一種分時(shí)工作Ku/Ka頻段微波網(wǎng)絡(luò)

張　博，蘇　麗

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所 無(wú)線伺服專(zhuān)業(yè)部，河北 石家莊 050081)

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一種分時(shí)工作Ku/Ka頻段微波網(wǎng)絡(luò)

張博，蘇麗

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所 無(wú)線伺服專(zhuān)業(yè)部，河北 石家莊 050081)

摘要為解決電小尺寸天線對(duì)雙頻饋源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)外形的限制，基于微波網(wǎng)絡(luò)理論，提出了一種Ku/Ka雙頻段微波網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案。該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)頻段切換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)雙頻分時(shí)使用，開(kāi)關(guān)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在Ka波段工作于圓極化，Ku波段工作于線極化，Ku頻段的線極化調(diào)整通過(guò)旋轉(zhuǎn)兩個(gè)相互配合的90°移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在工作頻帶內(nèi)系統(tǒng)的插入損耗<1 dB，駐波比<1.35，線極化交叉極化>30 dB，且結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定可靠，測(cè)試結(jié)果與技術(shù)要求吻合良好。

關(guān)鍵詞微波網(wǎng)絡(luò)；雙頻段；頻段切換；介質(zhì)片變極化器

隨著對(duì)衛(wèi)星通信信道容量需求的增加以及C、Ku頻段業(yè)務(wù)的日益擁擠，同時(shí)為了滿足高速、寬帶、小口徑終端等應(yīng)用的需求，工作于更高頻段、具有較大帶寬和較高頻譜效率的衛(wèi)星通信系統(tǒng)越來(lái)越受到重視。從上世紀(jì)70年代后期，國(guó)外就致力于新一代大容量衛(wèi)星通信系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。目前，國(guó)外的Ka頻段衛(wèi)星通信天線已得到廣泛應(yīng)用[1-2]。

“動(dòng)中通”是將衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用在高速運(yùn)動(dòng)的載體上，并要求在運(yùn)動(dòng)中可實(shí)現(xiàn)不間斷的通信。移動(dòng)載體一般空間狹小，載荷有限，這就要求應(yīng)用在上面的天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，重量較輕。Ku/Ka雙頻段共用小口徑天線可以實(shí)現(xiàn)Ku、Ka兩個(gè)頻段的數(shù)據(jù)傳輸，并且結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，其已成為目前“動(dòng)中通”天線的熱門(mén)選擇[3-4]，而雙頻饋源網(wǎng)絡(luò)作為天線系統(tǒng)的核心直接關(guān)系到通信系統(tǒng)的性能。本文介紹了一種可適用于小口徑動(dòng)中通天線的緊湊型Ku/Ka雙頻段饋源網(wǎng)絡(luò)，其通過(guò)頻段切換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)雙頻分時(shí)工作，結(jié)構(gòu)布局緊湊合理。

1系統(tǒng)方案和原理

該工程中的Ku/Ka雙頻段小口徑天線用于載體終端接收測(cè)控信息和任務(wù)設(shè)備的信息反傳。Ku/Ka整個(gè)頻帶寬度為2.1：1，遠(yuǎn)超出了常規(guī)小口徑天線單頻工作的頻段寬度，并要求Ku頻段為線極化工作，且線極化角度可調(diào)，Ka頻段為圓極化工作。能實(shí)現(xiàn)雙頻共用的饋源網(wǎng)絡(luò)有多種形式，比如分波器式饋源網(wǎng)絡(luò)、同軸式饋源網(wǎng)絡(luò)、多喇叭饋源等。但要在較小的空間里實(shí)現(xiàn)雙頻工作并且要進(jìn)行極化旋轉(zhuǎn)，以上各種形式的饋源網(wǎng)絡(luò)很難實(shí)現(xiàn)。這里采用極化切換開(kāi)關(guān)將Ku、Ka兩個(gè)頻率分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)分時(shí)工作。

Ku/Ka雙頻段分時(shí)工作饋源網(wǎng)絡(luò)由饋源喇叭、頻段切換開(kāi)關(guān)、Ku頻段微波網(wǎng)絡(luò)、Ka頻段微波網(wǎng)絡(luò)組成。其工作流程為可概括如下：當(dāng)天線工作在Ku頻段時(shí)，頻段切換開(kāi)關(guān)切換到Ku通道，經(jīng)饋源喇叭進(jìn)入的Ku線極化信號(hào)經(jīng)過(guò)頻段切換開(kāi)關(guān)到達(dá)Ku極化變換網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)調(diào)整極化方向使來(lái)波信號(hào)的極化與Ku雙工器的接收端口極化一致，從而實(shí)現(xiàn)接收電平的最大。Ka頻段的工作流程與Ku頻段的工作流程相似，只是Ka頻段信號(hào)為圓極化信號(hào)，不需要進(jìn)行極化旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)頻段的跟蹤均通過(guò)程序引導(dǎo)的方式實(shí)現(xiàn)，Ku/Ka雙頻段饋源網(wǎng)絡(luò)的工作原理框圖，如圖1所示。

