寬頻帶低軸比雙圓極化頻率復(fù)用天饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王萬(wàn)玉,李娟妮,張寶全,王 強(qiáng),李 凡

(1.中國(guó)科學(xué)院對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心,北京 100094;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所,西安 710065)

1 引 言

隨著在軌衛(wèi)星數(shù)量的不斷增加,以及衛(wèi)星有效載荷分辨率(包括高時(shí)間分辨率、高空間分辨率、高輻射分辨率、高光譜分辨率等)的不斷提高,頻率資源更為緊缺。利用頻率復(fù)用(極化復(fù)用)技術(shù)可以使傳輸容量加倍,提高頻譜利用效率,在頻譜資源如此緊張的今天,頻率復(fù)用(極化復(fù)用)技術(shù)是提高頻譜利用率的一種既實(shí)用又經(jīng)濟(jì)的方法,在國(guó)內(nèi)外遙感衛(wèi)星高碼速數(shù)據(jù)傳輸中也得到越來(lái)越多的應(yīng)用(如WorldView1&2、Geoeye-1、ZY-3、GF 系列衛(wèi)星等)。

采用雙圓極化頻率復(fù)用技術(shù)的極軌衛(wèi)星對(duì)地?cái)?shù)傳采用點(diǎn)波束,且衛(wèi)星(含星上天線)和地面接收站天線是不斷運(yùn)動(dòng)的,星地天線的對(duì)準(zhǔn)偏差造成星地合成軸比下降[1],加之空間傳播鏈路對(duì)電磁波去極化的影響[2-3],給遙感衛(wèi)星頻率復(fù)用帶來(lái)了技術(shù)難點(diǎn)。國(guó)外已有X頻段(8.0～8.5 GHz)交叉極化鑒別率為30 dB的S/X遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)地面接收系統(tǒng),并成功接收WorldView1&2(碼速率400 Mbit/s×2)、Geoeye-1(碼速率370 Mbit/s×2)等衛(wèi)星數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)將在極軌衛(wèi)星中采用該技術(shù),但目前國(guó)內(nèi)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)地面接收系統(tǒng)均不是針對(duì)X頻段頻率復(fù)用設(shè)計(jì)的,X頻段典型的交叉極化鑒別率一般小于24 dB,不能滿足衛(wèi)星對(duì)地面接收系統(tǒng)X頻段交叉極化鑒別率為30 dB的技術(shù)需求。

為滿足ZY-3、GF系列衛(wèi)星的需求,中科院對(duì)地觀測(cè)中心與中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所合作,在“陸地觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)全國(guó)接收站網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目”和“高分?jǐn)?shù)據(jù)地面接收系統(tǒng)先期攻關(guān)項(xiàng)目”中開(kāi)展了頻率復(fù)用關(guān)鍵技術(shù)的研究及試驗(yàn),完成了寬頻帶(7.95～8.95 GHz)、低軸比(小于0.5 dB)、雙圓極化頻率復(fù)用天饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研制加工、測(cè)試等工作。該天饋系統(tǒng)已應(yīng)用于頻率復(fù)用高碼速率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的工程建設(shè)中[4],并成功實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首顆雙圓極化頻率復(fù)用遙感衛(wèi)星(“資源三號(hào)”衛(wèi)星,雙圓極化頻率復(fù)用,碼速率450Mbit/s×2)的數(shù)據(jù)接收。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

依據(jù)ZY-3、GF系列衛(wèi)星的星地接口技術(shù)規(guī)范,經(jīng)分析論證,雙圓極化頻率復(fù)用天饋系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求如下。

(1)工作頻率

7.95 ～8.95GHz(X頻段),2.2～2.3GHz(S頻段)。

(2)系統(tǒng) G/T值

G/T≥35 dB/K(X頻段),G/T≥21.5 dB/K(S頻段)。

(3)極化方式

X頻段:數(shù)據(jù)LHCP、RHCP同時(shí)工作;

跟蹤LHCP/RHCP可選;

