紧凑型Ka频段TE21模圆极化合成网络研究设计

陈 慰 李岱昀

(中国电子科技集团公司第三十九研究所西安710065)

天馈线服控制系统

紧凑型Ka频段TE21模圆极化合成网络研究设计

陈 慰 李岱昀

(中国电子科技集团公司第三十九研究所西安710065)

针对深空测控系统的馈源整体制冷应用背景，为满足其小型化、轻量化结构要求，基于TE21模跟踪器差模耦合理论和3dB定向耦合器圆极化合成原理，在传统Ka频段波导差模圆极化合成网络基础上，结合空气带状线差模圆极化合成网络的分层设计思路，通过理论计算和采用HFSS高频电磁仿真软件计算的方法，设计了一种Ka频段紧凑型波导TE21模圆极化合成网络。其结构尺寸为馈源直径60mm，馈源长度250mm，较传统网络分别缩减60%和38%。常温和超低温环境中测试结果为电压驻波比小于1.5，端口隔离度大于19dB，差模方向图零深大于35dB，新的紧凑型馈源网络适应超低温工作环境。

深空测控;Ka频段;TE21模;圆极化;合成网络

0 引 言

自跟踪馈源是测控天线系统的核心组成，多通道自跟踪和差模自跟踪是两种常用的自跟踪体制［1］。二者都是零值自跟踪，即差方向图轴向为零值，偏轴后具有极性。多通道自跟踪馈源结构简单、频段较宽，但跟踪网络损耗大;而多模自跟踪馈源频带较窄，差模耦合器结构复杂，但跟踪性能优异，网络损耗小，Ka频段更适合采用该体制实现自跟踪［2］。在TE21模自跟踪馈源实现测控天线自跟踪时，TE21模耦合器是自跟踪馈源的关键部件，而TE2l模圆极化合成网络又是形成圆极化差信号的核心部件［3］。

深空测控作为测控领域的重要发展方向，特别关注系统G/T值，根据Ka频段低噪声任务需求，比较于多通道自跟踪，差模自跟踪馈源的优势突出，其网络损耗小，整体制冷馈源的应用，使得系统噪声温度进一步降低，馈源和制冷杜瓦的一体化设计可以获得较高系统G/T值［4］。

Ka频段TE21模跟踪器中，传统差模合成网络通常采用弯头、HT功分器、魔T组成波导网络，这种合成网络损耗小、性能优，但横向和纵向结构交错、加工困难、尺寸较大，应用于整体制冷系统时，占用杜瓦空间相当大，导致降温速度缓慢。如果采用带状线或者微带形式网络，则会导致损耗过大。鉴于以上问题，研究一种新的具有结构紧凑、可靠性高等优点的小型化波导差模合成网络，成为Ka频段跟踪器发展方向上的迫切需求。

本文基于3dB波导定向耦合器工作原理，利用空气带状线网络结构上轴向分层思路，设计了一种紧凑型波导合成网络，来实现TE21模跟踪器圆极化的合成。该方案比微带和空气带状线结构形式的网络损耗小，比传统波导网络体积小、重量轻，它由两层6只HT功分器和一层3dB定向耦合器级联组成三层合成网络，可以实现较好的TE21模圆极化特性。

1 3dB电桥实现圆极化原理

如图1所示，3dB波导电桥(又称3dB定向耦合器)，在矩形波导公共臂上开两个间距l、尺寸与形状相同的耦合孔。

设从端口1输入一个电压幅度为1的入射波，假设此波从A孔传输至B孔，在弱耦合情况下，其幅度不变。在A孔处向3端口(正方向)的传输波电压耦合系数为C－，向端口4(反方向)的传输波电压耦合系数为C+。在B孔处，向3端口(正方向)的传输波为C－e－jβl，向端口4(反方向)的传输波为C+e－jβl，则波导中传输向3端口的波叠加得:

图1 3dB波导定向耦合器示意图

传向4端口的波叠加，得:

耦合度C为C=10lg(1/|S31|2)=10lg(1/|C+|2)－10lg4方向性系数D为

双孔波导定向耦合器，通常取l=λ0/4，λ0是中心频率的波导波长，因此，|S41|=0。即信号只传输向3端口，而4端口无输出。物理意义是，3端口输出是同相叠加，4端口输出是反向抵消。