圖1　Ku/Ka雙頻段饋源網(wǎng)絡(luò)的工作原理框圖

2微波網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

Ku/Ka雙頻段微波網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部件有頻段切換開(kāi)關(guān)、Ku極化變換網(wǎng)絡(luò)等，其共同工作實(shí)現(xiàn)了雙頻網(wǎng)絡(luò)良好的電氣特性。

2.1Ku/Ka頻段切換開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)

Ku/Ka頻段切換開(kāi)關(guān)是實(shí)現(xiàn)雙頻分時(shí)工作的關(guān)鍵部件。其主要由切換滑塊、外殼、電機(jī)等組成。主要工作流程為：當(dāng)切換開(kāi)關(guān)收到頻段切換的命令后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)切換滑塊向目的方向前進(jìn)，當(dāng)滑塊碰觸到限位開(kāi)關(guān)時(shí)，電機(jī)停止工作，此時(shí)天線工作在需要的頻段內(nèi)，另一頻段則無(wú)法工作。為保證結(jié)構(gòu)尺寸最小，切換開(kāi)關(guān)公共端口的口徑D要盡可能的小，為了保證Ku頻段信號(hào)的傳輸，需滿足2.62D≤λmin≤3.41D，其中λmin為Ku工作頻帶最低頻率的波導(dǎo)波長(zhǎng)，在波導(dǎo)截止頻率附近的信號(hào)衰減劇烈，在工程應(yīng)用中選取1.1λmin/3.41=D。

滑塊與外殼之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩者之間必然存在間隙，為保證電氣接觸的良好，需要在接觸面上設(shè)計(jì)扼流槽。扼流槽實(shí)際上是與主波導(dǎo)串聯(lián)連接的終端短路的半波長(zhǎng)傳輸線。從終端短路的半波長(zhǎng)傳輸線的性質(zhì)可知，半波長(zhǎng)的短路線在其開(kāi)口端具有短路性質(zhì)，所以即使在兩波導(dǎo)的接口處有縫隙，也可認(rèn)為其是良好的電接觸。

在這里扼流槽采用折疊形式，即兩個(gè)λ/4長(zhǎng)的不同阻抗特性的窄槽和寬槽變化段構(gòu)成，其中一段λ/4短路線，一段是λ/4開(kāi)路線，兩段串接起來(lái)，就能在圓波導(dǎo)的斷面處形成電短路面[5]。槽的長(zhǎng)度為λ/4，窄槽的阻抗為5～10Ω,寬槽的阻抗為1～2Ω。窄槽的寬度為(0.01～0.03)λ[6]。

2.2Ku頻段極化變換網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

在衛(wèi)星通信地球站系統(tǒng)中極化調(diào)整方式有許多種，比較常用的方式是饋源網(wǎng)絡(luò)整體旋轉(zhuǎn)，這種方式性能穩(wěn)定可靠，但機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用空間較大，在電小尺寸天線上，由于空間的限制難以實(shí)現(xiàn)饋源網(wǎng)絡(luò)的整體旋轉(zhuǎn)。由兩個(gè)90°移相器組成的極化變換網(wǎng)絡(luò)，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)移相器實(shí)現(xiàn)極化調(diào)整，消除了傳統(tǒng)的極化調(diào)整方式占用空間較大的缺點(diǎn)。

Ku頻段極化變換網(wǎng)絡(luò)由Ku頻段收發(fā)雙工器、Ku頻段90°移相器、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等組成。Ku雙工器接收水平極化方向與移相器1的移相面成45°角連接，移相器2與移相器1通過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相連。設(shè)雙工器極化面與水平方向夾角為α0，極化器1移相面與水平方向夾角為α1，極化器2移相面與水平方向夾角為α2，可得極化變換網(wǎng)絡(luò)出口電場(chǎng)E為[7]

jsin(α1-α0-α2)sin(α2-α1)]-

jcos(α0+α2-α1)sin(α2-α1)]

(1)

極化變換網(wǎng)絡(luò)可看作兩個(gè)圓極化網(wǎng)絡(luò)的組合，圓極化波可表示為[8]

E(t)=A(ejωt+be-jωt)ejr

(2)

式中，b為反旋系數(shù)，即為反旋極化分量與主極化分量之比，圓極化的電壓軸比可表示為

(3)

圓極化波的交叉極化用軸比表示為

(4)

Ku頻段的交叉極化主要由極化變換網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)圓極化器的電壓軸比來(lái)決定。圓極化器的兩個(gè)正交電場(chǎng)分量的相位差φ又決定著軸比的大小，軸比亦可表示為

(5)

