一种X/Ka双频共用同轴馈源设计
2016-06-01陈腾博孙大媛李佼珊段江年
陈腾博 孙大媛 李佼珊 段江年
(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)
一种X/Ka双频共用同轴馈源设计
陈腾博 孙大媛 李佼珊 段江年
(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)
针对深空探测通信的需求,提出了一种X/Ka双频共用同轴馈源设计。馈源由X频段圆极化器、X频段十字波导结、Ka频段圆极化喇叭等部件组成。馈源在X频段以同轴波导形式工作,在Ka频段以圆波导形式工作。从X频段波导端口馈入TE10模激励时,在空间形成左旋圆极化波束,从Ka频段波导端口馈入TE10模激励时,在空间形成右旋圆极化波束,从而实现双频双圆极化工作模式。对实际设计的馈源进行了仿真分析,结果表明:该馈源具有较好的阻抗特性和方向图特性,能够满足新一代深空探测双频通信的需求。
X/Ka双频;同轴馈源;圆极化;方向图
1 引言
深空探测任务面临的一个主要困难是较远通信距离带来的巨大空间衰减,从而导致测控通信系统传输速率受限,误码率较高。目前,我国深空探测采用X频段作为测控通信频段,下行通信码速率只有10kbit/s,为了提高深空探测器的测控通信能力,考虑增加一个Ka频段下行通信链路,其下行通信码速率可以提高到100kbit/s,因此须要使用X/Ka双频天线。例如,美国1992年发射的“火星观测者”(Mars Observer)探测器,除了采用X频段实现测控和数传功能外,还增加了一个Ka频段下行试验链路[1-2],频率为32~35GHz。天线采用卡塞格伦双反射面形式:X频段工作为标准卡塞格伦双反射面天线,主反射面直径为1.5m,副反射面直径为0.3m,增益为40dBi;Ka频段馈源安装在副反射面焦点上,组成一副单反射面天线,只使用副反射面工作,增益为37dBi。此类双反射面天线由于副反射面口径较小,Ka频段工作时的增益实际上低于X频段的增益。
基于深空探测任务需求,针对现有X/Ka双频天线存在Ka频段增益较低的缺点,本文介绍了一种X/Ka双频共用同轴馈源(以下简称双频馈源)的设计,可应用于共用反射面的X/Ka双频天线,在Ka频段获得较高的天线增益。另外,双频馈源由全金属材料制作,具有空间环境适应性强的特点。该设计可以为深空探测器通信天线设计提供参考。
2 双频馈源设计
本文设计的双频馈源工作于X和Ka频段,采用同轴与波导组合的结构形式。馈源在X频段以同轴波导形式工作,在Ka频段以圆波导形式工作。从X频段波导端口馈入TE10模激励时,在空间形成左旋圆极化波束;从Ka频段波导端口馈入TE10模激励时,在空间形成右旋圆极化波束。
馈源为紧凑的双端口微波器件,其组成如图1所示,包括:X频段圆极化器、十字波导结A、十字波导结B、X频段喇叭、X频段同轴波导、X频段矩形波导、X频段负载;Ka频段圆极化喇叭,由Ka频段喇叭、Ka频段圆极化器、Ka频段端口等组成。[3-4]
馈源X频段采用左旋圆极化,其左旋端口对应X频段上行接收和下行发射,右旋端口接入匹配负载。通过十字波导结将圆极化器输出的信号馈入X频段喇叭[5],再辐射至反射面。X频段上行和下行信号通过高隔离度双工器实现收发隔离(本文介绍的双频馈源系统不含双工器部分)。馈源Ka频段采用右旋圆极化,端口输入的信号经齿形圆极化器形成右旋信号馈入Ka频段喇叭,再辐射至反射面。
该馈源主要具有以下优点:
(1)采用共馈方式,X和Ka频段共用反射面,通过调节内部关键参数,使2个频段的等效相位中心一致,从而使方向图特性均达到最优;
(2)结构紧凑,孔径遮挡小,易于与反射面进行集成设计。
2.1 X频段圆极化器
如图2所示,X频段圆极化器分为矩形波导、金属膜片和方波导三部分[6-7]。其中:金属膜片的每一个阶梯可认为是相互独立的;2个阶梯的交界处,由于膜片高度的下降,出现一个不连续的部分。通过将阶梯部分和不连续部分的散射矩阵进行串联,就得到圆极化器总的散射矩阵,可以从数值上明确地表示出金属膜片圆极化器的传输和反射性质。
