Передатчики и антенны АМС

[Боря]

Уважаемые знатоки космонавтики. С большим интересом прочитал материал посвященны полетам советских АМС к Марсу. Может быть у кого есть более подробная информация о  элементной базе и  конструкции передатчиков, приемников и антенн советских (российских) и иностранных АМС. Интересуюсь ужасно. Заранее благодарен.

[X]

помню в номере посвященном запуску Мессенджера меня потрясло описание антенны аппарата - первой межпланетной антенны высокого усиления  с   фазированиой решеткой. То есть теперь не надо крутить антенну или весь аппарат целиком , чтобы передавать данные.  Я тогда помню так и не понял  ,почему раньше такого не делали.

[Бука]

Если читаете по ангийски - см здесь:
http://www.mentallandscape.com/V_Venus.htm

[Боря]

Спасибо большое, сегодня все утро переводил, честно говоря, не понял объяснение преимуществ фазовой модуляции перед частотной. Интересно, почему на наших АМС применялись спиральные антенны, а на иностранных нет, чем их заменяли? Какова должна быть мощность передатчика на Венере, чтобы через спиральную (ненаправленную) антенну достать до Земли. Какие использовались методы кодирования?

[Agent]

НАСА в 2009 на орбиту Марса запустит ретранслятор с лазерной связью.
30мбит\с - этого хватит чтобы гнать потоковое видео с MSL, MRO и всего остального что там будет к тому времени.

[X]

помню в номере посвященном запуску Мессенджера меня потрясло описание антенны аппарата - первой межпланетной антенны высокого усиления  с   фазированиой решеткой. То есть теперь не надо крутить антенну или весь аппарат целиком , чтобы передавать данные.  Я тогда помню так и не понял  ,почему раньше такого не делали.

Фазированные решетки сложнее и дороже. Требуют большого числа мощных элементов. Единичный электровакуумный прибор до определенного момента был надежней полупроводниковой АФАР и превосходил по радиационной стойкости. Немаловажным фактором является существенно больший КПД ЭВП этого диапазона. Поэтому для большинства случаев проще (дешевле) изготовить антену с  устройсвом ориентации.

[X]

Спасибо большое, сегодня все утро переводил, честно говоря, не понял объяснение преимуществ фазовой модуляции перед частотной. Интересно, почему на наших АМС применялись спиральные антенны, а на иностранных нет, чем их заменяли? Какова должна быть мощность передатчика на Венере, чтобы через спиральную (ненаправленную) антенну достать до Земли. Какие использовались методы кодирования?

Спиральные антены - антены круговой поляризации. КП обеспечивает более устойчивую связь при прохождении сильноионизированных (относительно) слоев.  Спиральная антена обычно всегда имеет отражатель и является направленной, для увеличения этой направленности их собирают в решетки от 4 шт. Фото таких антен есть на этом сайте.  Дальность связи зависит не только от мощности предатчика, но и от чуствительности приемника. К примеру мощность передатчика Пионера  около 8 Вт, а слышно его аж за 80 а.е.

[ДмитрийК]

Спасибо большое, сегодня все утро переводил, честно говоря, не понял объяснение преимуществ фазовой модуляции перед частотной.

У фазовой модуляции спектр уже. Пытался найти картинку да что-то не получилось. В-общем у FSK спектр выглядит как двухгорбый верблюд а у PSK - одногорбый

НАСА в 2009 на орбиту Марса запустит ретранслятор с лазерной связью.
30мбит\с - этого хватит чтобы гнать потоковое видео с MSL, MRO и всего остального что там будет к тому времени.

Вот здесь об этом много интересного:
http://lasers.jpl.nasa.gov/
http://lasers.jpl.nasa.gov/PAGES/flight.html

[X]

Спасибо большое за ответы. Но не понятно чем все-таки заменялись спиральные антенны на АМС. Какая элементная база использовалась в усилителях и модуляторах, может схема есть у кого?

[X]

Спасибо большое за ответы. Но не понятно чем все-таки заменялись спиральные антенны на АМС. Какая элементная база использовалась в усилителях и модуляторах, может схема есть у кого?