S頻段:LHCP/RHCP可選。

(4)和通道電壓軸比

Ar≤0.5 dB(波束中心 ±0.02°范圍內(nèi))(X頻段),Ar≤1.5 dB(S頻段)。

(5)電壓駐波比

V SWR≤1.25∶1(X頻段),VSWR ≤1.5∶1(S頻段)。

3 影響地面接收系統(tǒng)交叉極化鑒別率的因素分析

反射面天線的交叉極化性能取決于天線輻射系統(tǒng)(饋源喇叭及反射面)和饋電系統(tǒng)的性能。采用圓極化頻率復(fù)用的反射面天饋系統(tǒng)產(chǎn)生交叉極化的因素很多,基本上可以分為以下幾個(gè)方面。

3.1 喇叭輻射方向圖不對(duì)稱

饋源喇叭是天線系統(tǒng)的心臟,饋源喇叭輻射方向圖的對(duì)稱性強(qiáng)烈影響天饋系統(tǒng)的效率和交叉極化性能,因此饋源喇叭的選擇和設(shè)計(jì)是決定天饋系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。

對(duì)于口徑輻射,要求其輻射方向圖具有軸對(duì)稱性(波瓣等化)。嚴(yán)格來(lái)講,光壁喇叭內(nèi)不能維持這樣的場(chǎng)分布,而波紋喇叭、介質(zhì)加載喇叭內(nèi)部能夠?qū)崿F(xiàn)平衡混合模式的場(chǎng)分布[5]。相關(guān)分析研究表明,普通圓錐喇叭其交叉極化最大值相對(duì)于主極化-10 dB波束寬度內(nèi)為-18 dB左右;波紋喇叭和介質(zhì)加載多模喇叭在寬頻帶內(nèi)可獲得軸對(duì)稱波束和低旁瓣,同時(shí)可以將交叉極化分量抑制在-30 dB以下。

3.2 主副反射面不對(duì)稱

在需要高增益天線時(shí),通常使用在寬頻帶內(nèi)可獲得良好輻射特性的反射鏡天線。結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的反射面天線在一定波束寬度內(nèi)產(chǎn)生的交叉極化波非常小。但實(shí)際上制造、裝配誤差等因素不僅會(huì)影響天線結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,而且也會(huì)使口面場(chǎng)能量分布發(fā)生變化,從而使交叉極化特性會(huì)降低。因此,必須要嚴(yán)格控制雙反射面天線的制造公差,使得由雙反射面天線本身產(chǎn)生的交叉極化分量控制在-35 dB以下,才不會(huì)對(duì)圓極化軸比產(chǎn)生太大的影響。

如果反射面設(shè)計(jì)得比較理想,則旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的卡塞格倫天線的交叉極化特性就決定于饋源喇叭。

3.3 天線曲率

理論分析表明,拋物面天線焦平面歸一化交叉極化分量與拋物面的焦距F對(duì)其口徑D之比的平方成反比即與(F/D)2成反比[6],而且拋物面軸線方向不存在交叉極化。由此可見(jiàn),同樣口徑的天線,選用焦徑比(F/D)大的結(jié)構(gòu)有利于降低交叉極化分量。

當(dāng)然,焦徑比的選擇還需綜合考慮副反射面的位置、口徑,以及結(jié)構(gòu)情況等。焦徑比過(guò)大,副面支撐桿的加長(zhǎng)和自重引起的變形,給整個(gè)天線系統(tǒng)的電氣性能的實(shí)現(xiàn)造成困難。對(duì)卡塞格倫雙反射面天線,焦徑比一般取0.3～0.5。

3.4 饋源結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)S/X雙頻工作主要有兩種形式的饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),即雙頻共用喇叭形式和五喇叭形式。雙頻共用喇叭形式實(shí)測(cè)結(jié)果顯示,在S頻段,饋源方向圖等化良好,但在X頻段,饋源方向圖與理論計(jì)算的結(jié)果有一定差距。分析表明,由于X頻段中在輻射主模的基礎(chǔ)上疊加了高次模,造成了輻射方向圖的幅度起伏、電平抬高及不等化。