图2 X频段圆极化器的结构Fig.2 Structure of X band circular polarizer
圆极化波的形成来自于相位差为90°的2个等幅正交的电场分量。方波导中主模为TE10模和TE01模,它们的电场是相互正交的,因此可以通过激励出方波导中的这2种主模,利用其电场相位差为90°来形成圆极化波。为了使图2的结构产生圆极化效应,在端口1用TE10模激励,端口2接匹配负载,这样在端口(3,4)可分别产生TE10模和TE01模的能量和,输出为
由式(1)可见,在端口(3,4)产生了正交的具有相位差的分量,可以形成圆极化波。
对于这种设计结构,最关键的是:①使TE10模和TE01模的输入反射尽量小;②在要求频段内,2种正交电场分量之间的相位差尽量接近90°。
2.2 X频段十字波导结
十字波导结(见图3)由4个横截面尺寸相同的矩形波导和位于中心的圆形腔体构成,其外观为“十”字形,4个矩形波导的长度相等。十字波导结可以实现2个极化方向相互正交的同轴波导TE11模和2组相位差为180°的矩形波导TE10模之间的模式转换[8]。
十字波导结A的圆形腔体顶端加入锥台,安装Ka频段圆极化喇叭后实现同轴波导输出,其结构如图3(a)所示。十字波导结B的圆形腔体顶端加入凸台,形成过渡段,以实现圆波导输出,再经方圆波导变换段与X频段圆极化器连接,其结构如图3(b)所示。十字波导结A和十字波导结B通过1/4波导波长的矩形波导连接。
X频段圆极化器输出相位差为90°的TE10模和TE01模,经方圆波导变换段转换为2个正交的同轴波导TE11模,再经十字波导结B转换为2组相位差为180°的矩形波导TE10模;2组矩形波导TE10模经分支波导进入十字波导结A,转换为2个相位差为90°的同轴波导TE11模。
2.3 Ka频段圆极化喇叭
Ka频段圆极化喇叭由Ka频段端口(方圆波导变换段)、Ka频段圆极化器和Ka频段喇叭等组成。Ka频段圆极化器的原理见图4,其功能是由圆波导加载移相单元来实现,移相单元采用金属齿形式,具有移相量大、功率容量大且插入损耗较低等优点[9]。圆波导直径D在(0.293λKa,0.382λKa)范围内(λKa为Ka频段的中心频率波长),可以保证传输主模TE11模,其他模处于截止状态。金属齿采用周期性加载,金属齿之间的间距相同,每对金属齿的深度和厚度相同,对x和y方向的极化分别呈现并联电感(使相位超前)和并联电容(使相位滞后)性质。
图4 Ka频段圆极化器的原理示意Fig.4 Schematic diagram of Ka band circular polarizer
当输入圆极化波导主模TE11模且极化方向为图4所示Er方向时,主模与x和y方向的夹角均为45°,则其在2个轴上的分量等幅同相,通过Ka频段圆极化器后Ey的相位比Ex超前90°,此时产生的极化形式为右旋圆极化。
3 设计实例与仿真验证
3.1 设计实例
综合理论分析,采用CST电磁仿真软件建模,设计了工作在7.150~7.200GHz和8.400~8.500GHz的X频段圆极化器。产品端口1,2的尺寸均为23mm×10.5mm,方波导端口的尺寸为23mm× 23mm,金属膜片厚度为2mm。设中心频率波长为λ01,经仿真计算,X频段圆极化器的尺寸如图5所示。
X频段圆极化器仿真计算结果为:在7.150~7.200GHz和8.400~8.500GHz,回波损耗小于-27.0dB,端口隔离小于-22.0dB,端口(3,4)的x和y方向电场分量之间的相位差在90°±4°范围内。
图5 X频段圆极化器的尺寸Fig.5 Configuration dimension of X band circular polarizer
