一种分时工作Ku/Ka频段微波网络

张　博，苏　丽

(中国电子科技集团公司第54研究所 无线伺服专业部，河北 石家庄 050081)



一种分时工作Ku/Ka频段微波网络

张博，苏丽

(中国电子科技集团公司第54研究所 无线伺服专业部，河北 石家庄 050081)

摘要为解决电小尺寸天线对双频馈源网络结构外形的限制，基于微波网络理论，提出了一种Ku/Ka双频段微波网络的设计方案。该网络通过频段切换开关实现双频分时使用，开关通过电机驱动，在Ka波段工作于圆极化，Ku波段工作于线极化，Ku频段的线极化调整通过旋转两个相互配合的90°移相器来实现。在工作频带内系统的插入损耗<1 dB，驻波比<1.35，线极化交叉极化>30 dB，且结构紧凑、性能稳定可靠，测试结果与技术要求吻合良好。

关键词微波网络；双频段；频段切换；介质片变极化器

随着对卫星通信信道容量需求的增加以及C、Ku频段业务的日益拥挤，同时为了满足高速、宽带、小口径终端等应用的需求，工作于更高频段、具有较大带宽和较高频谱效率的卫星通信系统越来越受到重视。从上世纪70年代后期，国外就致力于新一代大容量卫星通信系统的开发。目前，国外的Ka频段卫星通信天线已得到广泛应用[1-2]。

“动中通”是将卫星通信系统应用在高速运动的载体上，并要求在运动中可实现不间断的通信。移动载体一般空间狭小，载荷有限，这就要求应用在上面的天线系统结构紧凑，重量较轻。Ku/Ka双频段共用小口径天线可以实现Ku、Ka两个频段的数据传输，并且结构尺寸紧凑，其已成为目前“动中通”天线的热门选择[3-4]，而双频馈源网络作为天线系统的核心直接关系到通信系统的性能。本文介绍了一种可适用于小口径动中通天线的紧凑型Ku/Ka双频段馈源网络，其通过频段切换开关实现双频分时工作，结构布局紧凑合理。

1系统方案和原理

该工程中的Ku/Ka双频段小口径天线用于载体终端接收测控信息和任务设备的信息反传。Ku/Ka整个频带宽度为2.1：1，远超出了常规小口径天线单频工作的频段宽度，并要求Ku频段为线极化工作，且线极化角度可调，Ka频段为圆极化工作。能实现双频共用的馈源网络有多种形式，比如分波器式馈源网络、同轴式馈源网络、多喇叭馈源等。但要在较小的空间里实现双频工作并且要进行极化旋转，以上各种形式的馈源网络很难实现。这里采用极化切换开关将Ku、Ka两个频率分开，实现分时工作。

Ku/Ka双频段分时工作馈源网络由馈源喇叭、频段切换开关、Ku频段微波网络、Ka频段微波网络组成。其工作流程为可概括如下：当天线工作在Ku频段时，频段切换开关切换到Ku通道，经馈源喇叭进入的Ku线极化信号经过频段切换开关到达Ku极化变换网络，经调整极化方向使来波信号的极化与Ku双工器的接收端口极化一致，从而实现接收电平的最大。Ka频段的工作流程与Ku频段的工作流程相似，只是Ka频段信号为圆极化信号，不需要进行极化旋转。两个频段的跟踪均通过程序引导的方式实现，Ku/Ka双频段馈源网络的工作原理框图，如图1所示。

图1　Ku/Ka双频段馈源网络的工作原理框图

2微波网络的设计

Ku/Ka双频段微波网络的关键部件有频段切换开关、Ku极化变换网络等，其共同工作实现了双频网络良好的电气特性。

2.1Ku/Ka频段切换开关的设计

Ku/Ka频段切换开关是实现双频分时工作的关键部件。其主要由切换滑块、外壳、电机等组成。主要工作流程为：当切换开关收到频段切换的命令后，电机驱动切换滑块向目的方向前进，当滑块碰触到限位开关时，电机停止工作，此时天线工作在需要的频段内，另一频段则无法工作。为保证结构尺寸最小，切换开关公共端口的口径D要尽可能的小，为了保证Ku频段信号的传输，需满足2.62D≤λmin≤3.41D，其中λmin为Ku工作频带最低频率的波导波长，在波导截止频率附近的信号衰减剧烈，在工程应用中选取1.1λmin/3.41=D。

滑块与外壳之间存在相对运动，两者之间必然存在间隙，为保证电气接触的良好，需要在接触面上设计扼流槽。扼流槽实际上是与主波导串联连接的终端短路的半波长传输线。从终端短路的半波长传输线的性质可知，半波长的短路线在其开口端具有短路性质，所以即使在两波导的接口处有缝隙，也可认为其是良好的电接触。

