоте, так в виде изменения частоты или фазы

данные на приемопередатчик. На рис. 2 показаны

несущей волны. Эти виды изменений называются

основные функциональные блоки для первона-

амплитудной модуляцией (АМ), частотной моду-

чальной конструкции передатчика S-диапазона [4].

Рис. 2. Функциональные блоки исходной архитектуры передатчика S-диапазона

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПЕРЕДАТЧИКОВ S-ДИАПАЗОНА МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

ПЕРЕДАТЧИК S-ДИАПАЗОНА DP-CRF-5615

щие данные I и Q от ЦАП с запрограммированным

DP-CRF-5615 основан на передающем модуле,

несущим сигналом. Модуль имеет встроенный кон-

специально используемом для высокой скорости

тур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и

передачи данных на нисходящей линии. Модуль

кварцевый генератор с температурной компенсаци-

работает с регулируемым питанием +5 В и +3.3 В.

ей (КГТК) для генерации несущей. Модулирован-

Его полная функциональность достигается за счет

ный сигнал усиливается на выходе 1 Вт и проходит

двух основных конструктивных блоков - цифро-

через фильтр низких частот (ФНЧ) для удаления

вого контроллера и радиочастотного передатчика.

гармонических сигналов. Выход усилителя мощ-

Блок-схема передатчика представлена на рис. 3.

ности соединен через направленную муфту и кон-

Цифровой контроллер включает в себя блок

тролируется с помощью логарифмического усили-

программируемой пользователем вентильной ма-

теля и АЦП [5].

трицы (ППВМ) и блок цифро-аналогового преоб-

разователя (ЦАП) для сопряжения передающего

ПЕРЕДАТЧИК S-ДИАПАЗОНА ISIS-TXS

модуля с бортовым компьютером (БК) или систе-

ISIS-TXS - это модуль передатчика с высо-

мой обработки данных. БК или система обработки

кой скоростью передачи данных и совместимый с

данных собирает данные ПН через последователь-

CubeSat, разработанный для удовлетворения по-

ный периферийный интерфейс или Serial Peripheral

требностей передачи данных по нисходящим ка-

Interface (SPI). Кадрирование данных, кодирование

налам. Передатчик может использоваться как для

и фильтрация основной полосы частот выполня-

нисходящей линии связи подсистемы слежения, те-

ются в ППВМ, а данные ПН доставляются в виде

леметрии и передачи команд управления, так и для

чередующихся цифровых данных I и Q к парал-

передачи данных ПН. Его блок-схема представлена

лельному ЦАП. Конфигурационные команды для

на рис. 4.

несущей частоты, уровня мощности, скорости пе-

Передатчик S-диапазона является очень гиб-

редачи данных и схемы модуляции могут быть вы-

ким, реализует стандарты Международного Кон-

браны или запрограммированы через интерфейс

сультативного Комитета по космическим системам

Inter Integrated Circuit (I2C).

передачи данных (CCSDS) в протоколах передачи

Радиочастотный передатчик включает в себя

данных и позволяет в полете настраивать ее ско-

модулятор и радиочастотные усилители. Модуля-

рость (до 100 кбит/с), схему модуляции, частоту

тор используется для генерации несущего сигнала

(2100-2500 МГц) и выходную мощность при низ-

квадратурной модуляции. Он модулирует входя-

ком энергопотреблении [6].

Рис. 3. Блок-схема передатчика S-диапазона DP-CRF-5615

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

А.В. ЕФРЕМОВ и др.

Рис. 4. Блок-схема передатчика S-диапазона ISIS-TXS

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

ет возникновение антенного эффекта на фидере

Произведя анализ таблицы 1, был сделан вывод,

радиопередатчика. Данный эффект заключается в

что несмотря на больший вес, потребляемую мощ-

излучении или приеме электромагнитных волн не

ность и меньший рабочий диапазон частот, пере-

предназначенными для этого проводниками элек-

датчик DP-CRF-5615 позволяет развивать большую

трического тока.

выходную мощность и скорость передачи данных.

Также одним из преимуществ передатчика DP-

Если при проектировании малого космического ап-

CRF-5615 является наличие в нем пассивной ав-

парата нет жестких требований по массе аппарата

томатической регулировки усиления (АРУ), что

и его потребляемой мощности, то целесообразней

предотвращает искажения сигнала на приемнике.

