Разработка приемо-передающего радиокомплекса

Рис. 2.  Канал связи и элементы приемо-передатчика

Особенностью данной дипломной работы является исследование и расчет возможностей организации беспроводной связи на СВЧ, в миллиметровом (ММ) диапазоне в районе неосвоенных промышленностью частот от 40 до 50 ГГц.

На данный момент диапазон 40.5-43.5 ГГц миллиметровых длин волн является практически неосвоенным из-за сложности разработок. И в то же время, выделяемый в этом диапазоне канал в 3 ГЦ даёт возможность использования широкополосного сигнала, благодаря чему увеличивается пропускная способность канала и скорость передачи данных. Подобные скорости на сегодняшний день были доступны только оптоволоконным системам. Однако оборудование, работающее в миллиметровом диапазоне, даёт возможность построить универсальные беспроводные высокоскоростные сети, позволяющие реализовать самые разные услуги цифровой связи, в том числе и сервисы Triple Play - доступ к Интернет, телевещание по IP (IPTV, HD-IPTV); видео по требованию VoD (Video on Demand); IP-телефония (VoIP).

            Учитывая потребность повышения эффективности использования радиочастотного спектра и признавая важность внедрения современных систем и технологий в диапазоне 40.5 - 43.5 ГГц, в апреле 2008 года государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) приняла решение об упрощении процедуры выделения полосы радиочастот 40.5 - 43.5 ГГц для использования радиоэлектронными средствами фиксированного беспроводного доступа гражданского назначения. Таким образом, Комиссия отменила необходимость оформления отдельных решений ГКРЧ на использование радиочастот 40.5 - 43.5 ГГц для применения РЭС для каждого конкретного пользователя.

Так как  канал связи начинается с антенн рассмотрим антенны и выберем подходящую к СВЧ связи тип антенн.

1.3.1. Антенны

При приеме сигналов приемная антенна играет одну из важнейших функции.

        Антенны классифицируются по диапазону радиоволн, применению, общности отдельных характеристик (полосы пропускания, диаграммы направленности и т. д.) и принципу действия. Наиболее целесообразно антенны классифицировать по принципу действия, который во многом определяет форму, основные характеристики и применение антенн.

В соответствии с этим антенны можно разделить на три группы.

1. Линейная антенна - излучающая  система, поперечные размеры которой  значительно меньше длины волны, с переменными токами, текущими  вдоль оси системы. К линейным антеннам, применяемым в диапазоне СВЧ, относятся вибраторы.

2. Антенная решетка - система  однотипных излучателей, расположенных  определенным образом и возбуждаемых  одним генератором или несколькими  когерентными генераторами. Типичными антенными решетками являются: директорная антенна, щелевая антенна, поверхностные антенны из полуволновых симметричных .вибраторов и др.

3. Апертурная антенна - устройство, отличающееся тем, что его выход  можно представить как некоторую  поверхность, через которую проходит весь поток излучаемой (принимаемой) электромагнитной энергии. Эта поверхность называется апертурой или раскрывом. Размеры раскрыва обычно больше длины волны. К апертурным антеннам относятся системы акустического типа - рупоры, антенны оптического типа - .зеркала и линзы, а также антенны поверхностной волны.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕНН

1. Диаграмма направленности (ДН).

2. Ширина главного лепестка. Диаграмма направленности может  иметь несколько направлений  максимального излучения (несколько лепестков). Один из них, имеющий наибольшую величину, называется главным. Ширина главного лепестка, являющегося рабочим, характеризует ширину диаграммы направленности.

3. Эффективная площадь {Sg) -число, характеризующее величину площади, через которую приемная антенна собирает энергию: SgKuS, где /Си<;1 - коэффициент использования поверхности раскрыва; 5 - поверхность раскрыва антенны.

4. Коэффициент направленного  действия (КНД) - число, определяемое  отношением мощностей излучения  направленной и ненаправленной антенн, создающих в данном направлении на одном и том же расстоянии одинаковую напряженность поля.

Иногда вместо КНД удобнее использовать коэффициент усиления (КУ) антенны, который представляет собой произведение КНД на коэффициент полезного действия (КПД) антенны. Так как КПД антенны близок к единице, то без большой ошибки можно считать, что КНД и КУ равны между собой.

5. Входное сопротивление  антенны (Za) является эквивалентной  величиной, определяющей согласование  антенны с СВЧ трактом. В общем случае Za=Ra+iXa, где Ra=Rn+Rj: - активная составляющая; Rn - сопротивление потерь, характеризующее тепловые потери; - сопротивление излучения, характеризующее эффект излучения; Ха - реактивная составляющая, характеризующая отражение от антенны. Обычно коэффициент стоячей волны антенны не превышает /Сст1,5. При этом условии Xa<iRa и входное сопротивление антенны примерно равно волновому сопротивлению питающего тракта ZaZ.

