新型C頻段TE21模圓極化合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計?

周錄軍，馬行軍

新型C頻段TE21模圓極化合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計?

周錄軍1，馬行軍2

（1.中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431；2.中國電子科技集團公司第三十九研究所，西安710065）

指出了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及微帶形式的TE21模圓極化合成網(wǎng)絡(luò)的不足，介紹了3 dB分支定向耦合器的基本原理，設(shè)計了新型C頻段空氣帶狀線形式的圓極化合成網(wǎng)絡(luò)，并對該結(jié)構(gòu)進行仿真和測試，結(jié)果滿足性能要求。此種合成網(wǎng)絡(luò)可與耦合器設(shè)計為一體，既可以增加結(jié)構(gòu)強度，還縮短了傳輸路徑，降低了損耗，目前已經(jīng)成功應(yīng)用在多種型號天線系統(tǒng)上。

雷達跟蹤系統(tǒng)；C頻段；圓極化；合成網(wǎng)絡(luò)；空氣帶線；定向耦合器

1 引言

在圓波導(dǎo)TE11、TE21模自跟蹤體制中實現(xiàn)雷達的自跟蹤特性時，用于提取差模TE21模的跟蹤器是其中關(guān)鍵部件，而TE21模組合網(wǎng)絡(luò)又是跟蹤器中形成圓極化的核心部件。傳統(tǒng)的C頻段寬帶跟蹤器中，組合網(wǎng)絡(luò)是采用彎頭、魔T等組成的波導(dǎo)式結(jié)構(gòu)［1］，這種組合網(wǎng)絡(luò)雖然損耗小但缺點是橫向和縱向尺寸大，加工困難，如果用微帶電路來實現(xiàn)則會導(dǎo)致?lián)p耗過大。鑒于以上問題，迫切需要新型組合網(wǎng)絡(luò)，使得結(jié)構(gòu)緊湊損耗小，可靠性高。

本文基于3 dB分支定向耦合器基本原理，設(shè)計了一種空氣帶線形式差模合成網(wǎng)絡(luò)，它比微帶結(jié)構(gòu)形式損耗低，比波導(dǎo)形式體積小，是由10個3 dB分支定向耦合器連接組成一個八卦形的功分網(wǎng)絡(luò)，各端口輸入相位滿足一定關(guān)系后，可實現(xiàn)較好的圓極化輸出。

2 TE21模圓極化合成網(wǎng)絡(luò)的工作原理

2.1 差模合成網(wǎng)絡(luò)的要求

圖1中差模合成網(wǎng)絡(luò)由7個魔T和一個90°移相器組成［2］，以實現(xiàn)圓波導(dǎo)TE21模的正交圓極化。對合成網(wǎng)絡(luò)而言，采用空氣帶線結(jié)構(gòu)的3 dB電橋時，組成應(yīng)具有相同的相位特性。但是圖1結(jié)構(gòu)存在連線的交叉無法實現(xiàn)平面結(jié)構(gòu)，而采用圖2結(jié)構(gòu)就可實現(xiàn)平面結(jié)構(gòu)。

2.23 dB電橋原理

3 dB分支定向耦合器如圖3所示，當(dāng)電磁波由端口1輸入時，在端口3上由兩個分支線耦合過來的波，同相相加；而在端口2上由兩個分支線耦合過來的波，反相相消，故端口3和端口4有耦合輸出，端口2沒有輸出。因此這種定向耦合器是個同向定向耦合器，兩個輸出端口相位相差90°。

用偶模奇模法來分析，對于偶模激勵的等效電路，其［A］矩陣是

式中，K0、K1是主支線導(dǎo)抗，H1是分支線導(dǎo)抗。由此求得偶模反射系數(shù)和傳輸系數(shù)為

對于奇模激勵的等效電路，它與偶模電路結(jié)構(gòu)相同，只是導(dǎo)納jH1變換為-jH1，故將式（2）的-H1代換，即可得到奇模反射系數(shù)和傳輸系數(shù)為

因此，在端口1用1 V電壓入射波的激勵下，各端口的輸出電壓反射波為

耦合器為完全匹配和完全隔離，必須s11=s21= 0，因此得出

這就是單節(jié)支線定向耦合器在中心頻率上的完全匹配和隔離的條件。在此條件下，端口3和端口4的輸出為

由此可見，端口3和端口4輸出相位相差90°，端口4落后于端口3，是為90°定向耦合器。

如果此定向耦合器為3 dB定向耦合器，必須

s31=s41，于是得出

2.33 dB電橋HFSS仿真

根據(jù)前面的分析和設(shè)計公式，可以結(jié)合結(jié)構(gòu)要求設(shè)計一個3 dB分支線定向耦合器，其仿真模型［3］如圖5所示。因篇幅所限，仿真結(jié)果略。