Как правило, используют зеркальные антены (тарелки), которые сейчас научились делать раскладывающимися, а спиральная антена применяется в качестве облучателя зеркала. Элементная база передатчиков амплитроны, клистроны и ЛБВ, а в схемах с АФАР последнее время находят все больше твердотельные усилители. В приемниках и спользуют МШУ ЛБВ и твердотельные МШУ.

[X]

Спасибо. А что такое твердотельный малошумящий усилитель? Все-таки мне интересно вот что, на советских АМС были и зеркальные остронаправленные антенны и малонаправленые спиральные в виде "конусов". А на западных АМС видны только остронаправленные зеркальные. Какой конструкции были малонаправленные антенны? Почему на некоторых АМС стоят ЛБВ, а на других амплитроны? В чем их преимущества?

[X]

А что такое твердотельный малошумящий усилитель?

Усилитель этого типа изготовлен на одном кристалле полупроводникового материала, обычно арсенида галлия. Все цепи фильтрации и согласования каскадов  выполнены на этом же кристалле. МШУ содержит обычно 4-5 каскадов на полевых транзисторах с барьером Шоттки (или его модификаций). Усилитель класса А обычно без обратной связи поскольку усиление каждого каскада не превышает 10. Размеры такого кристалла МШУ единицы милиметров, а вес доли г.  Стоимость при серийном производстве не велика. Такие МШУ можно в большом количестве разместить рядом с антенной, а из антен набрать приемную решетку высокой чуствительности и направленности. Полевые транзисторы обладают относительно высокой радиационной стойкостью, но могут применяться только в условиях заранее известных радиационных полей. Решетка из МШУ более радиационно стойка , поскольку повреждение одного или нескольких элементов (до 40%) существенно на работоспособности не сказывается. ЭВП приборы наиболее радиационно стойки и имеют существенно более высокий КПД. КПД амплитронов достигает 70% (против 10-15% транзисторных) и может быть доведен до 90%. Для ограниченной мощности АМС  амплитрон в передатчике практически не заменим. С переходом на передачу цифровых сжатых сигналов проявляется преимущество широкополосности ЛБВ.  Клистроны по сравнению с ЛБВ имеют более узкую полосу усиления , несколько больший  КПД и мощность, меньшую стоимость. Но у всех ЭВП есть существенный недостаток весьма ограниченный срок службы.  В последнее время, когда КПД и радиационная стойкость не являются рещающими ЭВП заменяют на твердотельные усилители. На кристалле такого усилителя рассположены несколько каскадов усиления с цепями фильтрации и согласования, деления и суммирования. Высокая мощность получается за счет суммирования параллельно включенных транзисторов каждого отдельного кристалла и самих кристаллов в усилителе.  За счет параллельного включения радиационные и другие повреждения отдельных транзисторов  не сказываются существенно на мощности сигнала, а срок службы возрастает в 10-ки раз.  

Все-таки мне интересно вот что, на советских АМС были и зеркальные остронаправленные антенны и малонаправленые спиральные в виде "конусов". А на западных АМС видны только остронаправленные зеркальные. Какой конструкции были малонаправленные антенны?  

Часто применяют то, что хорошо отработано и полностью выполняет возложенную функцию. Применение тех или иных типов антен наверное в первую очередь зависит от поставленых целей.

[X]

Уважаемый SS-20! Большое вам спасибо за столь обстоятельный ответ. Подскажите пожалуйста, вот например АМС находится в районе Марса, применяем для передачи по линии АМС-Земля фазовую манипуляцию (или лучше частотную?). Скорость например 500 кБит/с. Какая нужна полоса пропускания канала? Каов спектр при фазовой манипуляции? Как устроен фазовый манипулятор при частоте несущей 6 ГГц? Как охлаждать выходные каскады в космосе?

[X]

Подскажите пожалуйста, вот например АМС находится в районе Марса, применяем для передачи по линии АМС-Земля фазовую манипуляцию (или лучше частотную?). Скорость например 500 кБит/с. Какая нужна полоса пропускания канала? Каков спектр при фазовой манипуляции?