6. Коэффициент полезного действия (КПД) определяют отношением излучаемюй мощности к полной мощности, подводимой к антенне РаР+Рп.

г, = -

где Рп - м.ощность тепловых потерь в антенне.

8. Рабочий Диапазон частот  антенны характеризуется интервалом  частот от /max ДО /min, В .котором значения  всех параметров антенны не  выходят за пределы заданных. Чаще всего критерием для определения полосы является входное сопротивление.

 

 

 

 

 1.3.2. Приемо-передатчики        

 

На миллиметровых  волнах могут работать сверхширокополосные и помехзащищенные, в том числе межспутниковые и другие системы связи. Связные радиопередатчики в этих диапазонах строятся по супергетеродинной схеме (рис.   ). Обычно первым каскадом является смеситель, малошумящие усилители радиочастоты (РЧ) применяются сравнительно редко, лишь в длинноволновой части ММ диапазоне. Входные цепи (ВЦ) таких приемников выполняют функции выделения необходимой полосы частот входного сигнала, фильтрации помех, подачи мощности гетеродина на смеситель и подавления АМ шумов гетеродина. Основное требование  к  ВЦ - малость потерь входного сигнала.

 

 

Рис.   Структура приемника ММ диапазона

 

 

В длинноволновой части ММ диапазона ВЦ часто выполняют на волноводах и на микрополосковых линиях (МПЛ) , причем для уменьшения потерь геомеьтрическую длину волнового тракта предельно уменьшают. \широко используется также принципиальноотличный класс ВЦ - квазиоптические интерферометры. выполняющие функции частотных фильтров и разделителей сигналов разных частот и поляризаций.

В качестве МШУ на входе приемников ММ диапазона могут использоваться полупроводниковые усилители (ППУ), однако в этом случае серьезной технической трудностью является создание генераторов накачки необходимой мощности. Наиболее широко используемыми нелинейными элементами смесителей ММ диапазона является арсенидкаллиевые ДБШ ? . Применяют как однотактную схему построения смесителя, так и двух дионые: балансные, субгармонические и двухтактные. Благодаря подавлению АМ шумов гетеродина с балансными смесителями могут применяться  низкочастотные УПЧ или УПЧ с низкой границей полосы пропускания.

В качестве гетеродина используется маломощные вакуумные и твердотельные источнини колебаний: отражательные клистроны, лампы обратной волны (ЛОВ), генераторы на ЛПД ?, диодах Ганна и ПТШ?, более низкочастотные твердотельные генераторы с варакторными умножителями частоты. С примененим варакторных умножителей частоты удается получать гетеродинную мощнсть 5 -20 мВт на частотах 100-250 ГГц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Технологическая часть    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     28

Большинством проектов предусматривалось создание полностью авто-

номного беспилотного дирижабля, способного подниматься на высоту бо-

лее 20 км. Выбор данных слоев атмосферы (зона так называемой велопаузы,

разделяющей потоки воздуха с противоположно направленными скоростями)

определяется рядом обстоятельств. С увеличением высоты скорость ветра

растет и достигает максимума (более 30 м/с) на высотах порядка 10 км, а за-

тем к высотам около 20 км ветер спадает до минимума (около 10 м/c). На

данных высотах, наряду с незначительными скоростями преобладающих вет-

ров, отмечается также относительное их постоянство по направлению

Предполагается, что основным полетным режимом при эксплуатации

стратосферных дирижаблей будет зависание над заданной точкой земной

поверхности и дрейф в пределах "куба" размером порядка 1×1×1 км. Такие

стратосферные дирижабли становятся фактически низкоорбитальными гео-

стационарными спутниками Земли, в связи с чем они получили название

геостационарных стратосферных платформ (ГСП).

Управление полетом и работой систем летательного аппарата предполагается осуществлять из диспетчерского центра преимущественно в автоматизированном режиме. Предполагаемая длительность автономного полетадирижабля – от 3 до 10 месяцев. Энергообеспечение работы двигателей и оборудования осуществляется за счёт накопления энергии, полученной от  солнечных батарей. Для полярных широт (проблема полярной ночи) рассматривается возможность использования компактного ядерного реактора.

Практическая реализация проектов сдерживалась в силу несовершенства технологий энергообеспечения двигательных установок и отсутствия необходимых материалов для построения корпуса стратосферного дирижабля.

Для этих целей требуются легкие конструкционные материалы, обеспечивающие необходимую прочность и жесткость аппарата достаточно большого размера: для подъёма нескольких тонн полезной нагрузки на высоты порядка  20 км необходимый объем дирижабля составляет сотни тысяч кубометров гелия или водорода, а линейные размеры дирижабля достигают нескольких сотен метров.

