Ортомодовый преобразователь

Ортомодовый преобразователь ( ОМТ ) представляет собой волноводный компонент, который обычно называют поляризационным дуплексером . Ортомода — это сокращение ортогональной моды . Ортогональные преобразователи служат либо для объединения, либо для разделения двух ортогонально поляризованных путей микроволнового сигнала. ^[1] Один из путей образует восходящий канал связи , который передается по тому же волноводу, что и путь принимаемого сигнала, или путь нисходящей линии связи . Такое устройство может быть частью терминала с очень малой апертурой (VSAT) антенного фидера или наземного микроволнового радиоканала ; например, OMT часто используются с рупором для изоляции ортогональных поляризаций сигнала и для передачи сигналов передачи и приема на разные порты. ^[2]

Приложения VSAT и спутниковых наземных станций

Для модемов VSAT пути передачи и приема расположены под углом 90° друг к другу, или, другими словами, сигналы ортогонально поляризованы относительно друг друга. Этот ортогональный сдвиг между двумя путями сигнала обеспечивает изоляцию примерно на 40 дБ в K _u диапазонах и K _a радиочастот .

Следовательно, это устройство выполняет важную роль соединительного элемента наружного блока (ODU) модема VSAT . Он защищает входной элемент приемника ( малошумящий блочный понижающий преобразователь , LNB) от перегорания по мощности выходного сигнала, генерируемого блочным повышающим преобразователем (BUC). BUC также подключается к рупору через волноводный порт соединительного устройства OMT.

Ортомодовые преобразователи используются в VSAT с двойной поляризацией, в малонаселенных районах, радиолокационных антеннах , радиометрах и линиях связи. Обычно они подключаются к понижающему преобразователю антенны или LNB и к усилителю высокой мощности (HPA), подключенному к передающей антенне .

Когда передаваемый и принимаемый радиосигнал в и из антенны имеет две разные поляризации (горизонтальную и вертикальную), их называют ортогональными . Это означает, что плоскости модуляции двух волн радиосигнала расположены под углом 90 градусов друг к другу. Устройство ОМТ предназначено для разделения двух сигналов одинаковой частоты, но разной поляризации, высокой и низкой мощности сигнала. Защитное разделение имеет важное значение, поскольку блок передатчика может серьезно повредить очень чувствительный блок входного усилителя приемника с низким микронапряжением (мкВ) на антенне.

Сигнал передачи восходящей линии связи относительно высокой мощности (1, 2 или 5 Вт для обычного оборудования VSAT), исходящий от BUC, и мощность принимаемого сигнала очень низкой мощности (порядка мкВ), поступающего от антенны к Приемные блоки LNB, в данном случае расположенные под углом 90 ° друг к другу, оба соединены вместе в фокусе рупора параболической антенны. Устройством, которое объединяет пути восходящей и нисходящей линии связи, расположенные под углом 90° друг к другу, является OMT.

VSAT K _uВ случае работы в диапазоне типичный OMT обеспечивает изоляцию -40 дБ между каждым из подключенных радиопортов и рупором, обращенным к параболическому зеркальному отражателю (-40 дБ означает, что только 0,01% выходной мощности передатчика подается перекрестно в волноводный порт приемника). Порт, обращенный к параболическому отражателю антенны, представляет собой порт с круговой поляризацией, поэтому легко достигается связь горизонтальной и вертикальной полярности входящего и исходящего радиосигнала.

Изоляция 40 дБ обеспечивает существенную защиту очень чувствительного усилителя приемника от перегорания относительно мощного сигнала передатчика. Дополнительную изоляцию можно обеспечить с помощью избирательной радиочастотной фильтрации для достижения изоляции -100 дБ (-100 дБ означает, что только 10 дБ). ⁻¹⁰ часть выходной мощности передатчика перекрестно подается в волноводный порт приемника).

На втором изображении показаны два типа наружных блоков: блок Hughes мощностью 1 Вт и составная конфигурация блоков BUC/OMT/LNB мощностью 2 Вт. Эндрю, шведская микроволновая печь.

Portenseigne & Hirschmann _{На следующих изображениях показана конфигурация диапазона K u} , в которой выделены порты волновода с горизонтальной и вертикальной поляризацией, а также порты волновода с круговой поляризацией, которые соединяются с рупором, элементами LNB или BUC наружного блока.