Фазовая  манипуляция  относится к двухполосным методам модуляции, т.е. спектр модулированного сигнала располагается  симметрично относительно  несущей  частоты, а ширина спектра в Гц на уровне 0,5 от его значения на несущей частоте равна  модуляционной  (линейной) скорости, выраженной в Бодах.  В вашем случае 5х10(5) Гц.
Наиболее  часто используются  такие разновидности фазовой манипуляции,  как  относительная  фазовая  манипуляция  (ОФМ), два положения фазы, четырехпозиционная (или квадратурная фазовая манипуляция , четыре положения  фазы) и восьмипозиционная ( , восемь положений фазы).  Дальнейшее увеличение числа позиций с целью повышения скорости  приводит к резкому снижению   помехоустойчивости  , поэтому на более высоких скоростях стали применяться комбинированные   амплитудно-фазовые методы модуляции. Но наиболее перспективным для связи я считаю принцип использованый в стандарте CDMA. CDMA предусматривает модуляцию информационного сигнала   единственным и уникальным в своем роде псевдослучайным шумоподобным сигналом (он-то и является в данном случае кодом), который и расширяет спектр исходного информационного сигнала.   CDMA помехоустойчива - потому, что при возникновении в широкой полосе частот(1,23 Мгц) сигнала-помехи, узкого диапазона (<150кГц), сигнал примется почти неискаженный. За счет помехоустойчивого кодирования потерянные данные система восстановит, но самое главное слабые (мощность их всегда ограничена) сигналы дальней связи  заранее зная код можно накапливать импульс за импульсом пока его сумма не выделится на фоне помех складывающихся "подлинно случайно" Но конечно в свою очередь систематребует широкополосных приемников и передатчиков, которые впрочем можно заменить решеткой  ускополосных.

Как устроен фазовый манипулятор при частоте несущей 6 ГГц?  

В диапазоне СВЧ в качестве фазовых манипуляторов используются микрополосковые линии с включенными в их шлейфы p-i-n диодами. На диоды подается импульсный сигнал смещения. При положительном сигнале смещения диод имеет малое  СВЧ сопротивление, а при отрицательном или нулевом высокое.  При такой манипуляции диодами эквивалентная СВЧ длина микрополосковой линии скачкообразно меняется и соответственно скачкообразно меняется фаза сигнала на ее выходе.  

Как охлаждать выходные каскады в космосе?

Для отвода тепла обычно достаточно теплового контакта с элементами корпуса. Применяются также охлаждающие элементы на эффекте Петелье и тепловые трубы. Ну, а в космос тепло уходит только за счет излучения развитой поверхности.

[X]

Спасибо. Такой вот вопрос. Например несущая частота 6 ГГц. как лучше сформировать тракт передатчика. Например так: задающий кварцевый генератор на 140 МГц (есть вроде бы такое стандартное значение) потом усилитель, потом несколько умножителей частоты чтобы довести частоту до 6 ГГц. Умножители лучше на варакторах или на транзисторах? Или лучше сразу делать задающий генератор на частоте близкой к 6 ГГц? Какие лучше брать умножители с какой кратностью? Фазовый модулятор ФМ-2 я предполагаю достаточно для такой скорости передачи поставить. На его управляющий вход подается непосредственно передаваемая последовательность нулей и единиц? Какие согласующие устройства ставятся между всеми этими элементами? Какой лучше предворительный усилитель поставить после модулятора? На выходе я думаю лучше амплитрон поставить, только я не пойму, чем он отличается от магнетрона?
Заранее спасибо за ответ!

[X]