использовать передатчик DP-CRF-5615, для более

Причем именно пассивные АРУ не потребляют

быстрой передачи информации с ПН на приемное

электрическую энергию.

устройство. Это позволит оперативно обрабаты-

Допустим нам необходимо обладать более вы-

вать телеметрические параметры, а в случае обна-

сокими значениями мощности сигнала для полу-

ружения аномальных ситуаций своевременно при-

чения большей дальности действия устройства.

нимать меры по их устранению.

Посмотрим, как изменятся внешние условия и воз-

При рассмотрении блок схем передатчика DP-

можности работы трансмиттера, если передатчик

CRF-5615 можно сделать вывод о большей поме-

будет работать при температуре 55°С.

хозащищенности от внутренних помех в отличие

В начале определим площадь поверхностей

от ISIS-TXS. Это связано с наличием в нем сим-

блока:

метрирующего устройства, которое предотвраща-

Для верхней и нижней [7]:

Таблица 1. Перечень основных характеристик передатчиков

S_бл.в = S_бл.н = l_блb_бл=0.01 м²,

(1)

S-диапазона

где l_бл

- длина поверхности корпуса блока; b_бл -

Передатчик

DP-CRF-5615

ISIS-TXS

ширина поверхности корпуса блока.

Применение

CubeSat

Для боковой [7]:

Размеры

96×90 мм

Вес

< 105 грамм

62 грамм

S_бл.б = 2(l_бл + b_бл) = 0.04 м².

(2)

Рабочие частоты

2.2-2.5 ГГц

2.1-2.5 ГГц

Выходная мощность

27-30 дБм

< 28 дБм

Задаем перепад температур между корпусом и

Скорость передачи

19.2-2000 Кб/с

До 100 Кб/с

окружающей средой:

Типы модуляций

BPSK, QPSK, OQPSK

BPSK, GMSK

Потребляемая мощность

до 4 Вт

до 6.5 Вт

∆t_{корп-о.с.} = 6.48°С.

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПЕРЕДАТЧИКОВ S-ДИАПАЗОНА МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Определяем температуру корпуса блока [7]:

α_л.б = α_л.в =α_л.н = 10.36.

t_{корп.бл} = t_о.с. + ∆t_{корп-о.с.} = 61.48°С,

(3)

Рассчитываем тепловую проводимость между

поверхностью корпуса и окружающей средой [7]:

где tо.с. - максимальная температура окружающей

среды, °С.

σ_{т.корп-о.с.} = (α_конв.н+ α_л.н)S_бл.н + (α_конв.б + α_л.б)S_бл.б +

Находим среднюю температуру между корпу-

+ (α_конв.в + α_л.в)S_бл.в,

(8)

сом и окружающей средой [7]:

где α_конв.н, α_конв.б, α_конв.в

- коэффициенты коллек-

корп.бл

о.с.

58.24°С

(4)

тивного теплообмена для нижней, боковой и верх-

корп-о.с.

ней поверхности корпуса блока соответственно;

α_л.н, α_л.б, α_л.в - коэффициенты лучистого теплооб-

Определяем закон теплообмена [7]:

мена для нижней, боковой и верхней поверхности

корпуса блока соответственно.

⎛ 0.84⎞

Δt

≤

(5)

σ_{т.корп-о.с.} = 5.91.

корп-о.с.

⎜

⎟

⎝

опрi

⎠

Рассчитываем перепад температур между кор-

где lопрi - определяющий размер поверхности, м.

пусом и окружающей средой во втором приближе-

Так как l_бл = b_бл = h_бл, то:

нии [7]:

бл

⎛

0.84⎞

Δt

(9)

корп-о.с.

592.7°С,

⎜

⎟

т.корп-о.с.

⎝

⎠

бл

∆t_{корп-о.с.} = 6.48 ≤ 592.7.

где Q_бл - мощность, рассеиваемая блоком, Вт.

∆t^*

= 6.77.

Так как условие выполняется, теплообмен про-

корп-о.с.

ходит по закону ¼.

Определяем ошибку (точность) расчета [7]:

Рассчитываем коэффициенты конвективного те-

плообмена для каждой поверхности блока [7]:

∆p = |∆t^*

-∆t_{корп-о.с.}| = 0.29.

(10)

корп-о.с.