Наземная микроволновая радиосвязь

Преобразователь ортомоды также является компонентом, обычно встречающимся в наземных микроволновых радиоканалах высокой пропускной способности . В такой схеме две параболические отражатели работают в двухточечном микроволновом радиотракте (от 4 до 85 ГГц) с четырьмя радиопередатчиками, по два на каждом конце. На каждой тарелке в задней части облучателя установлен Т-образный ортомодовый преобразователь, разделяющий сигнал от облучателя на два отдельных радиоприемника, один из которых работает в горизонтальной полярности, а другой - в вертикальной полярности. Такое расположение используется для увеличения совокупной пропускной способности данных между двумя антеннами на двухточечном микроволновом тракте или для обеспечения отказоустойчивости. Некоторые типы уличных микроволновых радиостанций имеют встроенные ортомодовые преобразователи и работают в обеих полярностях от одного радиоблока, выполняя подавление кросс-поляризационной помехи ( XPIC ) внутри самого радиоблока.Альтернативно, преобразователь ортомод может быть встроен в антенну и обеспечивать подключение к антенне отдельных радиомодулей или отдельных портов одного и того же радиомодуля.

Характеристика

Ортомодовый преобразователь можно смоделировать как 4-портовое устройство, 2 из которых (H и V) представляют порты с одной поляризацией, а остальные (h, v) представляют собой вырожденные моды в порте с двойной поляризацией.

Параметры рассеяния можно собрать в матрицу рассеяния 4×4. ${\boldsymbol {S}}$ , что симметрично для взаимного OMT (т. е. не включает циркуляторы , изоляторы или активные компоненты ), таким образом оставляя 10 независимых членов для общего устройства с потерями:

${\boldsymbol {S}}={\begin{bmatrix}S_{HH}&S_{HV}&S_{Hh}&S_{Hv}\\S_{HV}&S_{VV}&S_{Vh}&S_{Vv}\\S_{Hh}&S_{Vh}&S_{hh}&S_{hv}\\S_{Hv}&S_{Vv}&S_{hv}&S_{vv}\end{bmatrix}}$

Из них:

4 ( $S_{HH}$ , $S_{VV}$ , $S_{hh}$ , $S_{vv}$ ) представляют коэффициенты собственного отражения четырех портов, связанные с обратными потерями , когда все порты закрыты на идеальные нагрузки, равные характеристическому импедансу порта;
2 ( $S_{Hh}$ , $S_{Vv}$ ) — основные условия прямой передачи (от каждого порта с одной поляризацией к соответствующей моде на порту с двойной поляризацией);
2 ( $S_{Hv}$ , $S_{Vh}$ ) представляют дискриминацию кросс-поляризации (XPD): от каждого порта с одной поляризацией до предположительно изолированного режима на порте с двойной поляризацией;
2 ( $S_{HV}$ , $S_{hv}$ ) моделируют условия изоляции (иногда называемые межпортовой изоляцией, IPI): между двумя портами с одной поляризацией и между двумя ортогональными режимами в порту с двойной поляризацией.

Идеальный OMT демонстрирует идеальное согласование (нулевые члены на диагонали), унитарные члены прямой передачи, бесконечный XPD и изоляцию (нулевые соответствующие параметры рассеяния):

${\boldsymbol {S}}={\begin{bmatrix}0&0&1&0\\0&0&0&1\\1&0&0&0\\0&1&0&0\end{bmatrix}}$

Определение характеристик изготовленного OMT (считающегося тестируемым устройством, DUT) обычно является деликатным вопросом как по механическим, так и по теоретическим причинам.

Концептуально, если в составе измерительной установки доступен идеальный OMT, часто называемый «золотым образцом», его порт с двойной поляризацией можно подключить к соответствующему порту на тестируемом устройстве, в результате чего получится 4-портовое эквивалентное устройство с 4 портами с одинарной поляризацией. порты. Идеальный OMT разделяет две поляризации порта с двойной поляризацией на два стандартных однополярных порта, и такое расположение позволяет напрямую измерять все параметры рассеяния тестируемого устройства (либо с помощью 4-портового векторного анализатора цепей (ВАЦ), либо с помощью 4-портового векторного анализатора цепей (ВАЦ). 2-портовый с двумя однополяризованными нагрузками, используемый в нескольких комбинациях).

Такая идеальная установка подвержена только механическим неопределенностям, связанным с физическим размещением и выравниванием портов с двойной поляризацией. Простой угол смещения $\epsilon$ вводит искусственный путь от каждой поляризации к противоположной, пропорциональный $\sin {\epsilon }$ . Фазорная комбинация утечки $S_{Vh}$ (или $S_{Hv}$ ) из-за XPD ИУ и этой искусственной потери $\sin {\epsilon }$ — фактическая внешняя измеряемая величина. Если в результате правильной фазовой рекомбинации два вклада имеют тенденцию компенсировать друг друга, фактическое измеренное XPD может увеличиться до бесконечности (возможно, только если $|S_{Vh}|=|\sin \epsilon |$ ), что приводит к огромной ошибке оценки.

