Ku/Ka雙頻段微波網絡設計

張博

摘 要： 雙頻共用和多頻共用技術是目前衛(wèi)星通信地球站天線的一個重要發(fā)展方向，其可以擴大通信容量，實現(xiàn)一站多用，大大降低成本?；谖⒉ňW絡理論，提出一種Ku/Ka雙頻段微波網絡的設計方案。通過分波器實現(xiàn)雙頻共用，在Ka波段工作于圓極化，Ku波段工作于線極化。Ku/Ka雙頻共用微波網絡的核心器件有：分波器、低通濾波器等。該網絡具有良好的駐波特性、較高的端口隔離度、旋轉對稱和良好的軸比特性的輻射方向圖。最后給出了微波網絡的實測結果，測試結果與技術要求吻合很好。

關鍵詞： 微波網絡； 分波器； 低通濾波器； 雙頻段

中圖分類號： TN820?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）16?0023?03

Design of microwave network operated in Ku/Ka?band

ZHANG Bo

（The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050081， China ）

Abstract： The dual?band and multiband sharing technologies are the important development directions of satellite communication antenna in ground station， which can enlarge the communication capacity， realize multi?function station and decrease cost dramatically. Based on the theory of microwave network， a design scheme of Ka/Ku dual?band microwave network is presented here. It has a function of frequency sharing which is implemented by wave separator. The network operates circular polarization at Ka band， and linear polarization at Ku band. The design method of essential components （wave separator and low?pass filter） in Ku/Ka dual?band sharing microwave network system is elaborated. This network possesses good matching， high isolation between ports， radiation pattern with good main circularity and axial ratio. The measured results of the microwave network are given. The measured results meet the technique requirement very well.

Keywords： microwave network； wave separator； low?pass filter； dual?band

0 引 言

目前衛(wèi)星通信發(fā)展的瓶頸在于有限的頻譜資源，為了進一步擴大通信容量一般需要展寬現(xiàn)有的通信頻段或者開發(fā)新的通信頻段。當前常用的通信頻段有C（收發(fā)各800 MHz），Ku（收發(fā)各500 MHz），Ka頻段等。隨著通信業(yè)務的發(fā)展C，Ku的頻道資源趨于飽和。而更高頻率的Ka頻段具有可用頻帶寬、干擾少等優(yōu)點，在國內外得到了廣泛的應用[1?3]。

為了實現(xiàn)一站多用降低成本，頻率復用技術成為衛(wèi)星通信地球站天線發(fā)展的一個重要的方向。饋源網絡是地球站天線系統(tǒng)的核心，發(fā)展具有優(yōu)良性能的多頻帶、寬頻帶饋源網絡技術是地球站天線系統(tǒng)發(fā)展的重中之重。Ku/Ka雙頻段饋源網絡的設計，可以給衛(wèi)通系統(tǒng)提供更寬的頻段，更高的傳輸速率，用以支撐無人機、船載站等各種移動載體的衛(wèi)通系統(tǒng)鏈路更快的傳輸信息，既能保證常用Ku衛(wèi)通通信體制的要求，又可擴展到Ka頻段高速率信息的傳輸。本文介紹的就是一種Ku頻帶經過展寬的Ku/Ka雙頻段微波網絡，原有的Ku頻率為收發(fā)500 MHz，現(xiàn)擴展為接收1.3 GHz發(fā)射750 MHz，Ka頻段保持不變。

1 系統(tǒng)方案和原理

要實現(xiàn)微波網絡的多頻段共用有多種方案，目前廣泛應用的有同軸式饋源網絡、頻率選擇面式饋源網絡、波束波導式饋源網絡、共噴口分波器式饋源網絡 [4?6]。經過分析工程需求我們選取微波網絡的形式為共噴口分波器式，其具有適合雙反射面天線的照射角，有良好的交叉極化特性和較小的系統(tǒng)損耗等優(yōu)點，并且結構緊湊能適合各種口徑天線。

Ku/Ka雙頻段共噴口分波器式微波網絡由波紋喇叭式饋源和雙頻微波網絡組成。其工作流程可以概括如下： Ku頻段信號經過Ka波段TE21模耦合器的主通道到達Ku/Ka分波器，從耦合臂耦合出來后分別合成為正交的接收信號和發(fā)射信號；Ka頻段信號在經過Ku/Ka分波器時，由于低通濾波器對其有抑制作用，所以可以無損耗的通過分波器；其后經過Ka圓極化器和Ka收發(fā)正交模耦合器分別形成Ka發(fā)射信號和Ka接收信號，跟蹤信號與Ka波段TE21模耦合器分離出來。Ku/Ka雙頻段微波網絡的工作原理框圖見圖1。

圖1 Ku/Ka雙頻段微波網絡的工作原理框圖

2 微波網絡的設計

Ku/Ka雙頻段微波網絡的關鍵部件有Ku/Ka分波器、低通濾波器等，其共同工作實現(xiàn)了雙頻網絡良好的電氣特性。

2.1 Ku/Ka分波器的設計

Ku/Ka分波器可以看作一種六端口網絡，主通道為一圓錐形過渡，前端為來波方向，一般連接波紋喇叭饋源，后端的尺寸逐漸變小直至能為低端頻率的信號提供短路面，使高端頻率的信號可以通過。