3 差模組合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

TE21模耦合器其工作原理如圖6所示，圖中實線代表一種極化的TE21模，點劃線代表另一種極化的TE21模。要使8根耦合臂的輸出疊加并形成圓極化信號，要求8根耦合臂的輸出信號幅度相等而且相差滿足一定的關(guān)系［4］。

根據(jù)TE21模耦合器結(jié)構(gòu)特點，網(wǎng)絡(luò)采用單層結(jié)構(gòu)，便于加工，主要由帶線電橋、帶線-同軸轉(zhuǎn)換組成。帶線由外殼和內(nèi)導(dǎo)體構(gòu)成，帶線的外殼見圖7，帶線內(nèi)導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，它是由10個兩分支電橋連接而成：其中，1～8是輸入口，在連接時要注意輸入的相位關(guān)系。

當(dāng)滿足TE21模合成相位關(guān)系后，可使A、D口為差路左、右旋圓極化輸出口，B、C口為隔離口，需要接負載。

4 合成網(wǎng)絡(luò)仿真與測試

合成網(wǎng)絡(luò)仿真模型如圖9所示。由駐波仿真結(jié)果知，各端口駐波在-25～-35 dB間，駐波特性好。

合成網(wǎng)絡(luò)性能測試結(jié)果：駐波比小于1.5，隔離度大于20 dB，幅度不平衡小于等于0.5 dB，相位不平衡小于等于2°，損耗小于0.5 dB，性能參數(shù)良好。

5 結(jié)論

本文采用空氣帶線形式創(chuàng)新地設(shè)計了C頻段差模合成網(wǎng)絡(luò)，仿真測試結(jié)果表明其性能優(yōu)良。此組合網(wǎng)絡(luò)可與跟蹤器設(shè)計為一體，彌補了用魔T實現(xiàn)合成網(wǎng)絡(luò)時體積重量大及用微帶形式時的大損耗缺點，通過調(diào)整八卦結(jié)構(gòu)尺寸還可用作S、Ka等毫米波的圓極化合成網(wǎng)絡(luò)，具有很強的實用價值，前景廣闊。

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KE Shu-ren.Circular wave multimode tracking system［M］. Communication and Monitoring and Control，1992（2）：1-11.（in Chinese）

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ZHAO Bo，LI Jia-yin，ZHOU Yi-hong.8mm waveguide magic T’s simulation analysis［J］.Fire Control Radar Technology，2008，37（3）：62-64.（in Chinese）

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XIE Yong-jun，LIU Ying，LI Lei，et al.The HFSS Principles and engineering applications［M］.Beijing：Science and Technology Press，2009.（in Chinese）

［4］An Dawei，LI Xiang，Mou Jinchao，et al.A New Type of Kaband Waveguide-based Power Combining Structure［C］／／Proceedings of 2008 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology.Nanjing：IEEE，2008：347-350.

ZHOU Lu-jun was born in Xichang，Sichuan Province，in 1986.He received the B.S.degree from Nanjing University of Aeronautics and Astronautics in 2010.He is now an assistant engineer. His research concerns satellite TT＆C.

Email：zhoulujun168＠163.com

馬行軍（1980—），男，山東梁山人，2007年于西安電子科技大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事饋源研究工作。

MA Xing-jun was born in Liangshan，Shandong Province，in 1980.He received the M.S.degree from Xidian University in 2007. He is now an engineer.His research concerns feeder.

A Novel Design of C-band TE21Mode Circular Polarization Combiner

ZHOU Lu-jun1，MA Xing-jun2
（1.China Satellite Maritime Tracking and Control Department，Jiangyin 214431，China；2.The 39th Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Xi′an 710065，China）

The shortcomings of waveguide and microstrip of the TE21mode circular polarization synthesis networks are pointed out.The theory of equal branch waveguide coupler is described.A new circular polarization synthesis network is designed by air stripline and it is simulated and tested.This synthetic network can strengthen the structure，shorten the transmission path and reduce the loss by being designed as a whole with coupler.This kind of combination of network has been used in a variety of antenna systems.

radar tracking system；C-band；circular polarization；synthesis network；air stripline；directional coupler

TN73

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.021

周錄軍（1986—），男，四川西昌人，2010年于南京航空航天大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為助理工程師，主要從事衛(wèi)星測控工作；

1001-893X（2012）07-1151-04

2012-01-20；

2012-03-13