В зависимости от ожидаемого XPD ИУ следует ввести механические контрмеры, чтобы гарантировать, что искусственной неопределенностью измерений можно пренебречь.

Однако любое отклонение от этой идеальной схемы приводит к ошибкам и неопределенностям.

Если вместо идеального OMT доступна согласованная нагрузка с двойной поляризацией, это позволяет проводить измерения 2×2 от портов с одной поляризацией, что дает только 2 члена отражения ( $S_{HH}$ и $S_{HH}$ ) и один IPI ( $S_{HV}$ ). Другие измерения, направленные на получение оценок других параметров рассеяния ИУ, включают порт с двойной поляризацией и требуют дополнительных компонентов, таких как переходы или конусы с двойной поляризации на однополяризованные, которые часто не совпадают по крайней мере с одним из двух. поляризации: это создает нежелательные отражения, которые распространяются через OMT и объединяются в портах VNA, что препятствует прямым измерениям. Эти проблемы добавляются к механическим факторам и увеличивают неопределенность в процедуре измерения.

Из-за растущего спроса на каналы передачи данных высокой пропускной способности использование двойной поляризации способствовало исследованиям в области проектирования и определения характеристик OMT для преодоления практических трудностей. Литература, посвященная моделированию и практической характеристике ОМТ, состоит из работ академических организаций, таких как Национальный исследовательский совет (Италия) , ^[3] Политехнический университет Марке и Европейское космическое агентство ^[4] а также промышленные команды, такие как CommScope ^[5] и Сиаэ Микроэлектроника ^[6] с немедленным влиянием на продукты для современных двухполяризованных телекоммуникационных систем, например, для наземной радиорелейной связи .

См. также

Ссылки

^ «ортомодовый преобразователь» . Институт телекоммуникационных наук. 23 августа 1996 г. Проверено 29 июня 2013 г.
^ Бартлетт, Майк (2010). "ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ" . SAS Ltd. Архивировано из оригинала 6 июля 2013 г. Проверено 29 июня 2013 г.
^ Певерини, О.; Тасконе, Р.; Оливьери, А.; Баралис, М.; Орта, Р.; Вироне, Г. (2003). «Процедура микроволновых измерений для полной характеристики датчиков ортомод». Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения . 51 (4): 1207–1213. Бибкод : 2003ITMTT..51.1207P . дои : 10.1109/TMTT.2003.809629 .
^ Морини, А.; Гульельми, М.; Фарина, М. (2013). «Методика измерения обобщенной матрицы рассеяния модифицированных волноводных устройств». Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения . 61 (7): 2705–2714. Бибкод : 2013ITMTT..61.2705M . дои : 10.1109/TMTT.2013.2265683 . S2CID 15432629 .
^ Сайм, Джим (26 августа 2014 г.). «Назад к основам микроволновых систем: кроссполярная дискриминация» . Проверено 6 декабря 2016 г.
^ Олдони, Маттео; Тресольди, Дарио (2016). Дешевый метод точной характеристики ортомодных преобразователей . Дайджест симпозиума IEEE по микроволновому оборудованию (MTT). дои : 10.1109/MWSYM.2016.7538836 .

Внешние ссылки

Специальное обучение VSAT, демонстрирующее использование ортомодового преобразователя (OMT):
- Видеопрезентация руководства по установке VSAT с объяснением ортомодового преобразователя (OMT)

[1] «ортомодовый преобразователь» . Институт телекоммуникационных наук. 23 августа 1996 г. Проверено 29 июня 2013 г.

[2] Бартлетт, Майк (2010). "ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ" . SAS Ltd. Архивировано из оригинала 6 июля 2013 г. Проверено 29 июня 2013 г.

[3] Певерини, О.; Тасконе, Р.; Оливьери, А.; Баралис, М.; Орта, Р.; Вироне, Г. (2003). «Процедура микроволновых измерений для полной характеристики датчиков ортомод». Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения . 51 (4): 1207–1213. Бибкод : 2003ITMTT..51.1207P . дои : 10.1109/TMTT.2003.809629 .

[4] Морини, А.; Гульельми, М.; Фарина, М. (2013). «Методика измерения обобщенной матрицы рассеяния модифицированных волноводных устройств». Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения . 61 (7): 2705–2714. Бибкод : 2013ITMTT..61.2705M . дои : 10.1109/TMTT.2013.2265683 . S2CID 15432629 .

[5] Сайм, Джим (26 августа 2014 г.). «Назад к основам микроволновых систем: кроссполярная дискриминация» . Проверено 6 декабря 2016 г.

[6] Олдони, Маттео; Тресольди, Дарио (2016). Дешевый метод точной характеристики ортомодных преобразователей . Дайджест симпозиума IEEE по микроволновому оборудованию (MTT). дои : 10.1109/MWSYM.2016.7538836 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]