Также необходимы оболочечные материалы с высокой удельной прочностью и малой газопроницаемостью. Достижения 1980-1990-х годов в областях энергетики (солнечные накопители и регенеративные энергетические элементы, например водородные топливные элементы) и материаловедения (композиционные и полимерные материалы, фотогальванические пленки) обусловили возможности решения имеющихся проблем, и к 2003-2004 гг. поступила первая информация о тестах прототипов стратосферных дирижаблей с полезной нагрузкой от 2 до 5 тонн. Развернувшаяся к 2010 г. гонка ведущих  аэрокосмических компаний по созданию стратосферных беспилотных дирижаблей свидетельствует о начале новой волны научно-технической революции.

 

 

 

 

        2.1. Технология  стратосферной связи  на СВЧ   . . . . . . . . . . . .      30

 

Беспроводные технологии — подкласс информационных технологий, служащих для передачи информации на расстояние между двумя и более точками, не требуя связи их проводами. Для передачи информации может использоваться инфракрасное излучение, радиоволны, оптическое или лазерное излучение.

В настоящее время существует множество беспроводных технологий. Каждая технология обладает определёнными характеристиками, которые определяют её область применения.

Существуют различные подходы к классификации беспроводных технологий.

По дальности действия можно выделить:

Рис. 1. Классификация по дальности действия

• Беспроводные персональные сети (WPAN — Wireless Personal Area Networks). Примеры технологий — Bluetooth.
• Беспроводные локальные сети (WLAN — Wireless Local Area Networks). Примеры технологий — Wi-Fi.
• Беспроводные сети масштаба города (WMAN — Wireless Metropolitan Area Networks). Примеры технологий — WiMAX.

WPANS: Беспроводные  персональные сети

Две современные технологии создания беспроводных персональных сетей — это Infra Red (IR (ИК)) и Bluetooth (IEEE 802.15). Они предоставляют возможность связи устройств в радиусе 30 футов (около 10 м). Для установки ИК связи устройства должны находиться в зоне прямой видимости. Их связь характеризуется достаточно небольшим расстоянием.

WLANS: Беспроводные  локальные сети

WLANS предоставляет возможность  пользователям определенного района  или места, например, университетского  городка или библиотеки, создать  сеть и получить доступ в  Интернет. Временная сеть может быть создана с ограниченным числом пользователей и без приемоперадатчика при условии, что им не требуется доступ к Интернет-ресурсам.

WMANS: Беспроводные  городские сети

Даная технология позволяет объединять несколько сетей в городе, например, городские здания, что является прекрасной альтернативой кабельному соединению.

Также в некоторых источниках выделяют глобальные беспроводные сети (WWANS), которые действуют до 10 тис. км.

WWANS: Беспроводные  глобальные сети

Данный тип сетей объединяет  различные города и страны посредством систем спутниковой или антенной связи. Их называют системами 2G (системами второго поколения).

Кратким, но ёмким способом классификации может служить одновременное отображение двух наиболее существенных характеристик беспроводных технологий на двух осях: максимальная скорость передачи информации и максимальное расстояние.

 

Рис. 2. Классификация по дальности действия и максимальной скорости передачи данных

 

По области применения можно выделить:

• Корпоративные (ведомственные) беспроводные сети — создаваемые компаниями для собственных нужд.
• Операторские беспроводные сети — создаваемые операторами связи для возмездного оказания услуг.

В комплексе с классификацией беспроводных сетей необходимо рассмотреть основные стандарты, которые действуют в этой области.

Стандарт 802.11 впервые появился в 1990-х годах. Он был разработан Институтом электроники и электрики. Теперь он является ведущей технологией в мире беспроводных сетей. Использование FHSS (frequency hopping spread spectrum) or DSSS (direct sequence spread spectrum) обеспечивает передачу данных со скоростью от 1 до 2 Мбит в секунду в 2.4 ГГц канале.

 

802.16-2004 (известен  также как 802.16d и фиксированный WiMAX).

 

          Спецификация утверждена в 2004 году. Используется ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM), поддерживается фиксированный доступ в зонах с наличием либо отсутствием прямой видимости. Пользовательские устройства представляют собой стационарные модемы для установки вне и внутри помещений, а также PCMCIA-карты для ноутбуков. В большинстве стран под эту технологию отведены диапазоны 3,5 и 5 ГГц. По сведениям WiMAX Forum, насчитывается уже порядка 175 внедрений фиксированной версии. Многие аналитики видят в ней конкурирующую или взаимодополняющую технологию проводного широкополосного