一種X/Ka雙頻共用同軸饋源設(shè)計

陳騰博 孫大媛 李佼珊 段江年

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

一種X/Ka雙頻共用同軸饋源設(shè)計

陳騰博 孫大媛 李佼珊 段江年

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

針對深空探測通信的需求，提出了一種X/Ka雙頻共用同軸饋源設(shè)計。饋源由X頻段圓極化器、X頻段十字波導(dǎo)結(jié)、Ka頻段圓極化喇叭等部件組成。饋源在X頻段以同軸波導(dǎo)形式工作，在Ka頻段以圓波導(dǎo)形式工作。從X頻段波導(dǎo)端口饋入TE10模激勵時，在空間形成左旋圓極化波束，從Ka頻段波導(dǎo)端口饋入TE10模激勵時，在空間形成右旋圓極化波束，從而實現(xiàn)雙頻雙圓極化工作模式。對實際設(shè)計的饋源進行了仿真分析，結(jié)果表明：該饋源具有較好的阻抗特性和方向圖特性，能夠滿足新一代深空探測雙頻通信的需求。

X/Ka雙頻；同軸饋源；圓極化；方向圖

1 引言

深空探測任務(wù)面臨的一個主要困難是較遠通信距離帶來的巨大空間衰減，從而導(dǎo)致測控通信系統(tǒng)傳輸速率受限，誤碼率較高。目前，我國深空探測采用X頻段作為測控通信頻段，下行通信碼速率只有10kbit/s，為了提高深空探測器的測控通信能力，考慮增加一個Ka頻段下行通信鏈路，其下行通信碼速率可以提高到100kbit/s，因此須要使用X/Ka雙頻天線。例如，美國1992年發(fā)射的“火星觀測者”（Mars Observer）探測器，除了采用X頻段實現(xiàn)測控和數(shù)傳功能外，還增加了一個Ka頻段下行試驗鏈路［1－2］，頻率為32～35GHz。天線采用卡塞格倫雙反射面形式：X頻段工作為標準卡塞格倫雙反射面天線，主反射面直徑為1．5m，副反射面直徑為0．3m，增益為40dBi；Ka頻段饋源安裝在副反射面焦點上，組成一副單反射面天線，只使用副反射面工作，增益為37dBi。此類雙反射面天線由于副反射面口徑較小，Ka頻段工作時的增益實際上低于X頻段的增益。

基于深空探測任務(wù)需求，針對現(xiàn)有X/Ka雙頻天線存在Ka頻段增益較低的缺點，本文介紹了一種X/Ka雙頻共用同軸饋源（以下簡稱雙頻饋源）的設(shè)計，可應(yīng)用于共用反射面的X/Ka雙頻天線，在Ka頻段獲得較高的天線增益。另外，雙頻饋源由全金屬材料制作，具有空間環(huán)境適應(yīng)性強的特點。該設(shè)計可以為深空探測器通信天線設(shè)計提供參考。

2 雙頻饋源設(shè)計

本文設(shè)計的雙頻饋源工作于X和Ka頻段，采用同軸與波導(dǎo)組合的結(jié)構(gòu)形式。饋源在X頻段以同軸波導(dǎo)形式工作，在Ka頻段以圓波導(dǎo)形式工作。從X頻段波導(dǎo)端口饋入TE10模激勵時，在空間形成左旋圓極化波束；從Ka頻段波導(dǎo)端口饋入TE10模激勵時，在空間形成右旋圓極化波束。

饋源為緊湊的雙端口微波器件，其組成如圖1所示，包括：X頻段圓極化器、十字波導(dǎo)結(jié)A、十字波導(dǎo)結(jié)B、X頻段喇叭、X頻段同軸波導(dǎo)、X頻段矩形波導(dǎo)、X頻段負載；Ka頻段圓極化喇叭，由Ka頻段喇叭、Ka頻段圓極化器、Ka頻段端口等組成。［3－4］

