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(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊050081；2.中國電子科技集團(tuán)第54所，河北 石家莊050081）

引 言

隨著衛(wèi)星通信天線技術(shù)的快速發(fā)展，通信業(yè)務(wù)量與日俱增，對于多頻共用衛(wèi)星通信地球站天線需求越來越多，多頻共用技術(shù)也就成為了衛(wèi)星通信天線一個重要的發(fā)展方向.由于雙頻共用和多頻共用衛(wèi)星通信地球站天線具有通信容量大、一站多用、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低的特點(diǎn)［1］，因此成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，其關(guān)鍵技術(shù)也在于多頻共用饋源的研究.大多數(shù)地球站天線要求具有指向跟蹤能力，即保證天線始終對準(zhǔn)繞地球旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星.目前，天線跟蹤方式主要包括［2］：圓錐掃描跟蹤、步進(jìn)跟蹤、程序引導(dǎo)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(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于跟蹤中、低軌衛(wèi)星通信天線中.單脈沖跟蹤系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是差模饋源的研制，目前應(yīng)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(yīng)用這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致天線的照射效率低，且最大的缺點(diǎn)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(dǎo)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(diǎn)是：第一、由于TE21模耦合器采用8臂耦合波導(dǎo)合成結(jié)構(gòu)，8根矩形波導(dǎo)通過8排小孔與圓波導(dǎo)耦合，導(dǎo)致加工復(fù)雜、結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)TM01模方式.此方式結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本低廉、極化調(diào)整方便，但是此跟蹤方式缺點(diǎn)是：工作頻帶比較窄，只能跟蹤圓極化信標(biāo)衛(wèi)星，無法跟蹤線極化信標(biāo)衛(wèi)星.

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

比較早使用波紋喇叭耦合技術(shù)的是Goldstone深空網(wǎng)（Deep Space Network，DSN）噴氣推進(jìn)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(shè)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(tǒng)都具有發(fā)射和接收功能，X頻段發(fā)射與接收頻率是在開槽壁上實現(xiàn)的，并且對于Ka頻率幾乎沒有影響.國內(nèi)在波紋喇叭內(nèi)耦合出信號的技術(shù)研究與工程應(yīng)用較早的是中國電子科技集團(tuán)第39所李紹友、張成全等同志，他們對S／X、雙頻段饋源進(jìn)行了分析、計算、設(shè)計及調(diào)試工作，并把這種技術(shù)廣泛應(yīng)用到遙測天線［6］.

本論文在前人設(shè)計出的傳輸主模HE11模雙槽深波紋喇叭基礎(chǔ)上進(jìn)一步技術(shù)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(nèi)，實現(xiàn)了高性能寬頻帶工作性能，同時又實現(xiàn)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(tǒng)的波紋喇叭［7-8］結(jié)構(gòu)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(shè)計出L／S／C三頻段波紋喇叭，本文分析了波紋喇叭的導(dǎo)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(shù).

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(jié)構(gòu)［9］如圖2所示.圖中，P為雙槽深結(jié)構(gòu)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(nèi)壁半徑.

圖2 部分雙槽深結(jié)構(gòu)示圖

在模變換段內(nèi)的每個周期由1個環(huán)加載槽、1個直槽組成，其中環(huán)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(nèi)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(zhuǎn)換段的入口與出口的口徑尺寸選取上主要參照J(rèn)ames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(jīng)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(dǎo)納［9-10］是由兩個單槽導(dǎo)納并聯(lián)組合成的，因此在這個波紋喇叭選取雙槽深參數(shù)的時候，盡量使L／S／C三頻段波紋喇叭的導(dǎo)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(dǎo)納Y，如表1所示.從模變換器的入口導(dǎo)納數(shù)據(jù)可以看出所有頻段內(nèi)導(dǎo)納絕對值都大于20，從工程經(jīng)驗上來說只要導(dǎo)納絕對值大于20，就可以認(rèn)為模變換器的入口趨近于光壁圓波導(dǎo)，證明波紋槽參數(shù)的選取是合適的.波紋喇叭出口的導(dǎo)納如表2所示，從數(shù)據(jù)可以看出在波紋喇叭出口S頻段內(nèi)的導(dǎo)納絕對值大于6，由于對S頻段電氣性能的設(shè)計指標(biāo)要求不高，因此，對于S頻段在L／S／C三頻段波紋喇叭內(nèi)傳播性能等同于光壁圓張角喇叭.L、C兩個頻段導(dǎo)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(nèi)的輻射特性良好.