−t

∆p ≤

1, соответственно, ошибка не превы-

корп.бл

о.с.

(6)

конвi

пов.блi

шает допустимые пределы. В пересчете нет

опрi

необходимости.

Определяем температуру корпуса с учетом пер-

где kпов.блi - коэффициент, учитывающий положение

форации и поправки на атмосферное давление

поверхностей корпуса блока (для нижней поверх-

окружающей среды [7]:

ности - 0.7, для боковой - 1, для верхней - 1.3);

[7].

∆t′_{корп-о.с.}= ∆tкорп-о.с. kK перф kP о.с.

(11)

Получим α_конв.в= 4.83, α_конв.н= 2.6, α_конв.б = 3.72.

Определяем коэффициент лучистого теплооб-

где kK перф - коэффициент, зависящий от коэф-

мена для каждой поверхности блока [7]:

фициента перфорации блока k_перф (рис. 2.7) [7];

kP о.с. - коэффициент, зависящий от атмосферного

давления окружающий среды P_о.с.[7], а k_перф опреде-

⎛

+273

⎞

⎛t

+273⎞

корп.бл

−

ляется выражением:

⎜

⎟

⎜

⎟

⎝

100

⎠

⎝

100

⎠

⋅5.67⋅

, (7)

лi

корпi

-t

корп.бл

о.с.

перф

0.0016

0.08

(12)

перф

0.01+0.01

бл.н

бл.в

где εкорпi - коэффициент черноты корпуса блока.

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

А.В. ЕФРЕМОВ и др.

kP о.с. ∆t′_{корп-о.с.} = 5.31°С.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Lin, Chin-Yew. «Rouge: A package for automatic 1.

Определяем температуру корпуса блока [7]:

Сайт RF Wireless World (Home of RF and Wireless

Vendors and Resources) [Электронный ресурс]. -

t_{корп.бл} = t_о.с. + ∆t′_{корп-о.с.} = 60.31°С.

(13)

2012.

- Режим доступа: https://www.rfwireless-

world.com (дата обращения 24.03.2021).

При проведении расчета температуры электрон-

2. Сайт eoPortal Directory

[Электронный ре-

ных компонентов на печатной плате передатчика

сурс]. -

2000-2021

- Режим доступа: https://

мы получим еще более высокие значения. Это зна-

directory.eoportal.org (дата обращения 24.03.2021).

чит, что при разработке приемопередатчика с такой

3. Сайт eoPortal Directory

[Электронный ре-

мощностью потребуется использовать принуди-

сурс]. -

2000-2021

- Режим доступа: https://

тельное охлаждение. Выполнение такого же рас-

directory.eoportal.org (дата обращения 24.03.2021).

чет для трансмиттеров DP-CRF-5615 и ISIS-TXS

(при температуре 54°С) приводит к получению

4. Сайт Aalto University [Электронный ресурс]. -

температуры корпуса равной 54.64°С и 54.91°С

2000-2021 - Режим доступа: https://aaltodoc.aalto.

соответственно.

fi (дата обращения 24.03.2021).

Сайт satsearch

[Электронный ресурс]. -

ВЫВОДЫ

2015-2021 - Режим доступа: https://satsearch.co/

Из проведенных расчетов видно, что при необ-

products/isis-isis-txs-s-band-transmitter (дата обра-

ходимости использовать приемники для передачи

щения 24.03.2021).

сигналов большей мощности стоит избегать про-

6. Сайт satsearch

[Электронный ресурс].

стого увеличения потребляемой мощности прием-

2015-2021

- Режим доступа: https://satsearch.

ника, так как это приводит к увеличению рассеива-

co/products/data-patterns-dp-crf-5615-s-band-

емой мощности и повышению температуры внутри

transmitterx (дата обращения 24.03.2021).

корпуса космического аппарата, а мощность на

Конструкторско-технологические

расче-

выходе приемника может практически не изменят-

ты электронной аппаратуры

/ Э.Н. Камыш-

ся, что мы и видим при сравнении приведенных

ная, В.В. Маркелов, В.А. Соловьев. М.: МГТУ им.

в данной статье устройств. Для увеличения отно-

Н.Э. Баумана, 2016.

шения сигнал/шум лучше повышать помехозащи-

щенность токопроводящих частей и изменять кон-

струкцию подсоединяемой к приемопередатчику

антенны.

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021