饋源X頻段采用左旋圓極化，其左旋端口對應(yīng)X頻段上行接收和下行發(fā)射，右旋端口接入匹配負載。通過十字波導(dǎo)結(jié)將圓極化器輸出的信號饋入X頻段喇叭［5］，再輻射至反射面。X頻段上行和下行信號通過高隔離度雙工器實現(xiàn)收發(fā)隔離（本文介紹的雙頻饋源系統(tǒng)不含雙工器部分）。饋源Ka頻段采用右旋圓極化，端口輸入的信號經(jīng)齒形圓極化器形成右旋信號饋入Ka頻段喇叭，再輻射至反射面。

該饋源主要具有以下優(yōu)點：

（1）采用共饋方式，X和Ka頻段共用反射面，通過調(diào)節(jié)內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)，使2個頻段的等效相位中心一致，從而使方向圖特性均達到最優(yōu)；

（2）結(jié)構(gòu)緊湊，孔徑遮擋小，易于與反射面進行集成設(shè)計。

2．1 X頻段圓極化器

如圖2所示，X頻段圓極化器分為矩形波導(dǎo)、金屬膜片和方波導(dǎo)三部分［6－7］。其中：金屬膜片的每一個階梯可認為是相互獨立的；2個階梯的交界處，由于膜片高度的下降，出現(xiàn)一個不連續(xù)的部分。通過將階梯部分和不連續(xù)部分的散射矩陣進行串聯(lián)，就得到圓極化器總的散射矩陣，可以從數(shù)值上明確地表示出金屬膜片圓極化器的傳輸和反射性質(zhì)。

圖2 X頻段圓極化器的結(jié)構(gòu)Fig．2 Structure of X band circular polarizer

圓極化波的形成來自于相位差為90°的2個等幅正交的電場分量。方波導(dǎo)中主模為TE10模和TE01模，它們的電場是相互正交的，因此可以通過激勵出方波導(dǎo)中的這2種主模，利用其電場相位差為90°來形成圓極化波。為了使圖2的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生圓極化效應(yīng)，在端口1用TE10模激勵，端口2接匹配負載，這樣在端口（3，4）可分別產(chǎn)生TE10模和TE01模的能量和，輸出為

由式（1）可見，在端口（3，4）產(chǎn)生了正交的具有相位差的分量，可以形成圓極化波。

對于這種設(shè)計結(jié)構(gòu)，最關(guān)鍵的是：①使TE10模和TE01模的輸入反射盡量??；②在要求頻段內(nèi)，2種正交電場分量之間的相位差盡量接近90°。

2．2 X頻段十字波導(dǎo)結(jié)

十字波導(dǎo)結(jié)（見圖3）由4個橫截面尺寸相同的矩形波導(dǎo)和位于中心的圓形腔體構(gòu)成，其外觀為“十”字形，4個矩形波導(dǎo)的長度相等。十字波導(dǎo)結(jié)可以實現(xiàn)2個極化方向相互正交的同軸波導(dǎo)TE11模和2組相位差為180°的矩形波導(dǎo)TE10模之間的模式轉(zhuǎn)換［8］。

十字波導(dǎo)結(jié)A的圓形腔體頂端加入錐臺，安裝Ka頻段圓極化喇叭后實現(xiàn)同軸波導(dǎo)輸出，其結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。十字波導(dǎo)結(jié)B的圓形腔體頂端加入凸臺，形成過渡段，以實現(xiàn)圓波導(dǎo)輸出，再經(jīng)方圓波導(dǎo)變換段與X頻段圓極化器連接，其結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示。十字波導(dǎo)結(jié)A和十字波導(dǎo)結(jié)B通過1/4波導(dǎo)波長的矩形波導(dǎo)連接。

X頻段圓極化器輸出相位差為90°的TE10模和TE01模，經(jīng)方圓波導(dǎo)變換段轉(zhuǎn)換為2個正交的同軸波導(dǎo)TE11模，再經(jīng)十字波導(dǎo)結(jié)B轉(zhuǎn)換為2組相位差為180°的矩形波導(dǎo)TE10模；2組矩形波導(dǎo)TE10模經(jīng)分支波導(dǎo)進入十字波導(dǎo)結(jié)A，轉(zhuǎn)換為2個相位差為90°的同軸波導(dǎo)TE11模。