表1 模變換器的入口導(dǎo)納Y

表2 波紋喇叭的出口導(dǎo)納Y

根據(jù)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(jù)以往波紋喇叭的設(shè)計經(jīng)驗和天線的電氣性能指標(biāo)要求，最后選取L／S／C三頻段波紋喇叭的口面槽參數(shù)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(jié)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(shù)據(jù)可以看出，L／S／C三頻段波紋喇叭槽參數(shù)選取是比較合適的，基本滿足天線電氣性能指標(biāo)要求.

1.2 L頻段差模跟蹤信號的分析

根據(jù)L／S／C三頻段共用雙槽深波紋喇叭內(nèi)的槽參數(shù)來設(shè)計分析L頻段跟蹤網(wǎng)絡(luò).由雙槽結(jié)構(gòu)三頻段共用波紋喇叭饋源的槽參數(shù)求解L頻段差模信號等效導(dǎo)納Y差.在三頻段共用波紋喇叭饋源模變換段內(nèi)，模變換段由環(huán)加載槽和直槽組成，差模信號HEmn（m＝2、n＝1）等效導(dǎo)納Y差計算公式為

式中：

Jm（x）、Nm（x）分別為m階貝塞爾函數(shù)和諾依曼函數(shù)；λ為自由空間的波長；λc為截止波長；a為槽口處的內(nèi)壁半徑；b1為環(huán)加載槽槽口寬度；b2為直槽槽口寬度；W1為環(huán)加載槽的寬度；h1為環(huán)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(nèi)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(dǎo)納Y差計算公式為

式中：

Y3為深槽的等效壁導(dǎo)納；Y4為淺槽的等效壁導(dǎo)納；b為深淺直槽的槽寬；a為槽口處的內(nèi)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(dǎo)納代入由表面阻抗法導(dǎo)出的波紋波導(dǎo)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(nèi)的L頻段差模信號的傳播常數(shù)β差，再根據(jù)L頻段差模信號的傳播常數(shù)判斷出L頻段差模信號臨界截止點(diǎn)的位置［2］.判斷方式為：當(dāng)β差為實數(shù)時，表示L頻段差?？梢栽诓y槽內(nèi)傳播；當(dāng)β差為虛數(shù)時，表示L頻段差模不可以在波紋槽內(nèi)傳播；當(dāng)β差＝0時，表示L頻段差模在波紋槽內(nèi)為臨界截止點(diǎn).

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

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

在L頻段差模信號波腹點(diǎn)處的波紋喇叭槽底圓周上均勻依次開設(shè)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(jīng)饋線合成，輸入跟蹤接收機(jī).

2 實驗結(jié)果分析

2.1 仿真與實測結(jié)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(dǎo)尺寸、耦合口、低通塊模濾波器的結(jié)構(gòu)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(dǎo)致運(yùn)算數(shù)據(jù)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(shù).對仿真運(yùn)算比較好的模型，進(jìn)行了實物加工與測試.仿真結(jié)果與實測結(jié)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(nèi)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(diǎn)和方向圖仿真與實測結(jié)果.圖3（b）、（d）和方向圖仿真與實測結(jié)果差別不是很明顯，但圖3（a）、（c）在17°照射角范圍內(nèi)實測與仿真邊緣電平結(jié)果差別比較大，產(chǎn)生差別的原因主要有以下幾個方面：第一，和方向圖仿真數(shù)據(jù)是波紋喇叭在波紋槽底沒有開耦合口之前仿真計算結(jié)果，而實測數(shù)據(jù)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(jié)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(shù)與低通塊模濾波器等）還不夠完善，導(dǎo)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(huán)加載的雙槽深結(jié)構(gòu)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(chǎn)生一些影響；第三，在測試過程中也會產(chǎn)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(jié)果

