Ｋａ寬頻帶衛(wèi)星通信饋源系統(tǒng)

摘 要：作為下一代Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵天饋設(shè)備，新研制了一種高性能Ka寬頻帶衛(wèi)星通信地球站四端口圓極化饋源系統(tǒng)，文章介紹了該饋源系統(tǒng)的方案特點及關(guān)鍵部件的選取原則，并給出實測結(jié)果。測試結(jié)果表明饋源系統(tǒng)在19.2～21.2 GHz的接收頻帶、29.0～31.0 GHz的發(fā)射頻帶內(nèi)具有優(yōu)良的性能，軸比小于0.5 dB、回波損失小于-21 dB，整體技術(shù)指標達到了國際先進水平。

關(guān)鍵詞：Ka頻段；圓極化；軸比；同軸濾波器；隔板移相器

中圖分類號：TN927+.21 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1516303

Ka Wide Band Satellite Communication Feed System

YUAN Zhaohui，DU Biao，JIN Chao

(The 54th Research Institute，China Electronic ScienceTechnology Group Corporation，Shijiazhuang，050081，China)

Abstract：A high performance Ka wide band four ports circularly polarized feed system is designed for Ka band satellite communication earth stations.This paper shows scheme and how to select the key parts of this feed system，and gives test result.In the 19.2~21.2GHz receive band and the 29.0~31.0 GHz transmit band，the feed system shows much better performance，the axial ratio is less than 0.5 dB，and the return loss is better than -30 dB，as the final test results already reached the international advanced level.

Keywords：Ka-band；circular polarisation；axial ratio；coaxial filter；septum polarizer

1 引 言

目前，多數(shù)商用衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)使用C波段(4/6 GHz)和Ku波段(12/14 GHz)。隨著衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)種類日益繁多，經(jīng)過縮小軌位間距、采用正交極化復(fù)用和空間復(fù)用等手段充分開發(fā)后的C和Ku頻段，頻道資源愈來愈擁擠且日漸飽和。70年代，國外一些空間研究機構(gòu)就開始致力于新一代大容量衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研制。

就使用帶寬而言，Ka頻段遠大于C、Ku頻段，因此是的新一代大容量衛(wèi)星通信系統(tǒng)的首選頻段。經(jīng)過20多年的研究與試驗，國外Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)已進入實用化階段。近年，我國也正在開展Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研制。本文介紹了我單位新研制的一種Ka寬頻帶衛(wèi)星通信饋源系統(tǒng)，其收發(fā)頻帶分別為19.2～21.2 GHz，29.0～31.0 GHz，接收頻帶及發(fā)射頻帶內(nèi)回波損失小于-20 dB，軸比小于0.5 dB。

2 系統(tǒng)方案

Ka寬頻帶衛(wèi)星通信饋源系統(tǒng)由波紋喇叭、同軸濾波器、分波器、發(fā)射頻段隔板移相器及接收頻段90°電橋與多彎波導(dǎo)組成。饋源系統(tǒng)原理圖及外形圖分別如圖1，圖2所示。

由原理圖可知，饋源系統(tǒng)收發(fā)頻段信號由同軸濾波器分開，同軸濾波器通帶為接收頻段，對發(fā)射信號有幾十分貝的抑制。發(fā)射信號經(jīng)隔板移相器、方圓過渡從同軸內(nèi)導(dǎo)體中間的圓波導(dǎo)進入分波部分，由于濾波器的抑制不能進入同軸線及與之相接的接收通路，通過喇叭輻射出去。

接收信號波長大于圓波導(dǎo)截止波長，不能從同軸內(nèi)導(dǎo)體中間的圓波導(dǎo)傳輸，因此只能從外側(cè)同軸濾波器中通過，由分波器正交耦合及合成兩路信號。

接收圓極化器信號時，這兩路信號幅度相等，相位差為90°。再由90°電橋?qū)陕沸盘柡铣傻诫姌虻妮敵龆丝?或輸出端口2，即饋源系統(tǒng)的兩個接收端口。

3 關(guān)鍵件設(shè)計

同軸濾波器與分波器實現(xiàn)收發(fā)信號的分離，對發(fā)射頻帶信號有80 dB的抑制度，接收頻帶回波損失小于-25 dB。通過選取合適的圓波導(dǎo)口徑使發(fā)射頻段TE₁0可以傳輸，考慮加工的因素，以此確定同軸內(nèi)導(dǎo)體直徑。由于同軸外導(dǎo)體與饋源喇叭口部圓波導(dǎo)口徑是一樣的，要保證接收頻段信號在口部圓波導(dǎo)的主模傳輸，同時也要保證同軸線中接收信號以TE₁1模的形式傳輸，通過這幾個條件綜合考慮可選定同軸外導(dǎo)體的直徑。同軸線中TE₁1模傳輸?shù)臈l件為：a+b>λmin/π(1)式中：a，b分別為同軸內(nèi)外導(dǎo)體半徑。

極化正交的線極化接收信號經(jīng)過同軸濾波器進入分波器，被短路面截止后從側(cè)臂四個對稱的耦合孔耦合，經(jīng)外圍波導(dǎo)及魔T合成，生成正交的輸出信號。

接收頻段的圓極化器選用90°電橋，因為分波器正交耦合出來的兩路接收信號，如采用波紋波導(dǎo)移相器、隔板式移相器實現(xiàn)圓極化須先將兩路信號合成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而電橋輸入、輸出均為兩端口結(jié)構(gòu)，可直接通過兩根多彎波導(dǎo)與分波器相接，結(jié)構(gòu)簡單。

