緊湊型Ka頻段TE21模圓極化合成網(wǎng)絡(luò)研究設(shè)計

陳 慰 李岱昀

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所西安710065)

天饋線服控制系統(tǒng)

緊湊型Ka頻段TE21模圓極化合成網(wǎng)絡(luò)研究設(shè)計

陳 慰 李岱昀

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所西安710065)

針對深空測控系統(tǒng)的饋源整體制冷應(yīng)用背景，為滿足其小型化、輕量化結(jié)構(gòu)要求，基于TE21模跟蹤器差模耦合理論和3dB定向耦合器圓極化合成原理，在傳統(tǒng)Ka頻段波導(dǎo)差模圓極化合成網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，結(jié)合空氣帶狀線差模圓極化合成網(wǎng)絡(luò)的分層設(shè)計思路，通過理論計算和采用HFSS高頻電磁仿真軟件計算的方法，設(shè)計了一種Ka頻段緊湊型波導(dǎo)TE21模圓極化合成網(wǎng)絡(luò)。其結(jié)構(gòu)尺寸為饋源直徑60mm，饋源長度250mm，較傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分別縮減60%和38%。常溫和超低溫環(huán)境中測試結(jié)果為電壓駐波比小于1.5，端口隔離度大于19dB，差模方向圖零深大于35dB，新的緊湊型饋源網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)超低溫工作環(huán)境。

深空測控;Ka頻段;TE21模;圓極化;合成網(wǎng)絡(luò)

0 引 言

自跟蹤饋源是測控天線系統(tǒng)的核心組成，多通道自跟蹤和差模自跟蹤是兩種常用的自跟蹤體制［1］。二者都是零值自跟蹤，即差方向圖軸向為零值，偏軸后具有極性。多通道自跟蹤饋源結(jié)構(gòu)簡單、頻段較寬，但跟蹤網(wǎng)絡(luò)損耗大;而多模自跟蹤饋源頻帶較窄，差模耦合器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但跟蹤性能優(yōu)異，網(wǎng)絡(luò)損耗小，Ka頻段更適合采用該體制實現(xiàn)自跟蹤［2］。在TE21模自跟蹤饋源實現(xiàn)測控天線自跟蹤時，TE21模耦合器是自跟蹤饋源的關(guān)鍵部件，而TE2l模圓極化合成網(wǎng)絡(luò)又是形成圓極化差信號的核心部件［3］。

深空測控作為測控領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，特別關(guān)注系統(tǒng)G/T值，根據(jù)Ka頻段低噪聲任務(wù)需求，比較于多通道自跟蹤，差模自跟蹤饋源的優(yōu)勢突出，其網(wǎng)絡(luò)損耗小，整體制冷饋源的應(yīng)用，使得系統(tǒng)噪聲溫度進(jìn)一步降低，饋源和制冷杜瓦的一體化設(shè)計可以獲得較高系統(tǒng)G/T值［4］。

Ka頻段TE21模跟蹤器中，傳統(tǒng)差模合成網(wǎng)絡(luò)通常采用彎頭、HT功分器、魔T組成波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，這種合成網(wǎng)絡(luò)損耗小、性能優(yōu)，但橫向和縱向結(jié)構(gòu)交錯、加工困難、尺寸較大，應(yīng)用于整體制冷系統(tǒng)時，占用杜瓦空間相當(dāng)大，導(dǎo)致降溫速度緩慢。如果采用帶狀線或者微帶形式網(wǎng)絡(luò)，則會導(dǎo)致?lián)p耗過大。鑒于以上問題，研究一種新的具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等優(yōu)點的小型化波導(dǎo)差模合成網(wǎng)絡(luò)，成為Ka頻段跟蹤器發(fā)展方向上的迫切需求。

本文基于3dB波導(dǎo)定向耦合器工作原理，利用空氣帶狀線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上軸向分層思路，設(shè)計了一種緊湊型波導(dǎo)合成網(wǎng)絡(luò)，來實現(xiàn)TE21模跟蹤器圓極化的合成。該方案比微帶和空氣帶狀線結(jié)構(gòu)形式的網(wǎng)絡(luò)損耗小，比傳統(tǒng)波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)體積小、重量輕，它由兩層6只HT功分器和一層3dB定向耦合器級聯(lián)組成三層合成網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)較好的TE21模圓極化特性。

