MFPB天線正交模饋電網(wǎng)絡(luò)的低相位色散控制方法①

陳修繼，龔 琦，成克偉，萬繼響

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

正交模饋電是每束多饋源(MFPB)多波束天線的一種重要的饋電方案，它要求相鄰?fù)瑯O化不同次級頻段波束的饋源組單元的激勵(lì)系數(shù)滿足正交關(guān)系，以提高相鄰波束之間的隔離度[1,2]。激勵(lì)系數(shù)在滿足正交性、相應(yīng)覆蓋增益和載/干比(C/I)的要求的情況下通過優(yōu)化程序來獲得。該類天線只要一副反射面便能實(shí)現(xiàn)波束的多色復(fù)用，兩副天線便能實(shí)現(xiàn)信號的接收與發(fā)射[3]，大大節(jié)約天線載荷對星體表面的占用率，便于衛(wèi)星攜帶更多的載荷。此外，雖然該類天線的波束形成網(wǎng)絡(luò)較每束單饋源(SFPB)[4]多波束天線復(fù)雜，但由于激勵(lì)系數(shù)上可調(diào)節(jié)的變量較多，對于抑制波束的旁瓣，提高覆蓋區(qū)內(nèi)波束的C/I性能，從而有效提高衛(wèi)星的通信質(zhì)量具有重要的意義。尤其是該類天線對于波束數(shù)量相對較少的高通量衛(wèi)星(HTS)[5]具有重要的應(yīng)用前景。

文章以每束七饋源的波束合成情況為例，饋源排布如圖1所示。在已知一組如表1所示的激勵(lì)系數(shù)情況下，首先要確定好的便是每束七單元饋電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)中提出過全部使用四端口定向耦合器和四/六端口定向耦合器的混合構(gòu)造方案[6]，前者要比后者多一層定向耦合器和一個(gè)調(diào)相層，在級聯(lián)幅相色散控制和縱向尺寸上較后者處于劣勢，因此，文章將使用四端口和六端口定向耦合器的混合使用結(jié)構(gòu)，圖2給出了兩個(gè)波束的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于幅度色散主要取決于定向耦合器的性能，控制方便，而對相位色散的控制則要復(fù)雜得多，下面將重點(diǎn)討論對相位的色散控制。

表1 兩正交波束的激勵(lì)系數(shù)分布

圖1 饋源排布

圖2 饋電網(wǎng)絡(luò)器件分布

1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的相位色散控制方法

1.1 相位分配時(shí)同層相位平移

文獻(xiàn)[7]中給出過這類波束形成網(wǎng)絡(luò)的相位計(jì)算方法，可以計(jì)算出移相器相移量y1～y10。在這要強(qiáng)調(diào)的是，由于同一個(gè)波束各通道的相位是一個(gè)相對值，為了減小移相器的縱向尺寸和相位色散，可以根據(jù)實(shí)際情況對同一排波束饋電網(wǎng)絡(luò)中同層的移相器同步平移φ的相移量。

1.2 小色散耦合器的應(yīng)用

在耦合通道和直通道采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的情況下的相位色散比較嚴(yán)重，在K發(fā)射頻段2.5GHz的帶寬內(nèi)很容易就超過±5dB，多層級聯(lián)后相位色散很有可能超過±10dB，無法滿足工程應(yīng)用要求。為了解決該問題，可以將耦合通道采用非標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，鑒于對通道幾何干涉的預(yù)防，可以將耦合通道的窄邊適量收窄，將定向耦合器設(shè)計(jì)為圖3(b1