因此，当空间上相互正交、等幅相差90°的两个线极化波从端口1和2输入，当1端口相位超前2端口90°，则3端口输出LHCP波;当1端口相位滞后2端口90°，则4端口输出RHCP波。3dB定向耦合器作为圆极化器，它们可以采用同轴、带状线、微带和波导等不同类型传输线来实现，因此适应于不同频段、不同类型的馈源系统。

该网络采用的3dB波导定向耦合器与跟踪器副波导传输线相同，以保证阻抗匹配，得到优良的驻波性能，同时也可以尽量缩减网络的横向尺寸。

2 TE21模圆极化合成网络的设计

TE21模跟踪器利用小孔耦合理论，将圆波导中TE21模耦合到矩形波导TE10模，矩形波导TE10模通过圆极化合成网络形成差信号。

圆波导中存在两个正交的TE2l模，其中一个在空间上90°方向的Hz分量为零，另一个在45°方向的Hz分量最大，为减小对主模的影响，应采用对称耦合结构即四臂耦合结构，才能获得良好的耦合性能［6，7］。考虑到圆极化工作，则需要八个耦合臂在相邻间隔45°均匀分布，通过合成网络将两个正交线极化差模合成为圆极化差模［5］。图2是跟踪器八臂耦合结构原理图。

图2 TE21模跟踪器八臂耦合结构原理图

如图3所示，Ka频段传统的波导形式差模合成网络是由波导HT功分器、波导魔T、90°移相器和各类波导弯头组成。

图3 传统的波导差模合成网络原理图

采用两级共3个HT波导功分器和各种波导弯头合成一路，另外4个耦合臂耦合TE21极化简并模，采用同样的网络合成另一路，其中一路经过90°移相后，两路输入波导魔T合成而实现双圆极化输出。但是图3的网络结构极为复杂，在空间横向和纵向相互交错，体积和重量都很大，难以实现小型化设计目标。

如图4所示，一种新的紧凑型波导差模合成网络工作原理是通过3dB波导定向耦合器实现双圆极化。采用两级3个HT功分器合成4个耦合臂的线极化差模，另外4个耦合臂耦合TE21极化简并模，采用相同的网络合成另一路，两路输入3dB波导定向耦合器，以实现双圆极化输出。

图4 一种新的紧凑型波导差模合成网络原理图

由于同频率波导传输线尺寸大于带状线尺寸，对于Ka频段而言，该方案具有加工简单、结构稳定、可靠性高的优点。轴向分层的结构导致横向空间十分有限，因此必须紧凑排布各层网络，尽量缩小波导器件的尺寸，并考虑可制造性、可测试性、可装配性。电气设计上展宽工作频带，是解决超低温下频偏的有效措施。每一层网络都须考虑电气和结构一体化设计。图5是合成网络结构示意图。

图5 紧凑型波导合成网络结构示意图

3 紧凑型波导合成网络仿真与测试

紧凑型波导差模合成网络HFSS仿真模型如图6所示。利用Ansoft HFSS软件有限元算法得到合成网络设计结果。

图7和图8分别是合成网络电压驻波比和端口隔离度仿真结果。紧凑型波导差模合成网络的电压驻波比小于等于1.31，端口隔离度大于等于21.19dB，网络输入和输出端口间幅度差为9±

图6 紧凑型波导合成网络仿真模型

0.55dB，相位差90±0.40°，以此计算得出圆极化轴比 AR约为0.61dB，电气参数仿真计算结果优良。

图7 合成网络电压驻波比仿真曲线

图8 合成网络端口隔离度仿真曲线

根据TE21模跟踪器八臂对称结构特点，设计网络的功分层输入口与跟踪器副波导八臂输出口分布在同一圆周上，既减小了传输路径长度，又减小了合成网络直径。合成网络的功分层和3dB电桥层如图9所示。

紧凑型波导差模合成网络的测试结果如表1所示。电压驻波比小于1.5，端口隔离度大于19dB，幅度不平衡度小于0.5dB，相位不平衡度小于2°，网络差模方向图的零深大于35dB，且在常温环境和低温环境中无明显差异，合成网络的电气性能满足系统需求。图10是合成网络差模方向图测试结果。结构方面，Ka频段紧凑型波导差模合成网络的横向尺寸直径 ≈60mm，比传统型波导合成网络的直径 ≈150mm减小60%;紧凑型TE21模跟踪器及合成网络轴向总长度L≈250mm，比传统型波导合成网络总长度L≈400mm减小38%。

图9 功分层和电桥合成层结构

图10 合成网络差模方向图测试结果

如图11所示，紧凑型波导差模合成网络设计方案有效地减小了Ka频段馈源结构尺寸，达到了馈源小型化、轻量化设计的目标，满足了深空测控系统“馈源整体制冷”方案的结构性能需求。