2．3 Ka頻段圓極化喇叭

Ka頻段圓極化喇叭由Ka頻段端口（方圓波導(dǎo)變換段）、Ka頻段圓極化器和Ka頻段喇叭等組成。Ka頻段圓極化器的原理見圖4，其功能是由圓波導(dǎo)加載移相單元來實現(xiàn)，移相單元采用金屬齒形式，具有移相量大、功率容量大且插入損耗較低等優(yōu)點［9］。圓波導(dǎo)直徑D在（0．293λKa，0．382λKa）范圍內(nèi)（λKa為Ka頻段的中心頻率波長），可以保證傳輸主模TE11模，其他模處于截止狀態(tài)。金屬齒采用周期性加載，金屬齒之間的間距相同，每對金屬齒的深度和厚度相同，對x和y方向的極化分別呈現(xiàn)并聯(lián)電感（使相位超前）和并聯(lián)電容（使相位滯后）性質(zhì)。

圖4 Ka頻段圓極化器的原理示意Fig．4 Schematic diagram of Ka band circular polarizer

當輸入圓極化波導(dǎo)主模TE11模且極化方向為圖4所示Er方向時，主模與x和y方向的夾角均為45°，則其在2個軸上的分量等幅同相，通過Ka頻段圓極化器后Ey的相位比Ex超前90°，此時產(chǎn)生的極化形式為右旋圓極化。

3 設(shè)計實例與仿真驗證

3．1 設(shè)計實例

綜合理論分析，采用CST電磁仿真軟件建模，設(shè)計了工作在7．150～7．200GHz和8．400～8．500GHz的X頻段圓極化器。產(chǎn)品端口1，2的尺寸均為23mm×10．5mm，方波導(dǎo)端口的尺寸為23mm× 23mm，金屬膜片厚度為2mm。設(shè)中心頻率波長為λ01，經(jīng)仿真計算，X頻段圓極化器的尺寸如圖5所示。

X頻段圓極化器仿真計算結(jié)果為：在7．150～7．200GHz和8．400～8．500GHz，回波損耗小于－27．0dB，端口隔離小于－22．0dB，端口（3，4）的x和y方向電場分量之間的相位差在90°±4°范圍內(nèi)。

圖5 X頻段圓極化器的尺寸Fig．5 Configuration dimension of X band circular polarizer

采用CST電磁仿真軟件建模，設(shè)計工作在7．150～7．200GHz和8．400～8．500GHz的十字波導(dǎo)結(jié)A和十字波導(dǎo)結(jié)B。十字波導(dǎo)結(jié)A端口1，2，3，4的尺寸均為23．0mm×7．5mm，圓波導(dǎo)端口的直徑為23．0mm；十字波導(dǎo)結(jié)A端口1，2，3，4的尺寸均為23．0mm×10．5mm，方波導(dǎo)端口尺寸為23．0mm×23．0mm。經(jīng)仿真計算，十字波導(dǎo)結(jié)A和十字波導(dǎo)結(jié)B的尺寸如圖6所示。

十字波導(dǎo)結(jié)A和十字波導(dǎo)結(jié)B組合后的仿真計算結(jié)果為：在7．150～7．200GHz和8．400～8．500GHz，回波損耗小于－22．0dB，4個輸出端口任意相鄰端口之間的相位差在90°±5°范圍內(nèi)，幅度差在±0．5dB范圍內(nèi)。

采用CST電磁仿真軟件建模，設(shè)計工作在31．750～32．250GHz的Ka頻段圓極化喇叭。產(chǎn)品波導(dǎo)端口的尺寸為6．2mm×2．5mm。設(shè)中心頻率波長為λ02，經(jīng)仿真計算，Ka頻段圓極化喇叭的尺寸如圖7所示。