圖4主要描述了L頻段跟蹤頻帶的高、低頻點(diǎn)和差方向圖仿真與測試結(jié)果，從圖4（a）1.55GHz和差方向圖仿真結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(wǎng)絡(luò)方向圖仿真與實測結(jié)果

從圖4看出和方向圖在17°照射角范圍內(nèi)實測邊緣電平與仿真結(jié)果基本吻合，實測差增益結(jié)果比仿真結(jié)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(dǎo)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(diǎn)偏差，導(dǎo)致耦合能量的減弱；第三，測試環(huán)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(jié) 論

以L／S／C三頻雙槽深波紋喇叭為研究對象，在雙槽深結(jié)構(gòu)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(nèi)L頻段高次模HE21模的能量，實現(xiàn)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(nèi)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(xiàn)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(biāo)基本滿足設(shè)計要求.這項研究技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到實際的工程系統(tǒng)中，天線運(yùn)行良好，為多頻段跟蹤天線的研究提供了一種設(shè)計方法.

［1］張玉珍.Ku／Ka多頻段饋源的分析與設(shè)計［D］.成都：電子科技大學(xué)，2011.ZHANG Yuzhen.A Design and Analysis of Ku／Ka Dual Band Feed［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2011.

［2］鄧智勇，張文靜.C波段差模耦合波紋喇叭［J］.電波科學(xué)學(xué)報，2012，27（3）：615-619.DENG Zhiyong，ZHANG Wenjing.C-band differential mode coupling corrugated horn［J］.Chinese Journal of radio Science，2012，27（3）：615-619.（in Chinese）

［3］張鳳林，丁曉磊，劉 昊，等.1～12GHz單通道單脈沖跟蹤天線［J］.電 波科學(xué)學(xué)報，2009，24（3）：427-431.ZHANG Fenglin，DING Xiaolei，LIU Hao，et al.The fields excited by 1～12GHz single channel monopulse tracking antenna［J］.Chinese Journal of radio Science，2009，24（3）：427-431.（in Chinese）

［4］章日榮，杜 彪.旁臂耦合式雙波段波紋喇叭［J］.無線電通信技術(shù)，1993，19（3）：13-23.ZHANG Rirong，DU Biao.The dual band corrugated horn of side coupling［J］.Radio Communications Technology，1993，19（3）：13-23.

［5］CHEN J C，STANTON P H，REILLY H F Jr.X／X／Ka-band horn design［C］／／Antennas and Propagation Society International Symposium.Baltimore，July 21-26，1996：2022-2025.

［6］鄧智勇.波紋喇叭差模耦合技術(shù)的研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2011.DENG Zhiyong.Research on the Differential Mode Coupling Technology in Corrugated Horn［D］.Xi’an：Xidian University.（in Chinese）

［7］楊可忠，楊智友，章日榮.現(xiàn)代面天線新技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，1993：374-411.

［8］章日榮，楊可忠，陳木華.波紋喇叭［M］.北京：人民郵電出版社，1988：28-57.

［9］DU Biao，ZHANG Wenjing，YANG Kezhong.A Novel Dual-slot structure mode converter for L／C dualband corrugated horn［C］／／IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium，2004，3：3341-3344.

［10］CLARRICOATS P J B，OLVER A D.Corrugated Horns for Microwave Antennas［M］.Stevenage：Peter Peregrinus Ltd，1984.

［11］汪柳平，高攸剛.有孔矩形腔的屏蔽效能及其對諧振抑制研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報，2008，23（3）：560-564.WANG Liuping，GAO Yougang.Analysis of shielding effectiveness for rectangular cavity with apertures and resonance suppression［J］.Chinese Journal of radio Science，2008，23（3）：56-564.（in Chinese）

［12］陳明勇，竇文斌.Ka波段徑向波導(dǎo)功率合成網(wǎng)絡(luò)［J］.電波科學(xué)學(xué)報，2010，25（4）：745-748.CHEN Mingyong，DOU Wenbin.Power combiner using radial waveguide at Ka-band［J］.Chinese Journal of radio Science，2010，25（4）：745-748.（in Chinese）.