圖3 改進(jìn)型六端口定向耦合器

1.3 移相器層相位的補(bǔ)償

考察移相器的色散通常選擇與其相同截面尺寸但不同長度的直波導(dǎo)作為參考，因此，不同相移量移相器的參考波導(dǎo)長度也不一樣。表2列出了端口為BJ180標(biāo)準(zhǔn)的五個(gè)不同相移量移相器的縱向長度和參考直波導(dǎo)長度。為了控制網(wǎng)絡(luò)整個(gè)通道的相位色散，本文采取的思路是每級的移相器或耦合器都盡量做到色散(趨勢)一致。于是，對于同一層移相器，要求選擇縱向長度最大的為參考，其它移相器則需要在縱向補(bǔ)償一定長度的直波導(dǎo)段，這樣才能做到參考標(biāo)準(zhǔn)的一致性。如+10°的移相器與+130°的移相器處于同一層面，則選擇+130°移相器為參考，+10°移相器需要補(bǔ)償?shù)闹辈▽?dǎo)段長度L=40-21=19mm，同理，+40°、+70°、+120°移相器需要補(bǔ)償?shù)闹辈▽?dǎo)段長度分別為14mm、9mm、4mm。

表2 移相器幾何參數(shù)及色散性能

1.4 同層耦合器的直通道相位一致

對于正交模饋電網(wǎng)絡(luò)，由于相鄰?fù)瑯O化不同頻段波束的饋電通道在下層耦合器上存在共用情況，因此，下層耦合器之間在相位上也存在相關(guān)性，在進(jìn)行同層相位補(bǔ)償時(shí)，要求也有唯一的一個(gè)通道作為參考標(biāo)準(zhǔn)。由于每個(gè)耦合器耦合通道的相位色散量都是相對于其直通道來說，而且直通道與耦合通道之間的相位色散關(guān)系是確定的，只要通過對直通道進(jìn)行相位補(bǔ)償即可。補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ彩沁x擇一個(gè)耦合器的直通道為參考，在該直通道輸入端加直波導(dǎo)，而在其它各耦合器的輸入端則引入移相器。如圖4(a)所示，5號端口加直波導(dǎo)，4、6、7、8、9號端口加移相器，通過對移相器的相移量調(diào)節(jié)來使各直通道的相位差盡量小。圖4(b)所示，其它耦合器中心頻率的相位相對于參考通道的差值接近為0°，全頻段內(nèi)的相對相位色散也控制在了±0.6°內(nèi)。

(a)耦合器相位補(bǔ)償結(jié)構(gòu) (b)各直通道相位一致性曲線

1.5 層間波導(dǎo)連接的色散控制

由于饋源陣是如圖1所示的橫向二維分布，定向耦合器實(shí)際是按照空間三維分布的，因此在用波導(dǎo)進(jìn)行層間連接時(shí)必然會(huì)同時(shí)用到波導(dǎo)的 E面拐和H面拐，如圖5所示，而不同角度拐的加入將會(huì)給各通道造成不同的色散趨勢。表3給出了一組BJ180波導(dǎo)不同角度E面和H面拐相對于直波導(dǎo)的等效長度及色散。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行通道連接時(shí)，不僅要使各通道由于層間連接而增加的等效長度盡量一致(以確保中心頻點(diǎn)相位滿足要求)，還要考慮通過不同角度E/H面拐的配合來保證色散趨勢盡量一致。

表3 BJ180波導(dǎo)E面/H面拐的等效長度及色散

圖5 E面拐與H面拐波導(dǎo)模型

2 饋電網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果

通過采取以上的色散控制措施后，饋電器件按圖2的連接關(guān)系，經(jīng)HFSS.18級聯(lián)仿真后得到的網(wǎng)絡(luò)相位情況如圖6所示，其中波束1是以6號通道為參考，波束2是以3號通道為參考的。波束1和波束2的幅度/相位分別如圖(a)和圖(b)所示，相位色散控制在了±5°內(nèi)。

(a)波束1相位曲線 (b)波束2性能

3 結(jié)論

正交模饋電網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)難點(diǎn)在于對各通道相位色散的控制上，文章提出的方案是采用相位在設(shè)計(jì)頻段內(nèi)逐層配平的原則，在電性能滿足要求的情況下，進(jìn)行波導(dǎo)結(jié)構(gòu)連接。通過對K頻段饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與仿真分析，得到了在該頻段2.5GHz范圍內(nèi)色散低于5°的優(yōu)異結(jié)果，驗(yàn)證了該配相原則的合理性和實(shí)用性，對MFPB饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。