В АМС "Венера-16,17", "Астрон", "Вега-1", "Фобос-1,2" в передатчике использовался комплект состоящий из  миниатюрного магнетрона (М-138, кпд~40%) с выходной мощностью 5 Вт и 70 Вт усилительного амплитрона (МУ-12А кпд~50%). Рабочая частота 5,9 ГГц и полоса (по -1 дБ)  70 Мгц. Изменением питания магнеторна осуществлялась с частотная модуляция, а фазовращателем на пин- диодах, в волноводном исполнении, на входе амплитрона менялась фаза.  Амплитрон действительно напоминает магнетрон по конструкции, но в отличие от него имеет не замкнутый кольцо  резонатор, а систему с входным и выходным резонатором. При рассогласовании по входу или выходу амплитрон может возбудится и для обеспечения устойчивости усиления применяются волноводндые вентиль и циркулятор. Подробнее об амплитронах (платинотронах) почитайте в специальной литературе, например И.В.Лебедев =Техника и приборы СВЧ, т.2 = М.Высш. школа 1972.
Если требовния к схеме особые, то выбор ее с оставляющих будет зависеть от требуемой стабильности частоты передатчика. Если стабильность частоты требуется порядка 10(-7) и лучше, то без термостабилизированного кварцевого резонатора  охваченного петлей ФАПЧ не обойтись. До частоты около 2 ГГц лучще применяь транзисторное умножение, а последнее умножение на 3 использовать варактор, но можно использовать и транзисторный каскад.  В качестве согласующих устройств на нижних частотах используют  фильтры входных и выходных цепей каскадов, а с 2 ГГц, добавляются входной и выходной ферритовый вентиль.  Ферритовые вентили ставят на входе и выходе модулятора и предусилителя. Предварительный усилитель сейчас проще сделать на полевых транзисторах, хотя у них пока не очень высокий кпд~30% . Для работы с амплитроном типа МУ12А он должен иметь солидную выходную мощность около 5 Вт.
Если выше 10(-5..-6) стабильности частоты не нужно, то можно использовать автогенераторы стабилизированные различными высокодобротными резонаторами (инваровыми или диэлектрическими).

[X]

Спасибо!
А зачем нужна была одновременно частотная и фазовая модуляция?
И нет ли у Вас аналогичной информации по зарубежным АМС для сравнения? Как обеспечить питание всей этой аппратуры? Какое там используется стандартное напряжение?
Зачем нужны ферритовые вентили? Для согласования?
Почему на высоких частотах нельзя взять транзисторные умножители?
Какие используются волноводы и с каким типом волны? Почему?
Спасибо большое!!!

[Дем]

А зачем нужна была одновременно частотная и фазовая модуляция?

На самом деле, фазовая - это вариант частотной, т.е. на выходе была частотная.

[X]

Спасибо!
А зачем нужна была одновременно частотная и фазовая модуляция?

Для помехоустойчивости (см. ответ 29.03.05)

И нет ли у Вас аналогичной информации по зарубежным АМС для сравнения?

Нет.

Как обеспечить питание всей этой аппратуры? Какое там используется стандартное напряжение?

Питание для магнетрона 0,7 кВ, амплитрона 2,4 кВ получают от полупроводниковых преобразователей , в свою очередь питающихся от бортовой сети солнечных батарей.

Зачем нужны ферритовые вентили? Для согласования?

В первую очередь для исключения самовозбуждения амплитрона и взаимного влияния элементов. Согласование элементов производится в процессе их изготовления.

Почему на высоких частотах нельзя взять транзисторные умножители?

Можно. На 6 ГГц не сильное отличие по эффективности и полосе между транзисторами и диодами. Все будет зависеть от величины умножения каскадов. Варианты надо сравнивать экспериментально. Заранее на 100% нельзя сказать какой будет лучше. В предыдущем ответе, я высказал лишь свое мнение в общем виде.

Какие используются волноводы и с каким типом волны? Почему?
 

В магнетроне и амплитроне использованы волноводы стандартной, для этого диапазона ширины 35мм, но уменьшенной высоты 5 мм, поскольку мощности СВЧ не превышают 100 Вт, а общий вес и габариты будут меньше.  Фланцы таких волноводов не "гостированы" и изготавливаются по договоренности с заказчиком. Естественно используется основной тип волны Н11 как самый простой и для которого имеется отработанная методика расчетов всех элементов тракта, а так же комплекс промышленной измерительно-контрольной аппаратуры.

[X]

На странице
http://sovams.narod.ru/updates.html

см. книжку "Радиосистемы космических аппаратов".

Описывается эволюция советского комплекса дальней космической связи, его наземной и космической составляющей. Дается представление о возможностях комплекса, приводятся материалы для сравнения советской системы дальней связи с американской и японской.
Сборник будет интересен лицам, интересующимся вопросами передачи данных с советских станций.