L／S／C三頻段波紋喇叭耦合L頻段差模的研究

鄧智勇 張文靜 李 勇

（1.河北遠東通信系統工程有限公司，河北 石家莊050081；2.中國電子科技集團第54所，河北 石家莊050081）

引 言

隨著衛星通信天線技術的快速發展，通信業務量與日俱增，對于多頻共用衛星通信地球站天線需求越來越多，多頻共用技術也就成為了衛星通信天線一個重要的發展方向.由于雙頻共用和多頻共用衛星通信地球站天線具有通信容量大、一站多用、結構緊湊、成本低的特點［1］，因此成為了當前研究的熱點，其關鍵技術也在于多頻共用饋源的研究.大多數地球站天線要求具有指向跟蹤能力，即保證天線始終對準繞地球旋轉的衛星.目前，天線跟蹤方式主要包括［2］：圓錐掃描跟蹤、步進跟蹤、程序引導跟蹤、單脈沖跟蹤等方式.其中單脈沖跟蹤［3］以其精度高、速度快等特點而被廣泛應用于跟蹤中、低軌衛星通信天線中.單脈沖跟蹤系統設計的關鍵是差模饋源的研制，目前應用比較多的差模饋源方式如下所示：

1）四喇叭合成方式.這是一種原理分析清晰、加工容易且比較實用的方式，但是在雙頻段或多頻段饋源天線中應用這種結構導致天線的照射效率低，且最大的缺點是這種方式使頻段與頻段之間的波束指向偏差比較大，在雙頻段或多頻段實時跟蹤時，使得兩個頻段之間切換效率變慢.

2）圓波導TE21模方式.這是一種原理分析清晰、天線照射效率高、和差波束一致性比較好的方式，但它的缺點是：第一、由于TE21模耦合器采用8臂耦合波導合成結構，8根矩形波導通過8排小孔與圓波導耦合，導致加工復雜、結構尺寸大；第二、這種跟蹤方式大部分只適合于單頻段跟蹤，若使用在雙頻段上如C／Ku上，C頻段采用這種跟蹤方式，那么就會導致Ku頻段無法正常工作，因此這種跟蹤方式不適用于雙頻段或多頻段跟蹤.

3）圓波導TM01模方式.此方式結構簡單緊湊、成本低廉、極化調整方便，但是此跟蹤方式缺點是：工作頻帶比較窄，只能跟蹤圓極化信標衛星，無法跟蹤線極化信標衛星.

4）波紋喇叭槽內耦合差模方式.此方式［4-5］具有結構緊湊、體積小等特點，因此多頻段同時差模跟蹤饋源的研究在工程應用上有著非常重要的價值.

比較早使用波紋喇叭耦合技術的是Goldstone深空網（Deep Space Network，DSN）噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的64m天線上改造S／X雙波段饋源，由Seymourchn提出了S／X雙頻段組合器的原理與設計方法.在加州戈爾德斯頓25m深空站（Deep Space Network，DSS-25）上安裝了一套X／Ka多頻段饋源，X、Ka頻段系統都具有發射和接收功能，X頻段發射與接收頻率是在開槽壁上實現的，并且對于Ka頻率幾乎沒有影響.國內在波紋喇叭內耦合出信號的技術研究與工程應用較早的是中國電子科技集團第39所李紹友、張成全等同志，他們對S／X、雙頻段饋源進行了分析、計算、設計及調試工作，并把這種技術廣泛應用到遙測天線［6］.

本論文在前人設計出的傳輸主模HE11模雙槽深波紋喇叭基礎上進一步技術探索，使得雙槽深波紋喇叭同時具有傳輸三頻段主模信號和分離出差模信號的作用.從而在雙槽深波紋喇叭饋源內，實現了高性能寬頻帶工作性能，同時又實現了單脈沖跟蹤功能.

1 理論分析

1.1 L／S／C三頻段波紋喇叭的分析

如圖1所示，與傳統的波紋喇叭［7-8］結構相似，L／S／C三頻段波紋喇叭分為5個部分：光壁過渡段、模變換段、變頻段、變角段及輻射段.為了更好地設計出L／S／C三頻段波紋喇叭，本文分析了波紋喇叭的導納和波紋喇叭到天線副反射面邊緣照射的幅度與相位等參數.

圖1 L／S／C三頻段差模跟蹤饋源原理框圖

L／S／C三頻段波紋喇叭的工作頻帶接近6個倍頻，所以L／S／C三頻段波紋喇叭部分雙槽深結構［9］如圖2所示.圖中，P為雙槽深結構的槽周期；W為槽寬；t為槽齒厚；d1為深直槽深度；d2為淺直槽深度；a為內壁半徑.