X頻段高次模的來(lái)源是由S頻段差模及和模的耦合孔造成的,由于耦合孔的存在,必然造成波紋槽的不連續(xù)。在每個(gè)耦合孔處都設(shè)計(jì)有起濾波作用的扼流槽,對(duì)X頻段的信號(hào)在波紋槽底提供一個(gè)等效的短路面,由于耦合孔較大,該扼流槽所能提供的對(duì)X頻段的抑制度有限,X頻段的信號(hào)會(huì)有少量傳輸?shù)絊頻段的網(wǎng)絡(luò)中,如果后面的S頻段網(wǎng)絡(luò)調(diào)整的不對(duì)稱,會(huì)對(duì)X頻段的軸比產(chǎn)生較大的影響。

五喇叭體制S/X雙頻饋源實(shí)際上是一種組合饋源,兩個(gè)頻段的信號(hào)之間并不直接產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。外圍的4個(gè)S頻段切角喇叭通過(guò)組合產(chǎn)生S頻段所要求的和差信號(hào),為減小體積,S頻段的組合網(wǎng)絡(luò)可采用帶狀線形式。X頻段的信號(hào)走中間的單獨(dú)通道,這樣就避免了單喇叭體制中出現(xiàn)的X頻段信號(hào)干擾問(wèn)題。

綜合比較兩種體制的饋源系統(tǒng),我們認(rèn)為,要想實(shí)現(xiàn)極化復(fù)用功能,采用五喇叭體制是可行的方案。在該形式的饋源設(shè)計(jì)中,可以不考慮兩個(gè)頻段之間的相互影響,有利于設(shè)計(jì)出性能優(yōu)越的饋源。

3.5 移相量偏差和幅度傳輸系數(shù)偏差對(duì)交叉極化的影響

移相量偏差和幅度傳輸系數(shù)偏差是影響天線交叉極化的兩項(xiàng)主要參數(shù),而影響這兩項(xiàng)參數(shù)最主要的因素是線圓轉(zhuǎn)換極化器本身的差相移和差衰減的偏差。

假設(shè)交叉極化源使兩個(gè)極化分量的相移差的偏差為ΔΥ,幅度傳輸系數(shù)偏差為ΔA,則反旋極化分量

式中 ,Δk=1-k,ΔA=20lgk,ΔΥ為弧度(弦)。

圓極化器有螺釘移相器、介質(zhì)移相器、差分移相器、隔板極化器和空腔諧振式圓極化器等。根據(jù)頻帶范圍和軸比的要求,采用介質(zhì)加載移相器是一種較好的選擇,這種極化變換器在X頻段上的極化隔離度可以達(dá)到35 dB左右。

3.6 正交模耦合器的隔離度對(duì)交叉極化的影響

用于頻率復(fù)用饋電網(wǎng)絡(luò)中的正交模耦合器都是對(duì)同頻正交信號(hào)起作用,當(dāng)兩個(gè)正交信號(hào)通過(guò)正交模耦合器時(shí),總有一部分分量耦合到另外一個(gè)端口,引起交叉極化分量。正交模耦合器隔離度的大小直接影響系統(tǒng)的交叉極化性能,通常要求正交端口的隔離度應(yīng)大于30 dB。

3.7 天饋系統(tǒng)駐波的去極化影響

饋源(饋源喇叭和饋電系統(tǒng))的駐波也影響系統(tǒng)的交叉極化性能,一般要求整個(gè)饋電系統(tǒng)的駐波不得大于1.2。天線各部件如副反射面、支桿等的反射將使系統(tǒng)的電壓駐波比增大,因此需統(tǒng)籌考慮饋源口面尺寸、副反射面口徑,及支桿的形狀、位置等,以使系統(tǒng)的電壓駐波比小于1.3。

4 天饋結(jié)構(gòu)及技術(shù)方案設(shè)計(jì)

4.1 技術(shù)需求分析

對(duì)技術(shù)指標(biāo)分析可知,系統(tǒng)具有如下技術(shù)需求:

(1)S/X雙頻工作,具有S/X雙頻段的數(shù)據(jù)接收、自動(dòng)跟蹤功能;

(2)X頻段需實(shí)現(xiàn)寬頻帶、低軸比,具備雙圓極化頻率復(fù)用功能;

