一種圓極化多模耦合器

許 智 梁昌洪

(1. 西安電子科技大學電子工程學院，陜西 西安710071； 2.中國空間技術研究院西安分院，陜西 西安 710100)

1. 引 言

衛星高速數據通信中，為了保證接收天線窄波束準確指向來波方向，可以采用圓波導圓柱波導橫電波Transverse Electric Mode中的一種高階模(TE21)模[1-2]單脈沖[3-5]自動跟蹤系統[6]來實現。該自動跟蹤系統中，用于通信的和波束一般用圓波導中的主模圓柱波導橫電波Transverse Electric Mode中的基模(TE11)模，用于跟蹤的模式為TE21模與TE11模。

目前星載自動跟蹤天線的難題在于，天線安裝空間嚴格受限，因此，要求饋源設計得非常緊湊。由此產生的課題是：所設計的寬帶耦合器尺寸盡可能小，在滿足差模完全耦合的情況下，必須對和模進行很好地抑制。對此，文章從TE21模跟蹤原理出發，深入研究了耦合孔數、耦合強度分布對耦合器性能的影響，介紹了一種圓極化TE21模耦合器的設計方法，并設計了一個Ka頻段圓極化TE21模耦合器，在衛星通信中得到很好的應用。

2.理論分析

2.1 TE21模自動跟蹤原理

圖1左邊為圓波導中TE11模及其極化簡并模的場分布圖，它將產生如圖1右邊所示的和波束方向圖；圖2左邊為圓波導中TE21模及其極化簡并模的場分布圖，它將產生如圖2右邊所示的差波束方向圖。

TE21多模跟蹤時，當天線電軸準確指向來波方向時，天線只有和波束接收到信號，差波束接收到的信號非常微弱，可以認為接收不到信號；而當天線電軸偏離來波方向時，天線和波束不僅能夠接收到信號，差波束也將接收到信號，而且在小角度范圍內，差波束接收到的信號強度與天線電軸偏離來波的角度成正比，差波束接收到的信號在和波束信號的參考下，經過處理后就可以用于自動跟蹤。可以看出：TE21模耦合器在整個跟蹤系統中具有很重要的地位，其性能很大程度上影響著整個系統的性能。

圖1 圓波導中的TE11模分布

圖2 圓波導中的TE21模分布

2.2 TE21模耦合器設計原理與方法

如圖3所示為單臂TE21模耦合器，波導Ⅰ為圓波導，波導Ⅱ為矩形波導，兩個波導的公共壁上有一系列小孔(槽)，從端口1輸入的TE21模經過小孔區時幾乎完全耦合成端口4的矩波導模電波Transverse Electric Mode中的基模(TE10)模，并在端口3形成高的隔離；而從端口1輸入的TE11模，幾乎無損耗地從端口2輸出，并相對于端口3與端口4形成高的隔離。通過這種方式，TE21模耦合器將通信用的TE11模與跟蹤用的TE21模分離開來。

圖3 TE21模耦合器

圖4 波導間的多孔耦合

圖4為圖3的等效電路，波導Ⅰ為激勵波導，波導Ⅱ為耦合波導，兩個波導之間耦合區長L，兩個波導的對應模式通過一系列小孔發生耦合，在波導Ⅱ中激勵起前向電流If與反向電流Ib，波導Ⅰ、Ⅱ中的相位常數分別為β1、β2，定義線間的耦合C為[7-8]：當β1≠β2時的前向電流與β1=β2時的前向電流之比；定義定向性D為[7-8]：當β1≠β2時的反向電流與β1=β2時的前向電流之比，數學表達式如下

(1)

(2)

(3)

(4)

φ(x)為耦合函數，為傳輸線Ⅱ上x處的模式電壓與傳輸線Ⅰ上x處的模式電壓之比。以上為連續分布的耦合，實際應用中多采用離散分布耦合，為方便計算，采用2N個等間距分布的小孔，孔間距為S，并關于耦合區間中心對稱，且分布函數φ(x)滿足

φ(x)=

則有[7-8]

(5)

(6)

對上面的數學表達式進行研究，可以得出兩個重要結論

1) 為了使TE21模耦合最大，應滿足θC=0，亦即使β1=β2。

2) 在β1=β2情況下，為了使TE11模定向性高，可以改變耦合分布ai，或者改變耦合區內小孔數目N，或者改變耦合區長L.

在差模完全耦合的情況下，為了尋求對和模的有效抑制，可以從D出發進行研究，該參量表征了和模相對差模的抑制情況。根據以上公式，選用Ka頻段，對耦合孔數目、耦合分布進行了分析，如圖5、圖6所示，圖6為24個耦合孔的結果。從圖中可以看出，采用貝塞爾函數(Bessel)函數分布能夠優化耦合器的帶內特性，同時可以看出，24個耦合孔就已經能夠達到較好的性能。

圖5 TE11模定向性與耦合孔數目的關系

圖6 TE11模定向性與各種分布的關系

耦合器設計涉及到的另一個問題是耦合場的選擇問題。這與發生耦合的兩個場的分布相關。圓波導中的TE21模場分布為[9]

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

矩形波導中TE10模場分布為[9]

(12)

(13)

(14)