圖2 部分雙槽深結構示圖

在模變換段內的每個周期由1個環加載槽、1個直槽組成，其中環加載槽工作于低頻段、直槽工作于高頻段，在L／S／C三頻段波紋喇叭內其他段的每個槽周期由1個深直槽和1個淺直槽組成.在模轉換段的入口與出口的口徑尺寸選取上主要參照James模型［7］，入口槽半徑要求Kha1＝2.7～3.4，出口槽半徑要求Kha2＞3.5，但L／S／C三頻段波紋喇叭工作頻帶跨度大，在模變換段口徑上盡量選取小，這樣有助于抑制高頻段的高次模式.經過綜合考慮選取L／S／C三頻段波紋喇叭的槽周期為14 mm、槽寬為4.9mm、槽齒厚為2.1mm.由于雙槽深波紋喇叭每個槽周期的導納［9-10］是由兩個單槽導納并聯組合成的，因此在這個波紋喇叭選取雙槽深參數的時候，盡量使L／S／C三頻段波紋喇叭的導納在模變換器的入口和波紋喇叭的出口處選取合適.通過理論計算得出模變換器的入口導納Y，如表1所示.從模變換器的入口導納數據可以看出所有頻段內導納絕對值都大于20，從工程經驗上來說只要導納絕對值大于20，就可以認為模變換器的入口趨近于光壁圓波導，證明波紋槽參數的選取是合適的.波紋喇叭出口的導納如表2所示，從數據可以看出在波紋喇叭出口S頻段內的導納絕對值大于6，由于對S頻段電氣性能的設計指標要求不高，因此，對于S頻段在L／S／C三頻段波紋喇叭內傳播性能等同于光壁圓張角喇叭.L、C兩個頻段導納的絕對值都在1左右，能夠保證L、C兩個頻段在L／S／C三頻段波紋喇叭內的輻射特性良好.

表1 模變換器的入口導納Y

表2 波紋喇叭的出口導納Y

根據天線照射效率的要求這里需要考慮到初級饋源遮擋影響天線效率的問題，因此，波紋喇叭與天線副反射面的距離不能太近.根據以往波紋喇叭的設計經驗和天線的電氣性能指標要求，最后選取L／S／C三頻段波紋喇叭的口面槽參數為：喇叭口面半徑為317.5mm，θh＝13°，相心距口面為880mm.L／S／C三頻段波紋喇叭利用球面波展開法［7］計算，得出喇叭口面到天線副反射面邊緣照射幅度與相位結果，如表3所示.

表3 喇叭口面到天線副反射面邊緣照射幅度與相位

從計算出的數據可以看出，L／S／C三頻段波紋喇叭槽參數選取是比較合適的，基本滿足天線電氣性能指標要求.

1.2 L頻段差模跟蹤信號的分析

根據L／S／C三頻段共用雙槽深波紋喇叭內的槽參數來設計分析L頻段跟蹤網絡.由雙槽結構三頻段共用波紋喇叭饋源的槽參數求解L頻段差模信號等效導納Y差.在三頻段共用波紋喇叭饋源模變換段內，模變換段由環加載槽和直槽組成，差模信號HEmn（m＝2、n＝1）等效導納Y差計算公式為

式中：

Jm（x）、Nm（x）分別為m階貝塞爾函數和諾依曼函數；λ為自由空間的波長；λc為截止波長；a為槽口處的內壁半徑；b1為環加載槽槽口寬度；b2為直槽槽口寬度；W1為環加載槽的寬度；h1為環加載槽深度；h2為直槽深度.

在L／S／C三頻段共用波紋喇叭饋源的變頻段、變角段、輻射段都是由深直槽和淺直槽組成的，并且在同一個槽周期內深直槽和淺直槽的槽寬度相等，差模信號HEmn（m＝2、n＝1）等效導納Y差計算公式為

式中：

Y3為深槽的等效壁導納；Y4為淺槽的等效壁導納；b為深淺直槽的槽寬；a為槽口處的內壁半徑；h3為深直槽深度；h4為淺直槽深度.

將L頻段差模信號等效導納代入由表面阻抗法導出的波紋波導特征方程，求解出L頻段差模信號HEmn（m＝2、n＝1）特征值［7］，有

將求解出的L頻段差模信號特征值k0a代入公式

可以得出每個槽周期內的L頻段差模信號的傳播常數β差，再根據L頻段差模信號的傳播常數判斷出L頻段差模信號臨界截止點的位置［2］.判斷方式為：當β差為實數時，表示L頻段差模可以在波紋槽內傳播；當β差為虛數時，表示L頻段差模不可以在波紋槽內傳播；當β差＝0時，表示L頻段差模在波紋槽內為臨界截止點.

然后由L頻段差模信號的臨界截止點的位置與L頻段差模信號的傳播常數β差，計算出L頻段差模信號的波腹點，公式如下：

式中：S為從臨界截止點開始數的第S槽；n為從臨界截止點開始數的第n個波腹點；λ為自由空間波長.