(3)優(yōu)良的天線品質(zhì)因素(G/T值)。

4.2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線采用結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的卡塞格倫雙反射面天線。在統(tǒng)籌考慮天線效率、極化性能、旁瓣特性等關(guān)鍵指標(biāo)后,天線的幾何參數(shù)選取如下:主反射面口徑Dm=12000 mm,副反射面口徑 Ds=1480 mm,焦徑比 F/Dm=0.3667,饋源照射角 θm=16°。

4.3 饋源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4]

采用五喇叭體制的S/X組合饋源。中間為X頻段喇叭,外圍的4個(gè)S頻段切角喇叭通過(guò)組合產(chǎn)生S頻段所要求的和差信號(hào)。X頻段喇叭采用高性能小張角的波紋喇叭,S頻段的饋源組合網(wǎng)絡(luò)采用帶狀線形式。

這種組合饋源結(jié)構(gòu)避免了單喇叭體制中出現(xiàn)的X頻段信號(hào)干擾問(wèn)題,有利于實(shí)現(xiàn)X頻段寬頻帶低軸比的技術(shù)要求,以及設(shè)計(jì)出性能優(yōu)越的饋源。

4.4 X頻段部件設(shè)計(jì)

4.4.1 高性能波紋喇叭的設(shè)計(jì)

要在整個(gè)X頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)低軸比,同時(shí)確保高G/T、低旁瓣性能,饋源喇叭種類的選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。波紋喇叭因具有頻帶寬、交叉極化分量低、電壓駐波比好、在整個(gè)使用帶寬內(nèi)近于不變的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的波束寬度等優(yōu)良性能而成為首選。

一般設(shè)計(jì)的波紋喇叭其縱向和橫向尺寸均大于以往所采用的光壁圓錐喇叭,由于在它的外圍緊密排列著4個(gè)S頻段的切角喇叭,如果尺寸變化較大,為避免二次遮擋效應(yīng),勢(shì)必要減小外圍喇叭的尺寸,從而影響到S頻段的整體性能。所以,設(shè)計(jì)出滿足要求的小尺寸波紋喇叭是本課題的關(guān)鍵技術(shù)之一。

X頻段波紋圓錐喇叭對(duì)副面邊緣的照射角為16°,頻段范圍為 7.95～8.95 GHz,選用兩段結(jié)構(gòu)的波紋喇叭,即波紋喇叭由過(guò)渡段和輻射段組成。過(guò)渡段完成光壁波導(dǎo)中TE11模到波紋波導(dǎo)中HE11模的變換,并且實(shí)現(xiàn)光壁波導(dǎo)和波紋喇叭輻射段之間的阻抗變換,完成阻抗匹配以減小輸入端的反射。過(guò)渡段為賦形曲線,以實(shí)現(xiàn)寬頻帶匹配,選擇性能優(yōu)良的波紋環(huán)加載過(guò)渡。

波紋槽參數(shù)包括波紋周期P、波紋槽寬度d(或者齒厚 t)、波紋槽深度h等。波紋喇叭的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在HE11混合模在平衡混合狀態(tài)的輻射特性比光壁喇叭TE11模式好,但除了HE11主模以外,波紋喇叭中還會(huì)有其他模存在,會(huì)對(duì)喇叭HE11主模的輻射特性產(chǎn)生影響,尤其是對(duì)交叉極化影響較大的EH12等有害模,必須得到有效的抑制,因此在波紋參數(shù)確定時(shí)應(yīng)盡量避免高次模被激勵(lì)。

根據(jù)理論和經(jīng)驗(yàn),每波長(zhǎng)選4～6個(gè)波紋周期,波紋齒厚度t的選取必須能夠?qū)崿F(xiàn)制造,同時(shí)要考慮波紋壁厚和槽深對(duì)HE11模傳輸特性的影響;在波紋喇叭段,為了不產(chǎn)生有害的高次模,參數(shù)的選擇必須使HE11模歸一化波紋槽表面導(dǎo)納Y/ka不變,同時(shí)在傳輸HE21跟蹤模式的情況下,還應(yīng)使喇叭的輸入過(guò)渡段盡可能少產(chǎn)生有害高次模,以避免有害模進(jìn)入喇叭輻射段,影響輻射性能。在確定波紋參數(shù)時(shí),需要計(jì)算出表面導(dǎo)納Y。