如使極化變換網(wǎng)絡(luò)的輸出線極化的交叉極化達(dá)到30dB以上，由式(4)和式(5)可得出移相器的相位差φ需在90°±3°以?xún)?nèi)[9]。為滿足極化變換網(wǎng)絡(luò)的要求，選用介質(zhì)片移相器做為移相器的形式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧、機(jī)械尺寸短，能在較寬的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的相移特性[10]。

3仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果分析

極化變換網(wǎng)絡(luò)中的移相器的介質(zhì)片選用介電常數(shù)約為2.6的聚四氟乙烯材料，介質(zhì)板的兩端進(jìn)行漸變處理，以獲得良好的匹配。在電磁仿真軟件CST中對(duì)移相器進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2中f1為Ku接收頻段的低端頻率；f2為Ku接收頻段的高端頻率；f3為Ku發(fā)射頻段的低端頻率；f4為Ku發(fā)射頻段的高端頻率。從計(jì)算結(jié)果看出，移相器的移相量在90°±3°以?xún)?nèi)，駐波比在1.15以下，滿足線極化交叉極化在30 以上的要求。移相器加工完成后，對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示移相量為90°±5°，這是由于介質(zhì)材料的不均勻引起的，經(jīng)重新修正介質(zhì)片的長(zhǎng)度以及尖端過(guò)渡的形狀，移相器的移相量修正到90°±3°以?xún)?nèi)。極化變換網(wǎng)絡(luò)實(shí)物圖如圖3所示。

圖2　移相器仿真計(jì)算結(jié)果

圖3　極化變換網(wǎng)絡(luò)實(shí)物圖

完成關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)并加工完成后，文中對(duì)Ku/Ka雙頻段微波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了主要電氣指標(biāo)測(cè)試[11]，技術(shù)指標(biāo)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　Ku/Ka雙頻段微波網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可看出，所有端口駐波均<1.35，收發(fā)隔離>85dB，線極化交叉極化>30dB，圓極化軸比<1dB，整個(gè)微波網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了低回波損耗、低軸比、高隔離度的設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種分時(shí)工作的Ku/Ka雙頻段微波網(wǎng)絡(luò)，其用頻段切換開(kāi)關(guān)將兩個(gè)頻段分開(kāi)，并采用設(shè)計(jì)新穎的極化變換網(wǎng)絡(luò)在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了Ku頻段的極化調(diào)整，降低了設(shè)計(jì)難度，提高了電氣性能，可廣泛應(yīng)用于各種小口徑的衛(wèi)通地球站天線。

參考文獻(xiàn)

[1]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.

[2]秦順友,許德森,高南.地球站天線技術(shù)的新進(jìn)展及其發(fā)展趨勢(shì)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2003(4):466-471.

[3]邵麗.“動(dòng)中通”衛(wèi)星天線的饋源系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 西安:西安電子科技大學(xué),2012.

[4]劉興隆.Ku/Ka雙頻段小口徑天線設(shè)計(jì)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2013.

[5]劉濂.X波段雙路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)及截頂錐體過(guò)渡的研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),1997(1):61-65.

[6]McNamaraDA,HildebrandLT.Fullwaveanalysisofnon-contactingrotaryjointchokesectionsusingthegeneralisedscatteringmatrix(GSM)approach[J].AntennasandPropagation,2003(2):5-10.

[7]王存祥.一種新型的任意極化變換網(wǎng)絡(luò)[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò),2004(9):58-59.

[8]王為民.頻率復(fù)用通信系統(tǒng)中的交叉極化問(wèn)題[J]. 微波學(xué)報(bào),2006,21(z4):157-159.

[9]張江華,李福利,高昌杰.圓極化移相器相移特性研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),2002,24(4):79-81.

[10]魏振華,田立松,馮旭東,等.8-18GHz介質(zhì)板極化器的分析與設(shè)計(jì)[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2008 (5):396-400.

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

A Time-sharing Microwave Network Operated in Ku/Ka-band

ZHANGBo，SULi

(DeportmentofAutennaServo，The54thReserchofCETC,Shijiazhuang050081,China)

AbstractBased on the theory of microwave network, a Ka/Ku dual-band microwave network system is presented for small antenna. It has a Time-sharing function of frequency reuse which is implemented by using motor driven diverter switch. The network operates circularly polarization at Ka band, and linear polarization at Ku band. Polarization characteristics of antenna can be controlled by rotating the variable polarizer.some measurements for the feed system are done,with insertion loss of the system less than 1 ,VSWR less than 1.35,and XPI more than 30 .measurement result is verified to meet the technique requirement very well.

Keywordsmicrowave network；dual band；diverter switch； dielectric-plate variable polarizer

收稿日期:2015- 11- 13

作者簡(jiǎn)介:張博(1982-)，男，工程師。研究方向：微波饋源網(wǎng)絡(luò)等。蘇麗(1978-)，女，工程師。研究方向：微波饋源網(wǎng)絡(luò)。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.07.032

中圖分類(lèi)號(hào)TN82；TP227

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)07-110-03