采用CST电磁仿真软件建模,设计工作在7.150~7.200GHz和8.400~8.500GHz的十字波导结A和十字波导结B。十字波导结A端口1,2,3,4的尺寸均为23.0mm×7.5mm,圆波导端口的直径为23.0mm;十字波导结A端口1,2,3,4的尺寸均为23.0mm×10.5mm,方波导端口尺寸为23.0mm×23.0mm。经仿真计算,十字波导结A和十字波导结B的尺寸如图6所示。
十字波导结A和十字波导结B组合后的仿真计算结果为:在7.150~7.200GHz和8.400~8.500GHz,回波损耗小于-22.0dB,4个输出端口任意相邻端口之间的相位差在90°±5°范围内,幅度差在±0.5dB范围内。
采用CST电磁仿真软件建模,设计工作在31.750~32.250GHz的Ka频段圆极化喇叭。产品波导端口的尺寸为6.2mm×2.5mm。设中心频率波长为λ02,经仿真计算,Ka频段圆极化喇叭的尺寸如图7所示。
Ka频段圆极化喇叭仿真计算结果为:在31.750~32.250GHz内,回波损耗小于-21.5dB。
3.2 双频馈源分析结果
将上述X频段圆极化器、十字波导结等部件和Ka频段圆极化喇叭集成完整的双频馈源,仿真分析模型如图8所示。
双频馈源X和Ka频段的回波损耗仿真结果见图9,方向图仿真结果见图10。由图9可以看出:该馈源在X和Ka频段均具有良好的带内匹配特性,X频段回波损耗小于-27.0dB,Ka频段回波损耗小于-22.0dB。由图10可以看出:该馈源X频段轴比小于3.0dB,半张角电平锥削小于-9.5dB,方向图对称性好;Ka频段轴比小于3.0dB,半张角电平锥削小于-9.5dB,方向图对称性好。
根据方向图计算结果对双频馈源的相位中心位置进行分析,在X和Ka频段相位中心位置变化小于10mm。
图8 双频馈源的结构Fig.8 Structure of dual band feed
图9 双频馈源回波损耗Fig.9 Return loss of dual band feed
图10 双频馈源方向图Fig.10 Radiation pattern of dual band feed
3.3 双频反射面天线仿真分析结果
为了验证双频馈源设计的正确性,将第3.2节仿真得到的双频馈源方向图参数代入反射面天线分析模型,该模型使用通用反射面分析程序(GRASP)建立。反射面天线采用卡塞格伦双反射面形式[10],主反射面口径为1350mm,主反射面焦径比为0.3;副反射面口径为314.4mm,副反射面离心率为2.4。双频馈源安装在反射面的后部,馈源相位中心位于副反射面的实焦点处,副反射面对馈源的半张角为37.8°。
使用GRASP软件计算得到的方向图见图11,具体结果为:在X频段,天线增益大于38dBi,3.0dB波瓣宽度大于2.20°,副瓣电平低于-25.0dB,交叉极化抑制度大于27.0dB;在Ka频段,天线增益大于51dBi,3.0dB波瓣宽度大于0.46°,副瓣电平低于-24.0dB,交叉极化抑制度大于30.0dB。
综合上述仿真分析结果,证明本文设计的双频馈源能较好地实现X和Ka双频双圆极化工作。
4 结束语
本文针对我国深空探测任务对X/Ka双频工作天线的需求,提出了一种X/Ka双频同轴馈源设计,实现了X和Ka频段共用反射面的应用。仿真分析结果表明:在X和Ka频段,馈源回波损耗较小,圆极化特性和方向图对称性良好,半张角锥削电平跌落接近-10.0dB,相位中心位置变化在10mm范围内,相位中心一致性较好。本文还对使用此馈源的双频反射面天线进行了仿真分析,分析结果进一步证明了馈源设计的有效性。该设计可以为深空探测器通信天线设计提供参考。
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(编辑: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
国家重大科技专项工程
陈腾博,男,博士,高级工程师,从事星载相控阵天线、移动波束天线及微波器件设计。Email:c_t_b210@sina.com。