在L頻段差模信號波腹點處的波紋喇叭槽底圓周上均勻依次開設有第一至第八耦合口，每個耦合口之間的夾角為45°，耦合口耦合出L頻段的差模信號即是HE21模信號，八路差模信號經饋線合成，輸入跟蹤接收機.

2 實驗結果分析

2.1 仿真與實測結果分析

通過理論計算得出耦合口的位置、差模端口矩形波導尺寸、耦合口、低通塊模濾波器的結構尺寸.由于L／S／C三頻段波紋喇叭頻帶比較寬，對于高頻段而言喇叭的電尺寸比較大，導致運算數據量比較大，在champ軟件中仿真計算L／S／C三個工作頻段的主模方向圖和主模電壓駐波比，而在ansoft軟件中仿真計算差模方向圖，建立一個擁有L頻段單脈沖跟蹤能力的L／S／C三頻段共用雙槽深波紋喇叭的模型，此仿真模型與實測場景一樣，這里主要仿真計算L跟蹤頻段的差模方向圖、L跟蹤頻段的主模方向圖、差模端口電壓駐波比、差增益、差零深等參數.對仿真運算比較好的模型，進行了實物加工與測試.仿真結果與實測結果的圖形相比較趨勢吻合，L頻段主模與差模端口之間隔離小于-25dB，其他頻段主模與差模端口之間隔離均小于-30dB.在L頻段1.16～1.6GHz內主模電壓駐波比小于1.5，其他頻段主模電壓駐波比小于1.2.

圖3給出了波紋喇叭在L、S、C三個工作頻段的高、低頻點和方向圖仿真與實測結果.圖3（b）、（d）和方向圖仿真與實測結果差別不是很明顯，但圖3（a）、（c）在17°照射角范圍內實測與仿真邊緣電平結果差別比較大，產生差別的原因主要有以下幾個方面：第一，和方向圖仿真數據是波紋喇叭在波紋槽底沒有開耦合口之前仿真計算結果，而實測數據是波紋喇叭在波紋槽底開了L頻段差模耦合口的情況下實測的結果，可能在抑制L頻段主模信號采取一些措施（如更改耦合槽的槽參數與低通塊模濾波器等）還不夠完善，導致部分L頻段主模能量也從差模耦合口［11］溢出，從和方向圖照射電平也反映出耦合口對L／S／C三頻段波紋喇叭的性能還是有一定的影響；第二，由于L／S／C三頻段波紋喇叭尺寸比較大，保證喇叭的加工精度有一定難度，尤其是在帶環加載的雙槽深結構形式的模變換段加工難度更大，加工精度不是很好的話，也會對L／S／C三頻段波紋喇叭的性能產生一些影響；第三，在測試過程中也會產生一些測試誤差.

圖3 L／S／C三頻段波紋喇叭和方向圖仿真與實測結果

圖4主要描述了L頻段跟蹤頻帶的高、低頻點和差方向圖仿真與測試結果，從圖4（a）1.55GHz和差方向圖仿真結果看出差增益是8dB左右，差零深大于30dB；從和差方向圖實測結果可以看出差增益是16dB左右，差零深大于30dB.從圖4（b）1.57GHz和差方向圖仿真結果可以看出差增益是9dB左右，差零深大于30dB；從和差方向圖實測結果可以看出差增益是16dB左右，差零深大于30dB.

圖4 L頻段跟蹤網絡方向圖仿真與實測結果

從圖4看出和方向圖在17°照射角范圍內實測邊緣電平與仿真結果基本吻合，實測差增益結果比仿真結果低7dB左右，誤差來源為以下兩個方面：第一，因為仿真模型與實測兩者饋線不同，仿真模型采用波導饋線合成方式，基本上沒有饋線損耗，實測時采用電纜與微帶合差器饋線合成方式，電纜和微帶合差器大約有3dB左右的損耗；第二，加工誤差引起開耦合口的位置與實際位置有點偏差，導致耦合能量的減弱；第三，測試環境和測試誤差帶來的誤差.

2.2 L／S／C三頻段波紋喇叭加工實物圖

實測L／S／C三頻段波紋喇叭見圖5.

圖5 L／S／C三頻段波紋喇叭

3 結 論

以L／S／C三頻雙槽深波紋喇叭為研究對象，在雙槽深結構形式的一個槽底開差模耦合口，耦合出L／S／C三頻波紋喇叭內L頻段高次模HE21模的能量，實現了天線單脈沖跟蹤功能.論文研究從L／S／C三頻雙槽深波紋喇叭內取出差模信號，同時盡量減小對L／S／C三個工作頻段主模信號的影響，通過大量的研究試驗工作，實現了天線單脈沖自跟蹤功能，滿足天線跟蹤精度的要求，天線的其他電氣性能指標基本滿足設計要求.這項研究技術已經應用到實際的工程系統中，天線運行良好，為多頻段跟蹤天線的研究提供了一種設計方法.

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