一种S频段小型自跟踪馈源设计*

崔昌娟，王 珂，李建军，王 红

(中国电子科技集团公司第三十九研究所 陕西省天线与控制技术重点实验室，西安 710065)

0 引言

卫星通信地球站天线覆盖面积大,广泛的应用在卫星通讯、遥测、雷达等多个领域，对目标的跟踪通常有3种方式：手动跟踪、程序跟踪和自动跟踪。目前大、中型地球站都采用自动跟踪。一般情况下，自动跟踪按工作原理有3种跟踪体质：步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪[1]。单脉冲自动跟踪因其精度高而被广泛应用，其馈源喇叭实现方式有多通道和多模式等形式。目前常用到的有更适合低频的多通道自跟踪馈源四喇叭[2]和五喇叭[3]馈源，以及超宽带、体积小的对数周期六棱锥结构跟踪馈源[4-6]。高精度、可靠性强的波导多模自跟踪馈源[7-9]，是利用波导中特定高次模式实现和差信号同时工作，具有损耗小、G/T值高等优点。

对于S频段2 m小口径环焦面天线，若采用圆波导TE11/TE21双模自跟踪馈源网络[10]，其纵向尺寸长、体积大、结构笨重，并且馈源遮挡等因素将导致天线效率降低、且副瓣升高。因此，设计一种小型化紧凑型S频段自跟踪馈源尤为重要。

1 馈源设计

馈源喇叭结构如图1所示，整个馈源由两部分组成：内腔的和通道与外围的差通道。和通道信号由4个激励波束通过和网络合成，差通道信号由8个激励波束通过差网络合成。和差信号共同工作实现自跟踪功能。

1.1 馈源喇叭

和通道中激励的4个波束H1、H2、H3、H4，工作原理是同轴传输线的高次模辐射机理[11-12]。信号在馈电端口工作的模式是同轴主模TEM模，传输到大的同轴腔内时激励腔内高次模TE11模，再辐射出去。一个极化组合H1、H3激励的TE11模的场结构如图2(a)所示，端口相位差180°。另一个极化组合H2和H4激励的TE11模的场结构如图2(b)所示，端口相差180°。依据两个线极化波如果空间正交、相位差90°可以实现圆极化波的理论，设置激励端口初始相位依次0°、90°、180°、270°可实现和信号的左、右旋圆极化波，如图2(c)所示。和通道辐射方向图由喇叭口内腔尺寸决定，喇叭口径越大，方向图越瘦，照射电平越小。和通道信号传输匹配依据阶梯阻抗变换的匹配原理，通过2节台阶过渡，达到满足指标要求的传输性能。

图1 馈源喇叭结构

(a)H1和H3激励场结构 (b)H2和H4激励场结构 (c)圆极化激励口相位

差通道中激励8个波束单元C1-C8，单元采用特殊形状倒F天线[13]。介质夹层既可减小尺寸、又能在结构上起到支撑作用，单元结构上一端开路，一端短路，合理调节开路、短路长度和激励位置可以实现良好匹配与辐射性能。

如图3所示，C1、C3、C5、C7合成一个极化，C1和C5激励相位0°合成差信号，正交方向的C3和C7激励相位180°合成差信号，2个差信号同相合成一个极化的差信号，类似圆波导TE21差模场结构。同理，C2、C4、C6、C8合成另一个极化差信号。两个线极化信号空间正交、相位差90°合成圆极化信号，即同轴激励8个波束相位依次是0°、90°、180°、270°、0°、90°、180°、270°实现圆极化差信号。

(a)C1、C3、C5、C7激励场结构 (b)C2、C4、C6、C8激励场结构 (c)圆极化激励口相位

1.2 馈源网络

馈源网络采用90°和180°电桥实现和、差及左、右旋圆极化信号[14]。其中，H1与H3、H2与H4均通过180°电桥连接形成两路空间正交信号，再将其接90°电桥合成圆极化和信号[15]，如图4所示。C1、C3、C5、C7经过两级电桥形成一个极化信号与C2、C4、C6、C8形成的另一极化信号经过90°电桥合成圆极化差信号，如图5所示。

图4 和网络连接示意图

图5 差网络连接示意图

2 测试结果与分析

馈源实物照片如图6所示，尺寸250 mm×250 mm×420 mm。用矢量网络分析仪测试馈源传输性能，图7所示为馈源和信号回波损耗实测图，S11≤-23.32 dB。如图8所示，馈源和信号实测左右旋隔离度≤-17.1 dB。如图9所示，馈源实测和差隔离度≤-46.03 dB。在平面近场测试馈源辐射性能，如图10所示，馈源在2.2 GHz的和、差方向图仿真实测结果，和差峰值-7 dB。如图11所示，馈源在2.4 GHz的和、差方向图仿真实测结果，和差峰值-8 dB。如图12所示为馈源轴比测试结果。测试结果与仿真结果基本一致，满足指标要求。

如图13所示回波损耗仿真结果图， 1.8 GHz～2.5 GHz频段范围内，馈源回波损耗≤-20 dB。对宽带小型化自跟踪馈源有一定参考价值。

馈源用于2 m环焦天线，如图14所示，焦径比0.3，照射角45°。如图15所示，利用软件Ansoft HFSS仿真天线，馈源直接输入相位而不加入网络即不计入馈源欧姆损耗的前提下，仿真计算2.2 GHz口面增益30.9 dB,天线口面效率57.9%，2.4 GHz口面增益31.59 dB，天线口面效率57%。

图6 馈源实物照片

图7 和端口驻波比

图8 和端口隔离度

图9 和差隔离度

图10 2.2 GHz馈源方向图

图11 2.4 GHz馈源方向图

图12 轴比

图13 馈源仿真驻波比

图14 2米环焦天线模型

(a)2.2 GHz方向图 (b)2.4 GHz方向图

3 结论

设计了尺寸为250 mm×250 mm×420 mm的S频段小型紧凑自跟踪馈源，用4波束合成的和信号与8波束合成的差信号共同工作实现自跟踪功能，与传统多通道自跟踪馈源相比其尺寸小、结构紧凑、重量轻。实测结果表明馈源在2.2 GHz～2.4 GHz频带内具有良好传输和辐射功能。测试结果与仿真结果基本吻合，证明该天线设计的正确性。馈源频率可以扩充到1.8 GHz～2.5 GHz，对宽频带小型化自跟踪馈源提供了一定的参考意义。