Ka頻段圓極化喇叭仿真計算結(jié)果為：在31．750～32．250GHz內(nèi)，回波損耗小于－21．5dB。

3．2 雙頻饋源分析結(jié)果

將上述X頻段圓極化器、十字波導(dǎo)結(jié)等部件和Ka頻段圓極化喇叭集成完整的雙頻饋源，仿真分析模型如圖8所示。

雙頻饋源X和Ka頻段的回波損耗仿真結(jié)果見圖9，方向圖仿真結(jié)果見圖10。由圖9可以看出：該饋源在X和Ka頻段均具有良好的帶內(nèi)匹配特性，X頻段回波損耗小于－27．0dB，Ka頻段回波損耗小于－22．0dB。由圖10可以看出：該饋源X頻段軸比小于3．0dB，半張角電平錐削小于－9．5dB，方向圖對稱性好；Ka頻段軸比小于3．0dB，半張角電平錐削小于－9．5dB，方向圖對稱性好。

根據(jù)方向圖計算結(jié)果對雙頻饋源的相位中心位置進行分析，在X和Ka頻段相位中心位置變化小于10mm。

圖8 雙頻饋源的結(jié)構(gòu)Fig．8 Structure of dual band feed

圖9 雙頻饋源回波損耗Fig．9 Return loss of dual band feed

圖10 雙頻饋源方向圖Fig．10 Radiation pattern of dual band feed

3．3 雙頻反射面天線仿真分析結(jié)果

為了驗證雙頻饋源設(shè)計的正確性，將第3．2節(jié)仿真得到的雙頻饋源方向圖參數(shù)代入反射面天線分析模型，該模型使用通用反射面分析程序（GRASP）建立。反射面天線采用卡塞格倫雙反射面形式［10］，主反射面口徑為1350mm，主反射面焦徑比為0．3；副反射面口徑為314．4mm，副反射面離心率為2．4。雙頻饋源安裝在反射面的后部，饋源相位中心位于副反射面的實焦點處，副反射面對饋源的半張角為37．8°。

使用GRASP軟件計算得到的方向圖見圖11，具體結(jié)果為：在X頻段，天線增益大于38dBi，3．0dB波瓣寬度大于2．20°，副瓣電平低于－25．0dB，交叉極化抑制度大于27．0dB；在Ka頻段，天線增益大于51dBi，3．0dB波瓣寬度大于0．46°，副瓣電平低于－24．0dB，交叉極化抑制度大于30．0dB。

綜合上述仿真分析結(jié)果，證明本文設(shè)計的雙頻饋源能較好地實現(xiàn)X和Ka雙頻雙圓極化工作。

4 結(jié)束語

本文針對我國深空探測任務(wù)對X/Ka雙頻工作天線的需求，提出了一種X/Ka雙頻同軸饋源設(shè)計，實現(xiàn)了X和Ka頻段共用反射面的應(yīng)用。仿真分析結(jié)果表明：在X和Ka頻段，饋源回波損耗較小，圓極化特性和方向圖對稱性良好，半張角錐削電平跌落接近－10．0dB，相位中心位置變化在10mm范圍內(nèi)，相位中心一致性較好。本文還對使用此饋源的雙頻反射面天線進行了仿真分析，分析結(jié)果進一步證明了饋源設(shè)計的有效性。該設(shè)計可以為深空探測器通信天線設(shè)計提供參考。

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（編輯：夏光）

Design of X/Ka Dual Band Coaxial Feed

CHEN Tengbo SUN Dayuan LI Jiaoshan DUAN Jiangnian
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

Considering the requirement of deep space exploration communication，this paper proposes a design of X/Ka dual band coaxial feed．This feed consists of X band polarizer，X band cruciform waveguide junction and Ka band circular polarized horn．The feed is a coaxial waveguide in X band and a circular waveguide in Ka band．When driven in the X band waveguide port in TE10mode，the LHCP（left hand circular polarization）beam can be achieved，and when driven in the Ka band waveguide port in TE10mode，the RHCP（right hand circular polarization）beam can be achieved，thus the feed accomplishes dual band dual－circular－polarization．Simulation results of the design feed show that the satisfied impedance and pattern characteristics for the interested bands are obtained，and the design can meet the requirement of dual band communication for deep space exploration．

X/Ka dual band；coaxial feed；circular polarization；pattern

V443．4

A

10．3969/j．issn．1673－8748．2016．02．010

2015－08－05；

2015－10－30

國家重大科技專項工程

陳騰博，男，博士，高級工程師，從事星載相控陣天線、移動波束天線及微波器件設(shè)計。Email：c＿t＿b210@sina．com。