在这里扼流槽采用折叠形式，即两个λ/4长的不同阻抗特性的窄槽和宽槽变化段构成，其中一段λ/4短路线，一段是λ/4开路线，两段串接起来，就能在圆波导的断面处形成电短路面[5]。槽的长度为λ/4，窄槽的阻抗为5～10Ω,宽槽的阻抗为1～2Ω。窄槽的宽度为(0.01～0.03)λ[6]。

2.2Ku频段极化变换网络的设计

在卫星通信地球站系统中极化调整方式有许多种，比较常用的方式是馈源网络整体旋转，这种方式性能稳定可靠，但机械结构复杂，占用空间较大，在电小尺寸天线上，由于空间的限制难以实现馈源网络的整体旋转。由两个90°移相器组成的极化变换网络，可通过旋转移相器实现极化调整，消除了传统的极化调整方式占用空间较大的缺点。

Ku频段极化变换网络由Ku频段收发双工器、Ku频段90°移相器、旋转关节等组成。Ku双工器接收水平极化方向与移相器1的移相面成45°角连接，移相器2与移相器1通过旋转关节相连。设双工器极化面与水平方向夹角为α0，极化器1移相面与水平方向夹角为α1，极化器2移相面与水平方向夹角为α2，可得极化变换网络出口电场E为[7]

jsin(α1-α0-α2)sin(α2-α1)]-

jcos(α0+α2-α1)sin(α2-α1)]

(1)

极化变换网络可看作两个圆极化网络的组合，圆极化波可表示为[8]

E(t)=A(ejωt+be-jωt)ejr

(2)

式中，b为反旋系数，即为反旋极化分量与主极化分量之比，圆极化的电压轴比可表示为

(3)

圆极化波的交叉极化用轴比表示为

(4)

Ku频段的交叉极化主要由极化变换网络中两个圆极化器的电压轴比来决定。圆极化器的两个正交电场分量的相位差φ又决定着轴比的大小，轴比亦可表示为

(5)

如使极化变换网络的输出线极化的交叉极化达到30dB以上，由式(4)和式(5)可得出移相器的相位差φ需在90°±3°以内[9]。为满足极化变换网络的要求，选用介质片移相器做为移相器的形式，其结构简单小巧、机械尺寸短，能在较宽的带宽内实现良好的相移特性[10]。

3仿真及实测结果分析

极化变换网络中的移相器的介质片选用介电常数约为2.6的聚四氟乙烯材料，介质板的两端进行渐变处理，以获得良好的匹配。在电磁仿真软件CST中对移相器进行仿真计算，计算结果如图2所示。

图2中f1为Ku接收频段的低端频率；f2为Ku接收频段的高端频率；f3为Ku发射频段的低端频率；f4为Ku发射频段的高端频率。从计算结果看出，移相器的移相量在90°±3°以内，驻波比在1.15以下，满足线极化交叉极化在30 以上的要求。移相器加工完成后，对其进行了测试，测试结果显示移相量为90°±5°，这是由于介质材料的不均匀引起的，经重新修正介质片的长度以及尖端过渡的形状，移相器的移相量修正到90°±3°以内。极化变换网络实物图如图3所示。

图2　移相器仿真计算结果

图3　极化变换网络实物图

完成关键部件的设计并加工完成后，文中对Ku/Ka双频段微波网络进行了主要电气指标测试[11]，技术指标和实测数据如表1所示。

表1　Ku/Ka双频段微波网络测试结果

从测试结果可看出，所有端口驻波均<1.35，收发隔离>85dB，线极化交叉极化>30dB，圆极化轴比<1dB，整个微波网络实现了低回波损耗、低轴比、高隔离度的设计要求。

4结束语

本文介绍了一种分时工作的Ku/Ka双频段微波网络，其用频段切换开关将两个频段分开，并采用设计新颖的极化变换网络在较小的空间内实现了Ku频段的极化调整，降低了设计难度，提高了电气性能，可广泛应用于各种小口径的卫通地球站天线。

参考文献

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[2]秦顺友,许德森,高南.地球站天线技术的新进展及其发展趋势[J].电波科学学报,2003(4):466-471.

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[5]刘濂.X波段双路旋转关节的设计及截顶锥体过渡的研究[J].现代雷达,1997(1):61-65.

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[7]王存祥.一种新型的任意极化变换网络[J].计算机与网络,2004(9):58-59.

[8]王为民.频率复用通信系统中的交叉极化问题[J]. 微波学报,2006,21(z4):157-159.

[9]张江华,李福利,高昌杰.圆极化移相器相移特性研究[J].现代雷达,2002,24(4):79-81.

[10]魏振华,田立松,冯旭东,等.8-18GHz介质板极化器的分析与设计[J].雷达科学与技术,2008 (5):396-400.

[11]秦顺友,许德森.卫星通信地面站天线工程测量技术[M].北京:人民邮电出版社,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

作者简介:张博(1982-)，男，工程师。研究方向：微波馈源网络等。苏丽(1978-)，女，工程师。研究方向：微波馈源网络。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.07.032

中图分类号TN82；TP227

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)07-110-03