图11 紧凑型和传统型跟踪器及合成网络结构比对图

表1 紧凑型Ka频段TE21模合成网络测试结果

4 结 论

本文针对深空测控系统超低温制冷应用环境，设计了一种新的紧凑型Ka频段TE21模圆极化合成网络。简介了测控系统对自跟踪馈源的要求，TE21模跟踪器工作原理，以及微带、空气带状线、波导各类型差模合成网络的优缺点。分析了传统Ka频段波导差模合成网络的性能特点，以及在制冷环境中其结构方面的不足之处。基于3dB波导定向耦合器原理，本文将空气带状线合成网络的轴向分层设计思路引入到波导合成网络的设计中，得出一种紧凑型波导差模合成网络设计方案，Ansoft HFSS高频电磁仿真软件计算得出优异的电气性能参数。

在结构上完成了Ka频段馈源小型化、轻量化的优化目标，使得将馈源置于小体积杜瓦瓶内进行“整体制冷”之目的成为现实。馈源系统的测试结果表明，紧凑型差模合成网络在常温和低温环境中，电压驻波比、端口隔离度、差模方向图均具备优异的性能。

但该网络目前仍然存在一些问题，实测结果显示该紧凑型差模合成网络在低温环境中的噪声温度偏大，虽然已经优于常温环境的噪声温度，但仍说明该网络传输损耗偏大。而造成差模合成网络损耗偏大的原因可能是多样性的，例如机加工工艺、螺钉紧固方式、波导功分器腔体内电感销的焊接，波导分层结构之间产生不连续缝隙，采用非标波导传输线等，都是造成传输损耗增加的可能性，这也是下一步合成网络研究工作关注的重点。

本文的研究工作说明基于3dB定向耦合器实现圆极化的理论，差模合成网络轴向分层的设计思路具有可行性，完成了Ka馈源系统小型化、轻量化设计目标。除了在深空测控系统的超低温制冷应用环境之外，在其它结构空间局限性需求的应用背景中，具有很强的实用价值，前景广阔。

［1］邓淑英，刘为民.小型化的S波段宽频段单脉冲跟踪网络［J］.微波与卫星通信.1999，(1).

［2］刘昊，孙向珍，李刚，等.圆波导TE11/TE21双模自跟踪馈源的研究设计［J］.遥测遥控.2007，(28):177－181.

［3］周录军，马行军.新型C频段TE21模圆极化合成网络设计［J］.电讯技术.2012，(7):1151－1154.

［4］耿虎军.馈源制冷技术在深空测控系统中的应用分析［J］.飞行器测控学报.2010，(4):47－50.

［5］田唯人.宽频带圆波导TE21模耦合器的设计方法［J］.现代雷达.2000，(6):62－66.

［6］Youn H Choung，K R Goude，L G Bryans.Theory and Design of a Ku－Band TE21－Mode Coupler［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.1982，30(11):1862－1866.

［7］许智，梁昌洪.一种圆极化多模耦合器［J］.电波科学学报.2011，26(1):175－179.

Study and Design of a Compact Ka－band TE21 Mode Circular Polarization Synthetic Network

Chen Wei，Li Daiyun
(No.39th Research Institute of CETC，Xi’an 710065)

Aiming at integrated feed source refrigeration application background in deep space TT＆C system，on basis of TE21 mode tracker differential mode coupling theory and 3dB directional coupler circular polarization synthesizing principle，a Ka band compact waveguide TE 21 mode circular polarization synthetic network is designed to meet reguirement of miniaturization and ligntweight by theoretical calculation and calculation with HFSS high frequency electromagnetic simulation software，which is based on traditional Ka－band waveguide differential mode circular polarization synthetic network and combining layered design idea of air stripline differential mode circular polarization synthetic network.Its structure dimension is 60mm in diameter and 250mm in length of feed source，which is reduced by 60%and 38% respectively comparing with the traditional network.Test results in normal temperature and ultralow temperature are that voltage standing wave ratio is less than 1.5，isolation level at terminal is more than 19dB，the null depth of differential mode is more than 35B.The novel compact feed source network is suitable for ultralow temperature operation environment.

Deep space TT＆C;Ka－band;TE21 Mode;circular polarization;synthetic network

TN819.1

A

1008-8652(2016)04-081-05

2016-02-10

陈 慰(1983－)，男，工程师。主要研究方向为天线与微波技术。