綜合考慮S/X雙頻段天線的效率和旁瓣特性,選取喇叭對(duì)副面邊緣照射電平在X頻段7.95 GHz為-7.2 dB,邊緣相差在 20°以內(nèi),喇叭的口徑為67.796 mm,半張角 4.276°。波紋周期為6.0 mm,波紋槽寬度為4.5 mm,口面槽深為9.2 mm。小張角的波紋喇叭與大張角的波紋喇叭相比,其反射特性和交叉極化性能更加優(yōu)良。

4.4.2 跟蹤器設(shè)計(jì)

X頻段跟蹤器的作用是提取跟蹤所需的差模信號(hào),并對(duì) TE11模進(jìn)行有效地抑制(抑制度要達(dá)到40 dB以上)。根據(jù)耦合波和小孔耦合理論,在能傳輸TE11、TE21模的圓波導(dǎo)壁上設(shè)計(jì)8條均勻分布的耦合線,每條耦合線上有若干個(gè)大小不同的耦合孔,通過(guò)一定尺寸的矩形波導(dǎo)使TE21模從圓波導(dǎo)中有效地耦合出來(lái),并設(shè)計(jì)相應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)左、右旋圓極化跟蹤。

差組合網(wǎng)絡(luò)是用6個(gè)3 dB功率分配器和一個(gè)3 dB 90°電橋進(jìn)行組合,它是一種簡(jiǎn)單的帶狀線連接器件,體積小、重量輕,滿足X頻段跟蹤性能及指標(biāo)要求。

4.4.3 高性能移相器的設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)低的圓極化軸比,必須采用高性能的移相器件。微波器件的性能是設(shè)計(jì)、加工、安裝、調(diào)試等多個(gè)環(huán)節(jié)共同作用的結(jié)果。高性能移相器的設(shè)計(jì)在綜合分析技術(shù)需求、各類移相器的性能及加工、安裝、調(diào)試等因素后,采用介質(zhì)加載移相器。介質(zhì)加載波導(dǎo)移相器要求在工作頻帶內(nèi)有平坦且對(duì)稱的相移曲線,本系統(tǒng)相移偏差 δ控制在 90°±1.8° 。介質(zhì)片采用損耗小、不易變形、不易破碎、易于調(diào)試的材料。

4.4.3 正交器的設(shè)計(jì)

正交器完成公共端口中兩個(gè)相互正交的線極化信號(hào)的分離,并將它們傳給相互正交的兩個(gè)單一模式的信號(hào)端口。選用的正交器的駐波、隔離度實(shí)測(cè)結(jié)果為:在7.95～8.95 GHz,反射系數(shù)小于-28.2 dB(電壓駐波比1.081∶1),隔離度小于-53.11 dB。

5 測(cè)試結(jié)果

已完成3套頻率復(fù)用高碼速率遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的研制、安裝調(diào)試、測(cè)試驗(yàn)收工作,并已投入運(yùn)行,系統(tǒng)工作正常。主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表1～3所示。

表1 系統(tǒng)G/TTable 1 System G/T

表2 軸比Table 2 Axial ratio

表3 電壓駐波比Table 3 Voltage standing wave ratio

測(cè)試和運(yùn)行結(jié)果表明,天饋系統(tǒng)的電氣和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,系統(tǒng)性能指標(biāo)滿足技術(shù)需求。

6 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的寬頻帶低軸比雙圓極化頻率復(fù)用天饋系統(tǒng)在寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了低軸比,主要性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平,具備接收雙頻率復(fù)用(4下行通道)的衛(wèi)星信號(hào)的能力。

該天饋系統(tǒng)已用于3套頻率復(fù)用高碼速率遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的工程項(xiàng)目中,并已成功接收了國(guó)內(nèi)首顆雙圓極化頻率復(fù)用遙感衛(wèi)星(“資源三號(hào)”衛(wèi)星,雙圓極化頻率復(fù)用,碼速率450Mbit/s×2)數(shù)據(jù)的接收。

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