在主通道的過渡段上選取合適的位置開四個豎槽耦合孔，耦合孔沿主通道軸心均勻分布，低頻信號可從耦合孔耦合出來。

設分波器前端最大直徑為D1，后端最小直徑為D2，耦合孔中心處直徑為D3，耦合孔的長度為L0，主通道過渡的錐角為[α]，這幾個參數(shù)需要滿足[7]：

[2.62D1≤λmax≤3.41D1] （1）

[2.62D2≤λmin≤3.41D2] （2）

[D3=λmin+λmax3.41] （3）

[λmin2≤λmax-λmin1.705sinα

[L0=cλmax-λmin1.705sinα] （5）

式中：[λmin]為Ku工作頻帶最低頻率的波導波長；[λmax]為Ku工作頻帶最高頻率的波導波長；a為耦合孔連接的矩形波導的寬邊長度；c為取值介于1～2之間的常數(shù)。

由此可得出需要設計的Ku/Ka分波器的關鍵尺寸：D1=20 mm，D2=10 mm，D3=16 mm，α=13°，L0=15 mm。

2.2 低通濾波器的設計

低通濾波器的通帶為Ku頻帶，阻帶為Ka頻帶，其安裝在分波器耦合孔外側，使Ku頻段信號以較小的損耗通過并為Ka頻段信號提供短路面。低通濾波器對系統(tǒng)的性能有著重大影響。

Ku/Ka雙頻段微波網絡的最高工作頻率與最低工作頻率之比達到2.7，即需要低通濾波器的阻帶最高頻率與通帶最低頻率之比為2.7。

一般濾波器的寄生通帶在2個倍頻左右就已出現(xiàn)[8]，根據以上需求，把濾波器的形式選定為塊模式濾波器。塊模式濾波器是在許多縱向槽和橫向槽中間凸起一些金屬塊構成，其具有匹配良好的寬通帶和高衰減的寬阻帶，可使許多高次模受到抑制[9]。塊模式濾波器結構外形見圖2。

圖2 塊模式濾波器結構外形圖

設fm為通帶中心頻率，濾波器的截止頻率f1=[fm0.7]，無限衰減頻率f∞=40 GHz，則可得[f∞f1]=2.16，并選[Lb=1π]，由設計曲線 [10]查得[bλ1]=0.35，可求得b=5.67 mm，L=1.8 mm。尺寸b1，L1由下式確定：

[tan πL1λ1=πδbλ1（G-2πl(wèi)n 1δ+0.215 8）] （6）

[δ=b1b] （7）

[a=n（L+L1）] （8）

式中G=2.45，n=5，可解得b1，L1的值。由于波導縱向開槽的影響，使得低阻抗線的單位電容減小，故最終的開縫尺寸b0需根據式（9）對b1修正后得來：

[η=?+2?πtan-1（ηb1L）+b1ηln1+（Lηb1）2L] （9）

式中[η=b0b1]，[?=L（L+L1）]，由此可求得b0。

塊模式濾波器的電氣尺寸確定后，在全波仿真軟件CST里對其建模仿真，仿真結果見圖3。

圖3 塊模式濾波器仿真結果

3 實測結果

完成關鍵部件的設計并加工完成后，對Ku/Ka雙頻段微波網絡進行了主要電氣指標的測試[10]，技術指標和實測數(shù)據見表1。

表1 Ku/Ka雙頻段微波網絡測試結果

從測試結果可以看出所有端口駐波都小于1.35，收發(fā)隔離大于85 dB，線極化交叉極化大于35 dB，圓極化軸比小于1.5 dB，整個微波網絡實現(xiàn)了低回波損耗，低軸比和高隔離度的設計要求。

4 結 語

本文介紹了一種頻帶展寬的Ku/Ka雙頻段共噴口分波器式微波網絡，其具有良好的電氣性能，已廣泛應用于各種口徑的衛(wèi)通地球站天線。

參考文獻

[1] 楊可忠.現(xiàn)代面天線新技術[M].北京：人民郵電出版社，1993.

[2] 田車輦.Ku波段13米衛(wèi)星通信天線設計與性能[J].無線電工程，1999（3）：55?59.

[3] 張玉珍.Ku/Ka多頻段饋源的分析與設計[D].成都：電子科技大學，2011.

[4] 齊述堂，田哲民.高性能C波段800 MHz帶寬頻譜復用饋源網絡[J].無線電工程，1998（8）：1?5.

[5] ROSPOPA Y O， OVSIANYK Y A， DUBROVKA R F， et al. Recent progress in development of multiband feed horns [J]. Antenna Theory and Techniques， 2007（6）： 44?50.

[6] 楊科.20/30 GHz頻率選擇面技術研究[J].空間電子技術，2007 （4）：34?36.

[7] 段斌，李紅衛(wèi).C/Ku雙波段饋源系統(tǒng)的研究[J].微波學報，1998 （3）：227?232.

[8] 張曉峰.寬阻帶波導雙工器的研制[D].成都：電子科技大學，2011.

[9] 甘本祓，吳萬春.現(xiàn)代微波濾波器的結構與設計（下冊）[M].北京：科學出版社，1973.

[10] 秦順友，許德森.衛(wèi)星通信地面站天線工程測量技術[M].北京：人民郵電出版社，2006.