可以看出，要達到采用矩形波導窄邊耦合，并且兩個波導的軸平行的寬帶耦合器的設計方式，則必須使用圓波導中的Hz分量激勵矩形波導中的Hz分量。

2.3 圓極化TE21模耦合器設計

圖3所示的單臂耦合器在多模自動跟蹤中具有一些缺陷。一方面，因為采用單臂耦合，破壞了圓波導的對稱性，傳輸其中的和信號的幅度、相位將產生變化，而且垂直于小孔面的線極化與平行于小孔面的線極化受到的影響不相同，因此，使得傳輸其中的圓極化波的交叉極化變差，影響天線最終的性能。因此，為了避免饋源和模交叉極化變差，需要在耦合器后面進行校正，但這種饋源帶寬較窄。另一方面，單臂耦合器差模為線極化，對與天線差模極化正交的來波不能產生差信號。

對于TE21模耦合器，如果差模為線極化，而且又不破壞和模的對稱性，根據其波導場的分布可知，需要四個耦合臂。如果耦合器采用圓極化，則最少需要兩個互成45°的耦合臂，必然破壞和模的對稱性；不破壞和模的對稱性，則至少需要8個耦合臂，8個耦合臂均布在圓波導周圍，相鄰耦合臂間隔45°。8個耦合臂的圓極化TE21模耦合器，工程上應用已經足夠了，一方面，耦合結構的對稱性對和模的影響基本可以忽略，另一方面，更多的耦合臂在工程上實現難度與代價都很大。

8個耦合臂產生的兩個線極化差模，需要通過合成網絡生成圓極化差模。TE21模耦合器的8個耦合臂中，4個耦合臂耦合一個TE21模，采用三個魔T(即微波部件magic T)以及各種波導拐彎合成一路，另外四個臂耦合TE21極化簡并模，采用同樣方法合成另外一路，合成的兩路之間通過90°電橋實現圓極化TE21模耦合器，同時具備左旋圓極化(LHCP)與右旋圓極化(RHCP)，實際使用時，根據來波極化特性，選擇其中一種使用。另外，魔T與電橋不使用的端口端接負載。整個圓極化耦合器的合成原理圖如圖7所示，通過該合成方法，能夠有效縮短耦合器的縱向長度。

圖7 圓極化TE21模耦合器合成原理

為了達到緊湊設計的目的，采用上述方法，在耦合區長與耦合孔數目方面進行了優化，設計了一個Ka頻段的8臂圓極化TE21模耦合器，每個臂24個耦合孔，耦合強度為Bessel分布，耦合器各個端口定義如圖8所示，數字代表該處的端口號，設計的典型頻點的散射矩陣(S矩陣)如表1所示。從表中可以看出，差模得到很好的耦合，和模得到很好的抑制。

圖8 耦合器及模式端口定義

端口模式端口1端口1端口1端口1TE11TE11簡并TE21TE21簡并端口2TE110①-49.1-60.4-53.5端口2TE11簡并-49.10①-68.9-61.1端口2TE21-53.8-51.8-33.2-63.8端口2TE21簡并-55.7-65.9-56.8-31.0端口3TE10-61.7-65.5-59.1-6.0②端口4TE10-53.2-51.8-6.1②-65.6端口5TE10-55.4-53.8-54.3-6.0②端口6TE10-56.6-55.6-5.9②-57.5端口7TE10-58.7-57.6-66.4-6.0②端口8TE10-53.2-54.7-6.1②-55.9端口9TE10-58.1-62.9-64.3-6.1②端口10TE10-58.6-59.1-6.0②-60.3端口11TE10-48.8-62.3-70.5-49.6端口12TE10-57.1-54.1-45.5-67.2端口13TE10-57.8-54.1-62.4-46.3端口14TE10-50.9-56.4-51.5-71.3端口15TE10-50.2-62.9-66.9-48.7端口16TE10-52.8-50.7-47.3-64.0端口17TE10-58.7-47.9-86.6-44.2端口18TE10-53.1-49.8-43.9-64.3

說明：表1中行所在的模式與列所在的模式相交的數字，表示這兩個模的散射參數幅度。比如端口1的TE21模到端口4的TE10模的傳輸參數幅度為-6.1 dB，反之亦然。“表中注釋如下”：

① 包括損耗，實際測試結果大于-0.1 dB；

② 八個通道合成一個通道后，包括耦合器與合成網絡損耗，實測結果大于-0.4 dB。

包括饋電網絡在內，耦合器縱向總長度為220 mm，約為8個電波長，達到緊湊設計的目的，適合星載應用。

3.實驗結果分析

耦合器帶扼流槽波紋喇叭測試的方向圖如圖9所示，和差波束增益差為6.4 dB,差波束零深相對差波束峰值為-40 dB，即相對和波束峰值為-46.4 dB，差波束±40°內軸比小于3.0 dB(波束光軸除外),整個饋源達到良好的性能，并在衛星高速數據通信星間鏈路的建立中得到非常廣泛的應用。

從表1中可以看出，端口1中TE11模、TE11簡并模到端口3～端口10的抑制度最小為-51.8 dB,即意味著采用該耦合器的饋源，如果和差效率相同，則差波束零深相對差波束峰值為-51.8 dB，而實際的扼流槽波紋喇叭，和差增益相差6.4 dB,則說明差波束零深相對差波束峰值設計值為-45.4 dB，實際測試值為-40 dB,考慮加工、裝配以及測試誤差后，測試結果與設計值吻合得很好。

圖9 TE21多模饋源和差方向圖

4.實驗結果分析

文章對TE21模耦合器的耦合孔數、耦合強度分布進行了深入的研究，在此基礎上，設計了適合衛星高速數據通信應用的緊湊型TE21模耦合器，并在衛星通信中得到很好的應用。隨著數傳碼速率的不斷提高，相信TE21模耦合器會得到更為廣泛的應用。

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