90°電橋由兩個并列放置的波導(dǎo)管通過窄壁長為L的耦合區(qū)相連通構(gòu)成。通過耦合部分切窄防止TE₃0模的影響，采用多級階梯過渡匹配波導(dǎo)的不連續(xù)性，可實現(xiàn)很好的電性能。

接收頻段的軸比性能，主要由90°電橋決定。經(jīng)CST Studio仿真，90°電橋兩端口幅度相差0.2 dB，相位差89.8°～91.5°即相位誤差不大于1.5°，回波損失優(yōu)于-25 dB。由式(2)可得，系統(tǒng)接收頻段軸比(AR：單位 dB)優(yōu)于0.31 dB。AR=A2e+0.022 5×φ2c(2)式中：Ae為幅度誤差，單位：dB；φc為相位誤差，單位：(°)。

與90°電橋連接的兩根多彎連接波導(dǎo)形狀復(fù)雜，相對電長度不一致將嚴重影響?zhàn)佋聪到y(tǒng)接收頻段的圓極化軸比性能。在接收頻段所用R220波導(dǎo)中，接收頻段中心頻率20.2 GHz時的波導(dǎo)波長20.66 mm，如長度誤差0.1 mm，則有1.74°的相位差，此相移與90°電橋相位誤差相加，則最壞的情況是兩路正交信號相差4.2°，由式(2)可知此時的接收頻段軸比變?yōu)?.67 dB，考慮彎波導(dǎo)相移與相互抵消的情況，實際加工時兩根波導(dǎo)長度差0.2 mm是可接受的。但對于連續(xù)多彎波導(dǎo)，達到這樣的要求是有難度的，加工時須有專門的工藝及工裝。

發(fā)射頻段圓極化軸比是Ka寬頻帶衛(wèi)星通信饋源系統(tǒng)另一個關(guān)鍵指標，它直接決定系統(tǒng)發(fā)射頻帶交叉極化隔離度的大小。在Ka頻段，由于波導(dǎo)口徑小，螺釘伸入波導(dǎo)內(nèi)部的長度較短，調(diào)試困難，很難實現(xiàn)很好的性能。

方波導(dǎo)波紋移相器帶寬很寬，軸比及回波損失都很好，可實現(xiàn)很好的電氣性能。要實現(xiàn)極化復(fù)用須與正交模耦合器及方圓過渡或45°扭波導(dǎo)一起使用，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

隔板式移相器本身即兩端口結(jié)構(gòu)，可同時實現(xiàn)圓極化器和正交模耦合器的功能，結(jié)構(gòu)簡單，長度短，電氣性能也很好。設(shè)計了一種隔板移相器，經(jīng)CST Studio仿真，在29.0～31.0 GHz的發(fā)射頻帶內(nèi)，移相器輸出口TE₁0模與TE01模相位差89.7°～90.7°，即相位誤差最大0.7°，幅度相差0.04 dB，由式(2)可得，饋源系統(tǒng)發(fā)射頻段軸比小于0.12 dB。兩個極化方向回波損失均小于-27 dB。

4 實測結(jié)果

用HP8722ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在暗室實測Ka寬頻段衛(wèi)星通信饋源系統(tǒng)方向圖E、H面等化很好，如圖3所示為接收頻段20.2 GHz饋源方向圖。

圖3 饋源系統(tǒng)輻射方向圖饋源系統(tǒng)各端口回波損失、軸比、端口隔離及插入損耗等關(guān)鍵指標測試結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 接收頻段端口隔離圖6為在初始位置測試系統(tǒng)定標后，線極化發(fā)射喇叭在-22.5°～202.5°范圍內(nèi)每隔22.5°旋轉(zhuǎn)一次，饋源系統(tǒng)接收端口1接收信號曲線，其包絡(luò)即系統(tǒng)該端口軸比。

圖5 發(fā)射頻帶回波損失圖6 接收端口1 軸比限于篇幅，不能將各實測曲線一一列出，饋源系統(tǒng)詳細指標如表1所示。插損為去除波紋喇叭后饋源系統(tǒng)測試插入損耗。

表1 饋源系統(tǒng)電氣性能測試結(jié)果

測試項目及端口測試頻率測試結(jié)果回波損失Rx1

Rx2

Tx1

Tx219.2~21.2 GHz

19.2~21.2 GHz

29.0~31.0 GHz

29.0~31.0 GHz-23.1 dB

-24.2 dB

-22.66 dB

-21.90 dB端口隔離Rx1/Rx2

Tx1/Tx219.2~21.2 GHz

29.0~31.0 GHz19.24 dB

22.46 dB軸比Rx1

Rx2

Tx1

Tx219.2~21.2 GHz

19.2~21.2 GHz

29.0~31.0 GHz

29.0~31.0 GHz0.42 dB

0.35 dB

0.46 dB

0.40 dB插入損耗Rx

Tx19.2~21.2 GHz

29.0~31.0 GHz0.95 dB

1.0 dB收發(fā)隔離Rx/Tx29.0~31.0 GHz80 dB

5 結(jié) 語

本文介紹了一種新研制的Ka頻段寬帶雙圓極化四端口衛(wèi)星通信饋源系統(tǒng)，具有很好的電氣性能，實測輻射方向圖等化很好，接收及發(fā)射頻帶軸比小于0.5 dB，回波損失小于-21 dB，端口隔離大于19 dB等，饋源系統(tǒng)整體電氣指標已達到國際先進水平。

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作者簡介 袁朝暉 男，工程師。主要研究方向為天饋系統(tǒng)微波器件。

杜 彪 男，研究員。主要研究方向為波紋喇叭、天線系統(tǒng)。

金 超 男，研究員。主要研究方向為結(jié)構(gòu)工藝。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文