Бюджетные передатчики Ka-диапазона для CubeSat систем от компании Sage Millimeter

В 2013 г. SAGE Millimeter, ведущая компания в области разработки и производства изделий в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн, начала разработку передающего модуля Ка-диапазона нисходящего канала связи для микро- и наноспутников. Через пять месяцев был разработан первый прототип, а уже к середине 2014 г. два модуля успешно работали на орбите. На рис. 1 показана летная версия модуля. Компании Sage Millimeter удалось одной из первых успешно реализовать эту архитектуру для нано-/микроспутников.

Рис. 1. Передающий модуль Sage Millimeter Ка-диапазона

Эта реализация обеспечивает высокую скорость передачи данных по каналу связи «борт–земля» и позволяет избавиться от необходимости использовать перегруженный и зашумленный канал в S‑диапазоне.

Структура передающего модуля Ка-диапазона

Передающий модуль представляет собой высокочастотный гетеродинный усилитель–преобразователь с повышением частоты, специально разработанный для CubeSat и небольших спутниковых платформ. Модуль реализован по гибридной схеме с использованием МИС (MMIC), элементов поверхностного монтажа, волноводного резонаторного фильтра и схемы питания. Передающий модуль является достаточно компактным и легким — его линейные размеры составляют 96,0×87,4×112,5 мм при весе 680 г.

В состав структурной схемы на рис. 2 входит генератор с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), работающий на частоте 12,9 ГГц, смеситель с субгармонической накачкой, волноводный полосовой фильтр, поляризатор с правой круговой поляризацией и антенна с корректирующей линзой. Генератор с фазовой подстройкой частоты, являющийся базовым элементом передающего модуля, задает форм-фактор, благодаря которому модуль выдерживает большие внешние нагрузки. В гетеродинном тракте модуля имеется кварцевый генератор на 100 МГц, внутренне связанный с генератором на диэлектрическом резонаторе с варакторной подстройкой, подающий сигнал на смеситель с субгармонической накачкой. Сигнал промежуточной частоты (ПЧ) 1 ГГц смешивается со второй гармоникой гетеродина, благодаря чему частота выходного сигнала смесителя составляет 26,8 ГГц. Использование смесителя с субгармонической накачкой позволяет смягчить требования к генератору с фазовой автоподстройкой частоты.

Рис. 2. Структурная схема передающего модуля Ка-диапазона

РЧ-тракт изготовляется по гибридной технологии с использованием кристаллов МИС. Цепи согласования и линии связи вытравливаются на СВЧ-ламинатах, обеспечивая высокую производительность при достаточно компактных размерах, что является принципиальным отличием платформ типа CubeSat. Каскад передатчика, следующий после смесителя, состоит из волноводного фильтра с волноводно-микрополосковым переходом для подавления внеполосных и паразитных колебаний. Для соответствия требованиям системы с нисходящей линией связи задающий усилитель и усилитель высокой мощности должен обладать высокой линейностью. Система питания включает в себя линейный регулятор (LDO) и инвертирующий регулятор для подачи напряжения смещения на pHEMT. Такой подход позволяет управлять передающим модулем с помощью одного положительного напряжения.

Передающий модуль обеспечивает выходную мощность 29,5 дБм в точке 1 дБ компрессии с коэффициентом усиления 23 дБ. С выхода балансного усилителя высокой мощности ВЧ-сигнал подается на вход ответвителя, где часть сигнала ответвляется для контроля над уровнем мощности. Далее сигнал через волноводно-микрополосковый переход подается на круговой поляризатор и линзовую антенну с коэффициентом усиления 23 дБ, что обеспечивает эквивалентную изотропно-излучаемую мощность 50 дБм.

Результаты измерений

Результаты измерений передатчика приведены в таблице. Выходная мощность P–1 дБ: 29 дБм; коэффициент усиления: 23 дБ; подавление внеполосных и паразитных колебаний; –50 и –60 дБи. В первую очередь, фазовый шум зависит от генератора с фазовой автоподстройкой частоты. На рис. 3 показана огибающая фазового шума, типовое значение которого составляет –90 дБн/Гц при отстройке на 100 кГц от частоты 26,8 ГГц.

Рис. 3. Огибающая фазового шума

Диаграмма направленности для дальней зоны антенны приведена на рис. 4. Ширина луча на уровне 3 дБ на частоте 26,8 ГГц составляет 10,2° с коэффициентом усиления 23,3 дБи. Максимальный уровень боковых лепестков на уровне –26,0 дБ, что превзошло расчетное значение –20 дБ.

Рис. 4. Диаграмма направленности

В заключение было проведено термоциклирование, на рис. 5 приведена спектрограмма, подтверждающая чистоту спектра, выходную мощность и отсутствие побочных гармоник. Испытания проводились при температурах –25, +25 и +65 °C. Стандартные квалификационные испытания были выполнены в составе спутника.

Рис. 5. Измеренный выходной сигнал модуля

Итак, компания Sage Millimeter, обладающая технологиями и элементной базой, которые отвечают требованиям развивающегося рынка микро- и наноспутников, создает высокоэффективные решения с достаточно низкой стоимостью. Эти решения открывают новые возможности и перспективы для создателей систем микроспутников.