1 3dB電橋?qū)崿F(xiàn)圓極化原理

如圖1所示，3dB波導(dǎo)電橋(又稱3dB定向耦合器)，在矩形波導(dǎo)公共臂上開兩個間距l(xiāng)、尺寸與形狀相同的耦合孔。

設(shè)從端口1輸入一個電壓幅度為1的入射波，假設(shè)此波從A孔傳輸至B孔，在弱耦合情況下，其幅度不變。在A孔處向3端口(正方向)的傳輸波電壓耦合系數(shù)為C－，向端口4(反方向)的傳輸波電壓耦合系數(shù)為C+。在B孔處，向3端口(正方向)的傳輸波為C－e－jβl，向端口4(反方向)的傳輸波為C+e－jβl，則波導(dǎo)中傳輸向3端口的波疊加得:

圖1 3dB波導(dǎo)定向耦合器示意圖

傳向4端口的波疊加，得:

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

雙孔波導(dǎo)定向耦合器，通常取l=λ0/4，λ0是中心頻率的波導(dǎo)波長，因此，|S41|=0。即信號只傳輸向3端口，而4端口無輸出。物理意義是，3端口輸出是同相疊加，4端口輸出是反向抵消。

因此，當(dāng)空間上相互正交、等幅相差90°的兩個線極化波從端口1和2輸入，當(dāng)1端口相位超前2端口90°，則3端口輸出LHCP波;當(dāng)1端口相位滯后2端口90°，則4端口輸出RHCP波。3dB定向耦合器作為圓極化器，它們可以采用同軸、帶狀線、微帶和波導(dǎo)等不同類型傳輸線來實現(xiàn)，因此適應(yīng)于不同頻段、不同類型的饋源系統(tǒng)。

該網(wǎng)絡(luò)采用的3dB波導(dǎo)定向耦合器與跟蹤器副波導(dǎo)傳輸線相同，以保證阻抗匹配，得到優(yōu)良的駐波性能，同時也可以盡量縮減網(wǎng)絡(luò)的橫向尺寸。

2 TE21模圓極化合成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

TE21模跟蹤器利用小孔耦合理論，將圓波導(dǎo)中TE21模耦合到矩形波導(dǎo)TE10模，矩形波導(dǎo)TE10模通過圓極化合成網(wǎng)絡(luò)形成差信號。

圓波導(dǎo)中存在兩個正交的TE2l模，其中一個在空間上90°方向的Hz分量為零，另一個在45°方向的Hz分量最大，為減小對主模的影響，應(yīng)采用對稱耦合結(jié)構(gòu)即四臂耦合結(jié)構(gòu)，才能獲得良好的耦合性能［6，7］?？紤]到圓極化工作，則需要八個耦合臂在相鄰間隔45°均勻分布，通過合成網(wǎng)絡(luò)將兩個正交線極化差模合成為圓極化差模［5］。圖2是跟蹤器八臂耦合結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2 TE21模跟蹤器八臂耦合結(jié)構(gòu)原理圖

如圖3所示，Ka頻段傳統(tǒng)的波導(dǎo)形式差模合成網(wǎng)絡(luò)是由波導(dǎo)HT功分器、波導(dǎo)魔T、90°移相器和各類波導(dǎo)彎頭組成。

圖3 傳統(tǒng)的波導(dǎo)差模合成網(wǎng)絡(luò)原理圖

采用兩級共3個HT波導(dǎo)功分器和各種波導(dǎo)彎頭合成一路，另外4個耦合臂耦合TE21極化簡并模，采用同樣的網(wǎng)絡(luò)合成另一路，其中一路經(jīng)過90°移相后，兩路輸入波導(dǎo)魔T合成而實現(xiàn)雙圓極化輸出。但是圖3的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，在空間橫向和縱向相互交錯，體積和重量都很大，難以實現(xiàn)小型化設(shè)計目標(biāo)。

如圖4所示，一種新的緊湊型波導(dǎo)差模合成網(wǎng)絡(luò)工作原理是通過3dB波導(dǎo)定向耦合器實現(xiàn)雙圓極化。采用兩級3個HT功分器合成4個耦合臂的線極化差模，另外4個耦合臂耦合TE21極化簡并模，采用相同的網(wǎng)絡(luò)合成另一路，兩路輸入3dB波導(dǎo)定向耦合器，以實現(xiàn)雙圓極化輸出。

圖4 一種新的緊湊型波導(dǎo)差模合成網(wǎng)絡(luò)原理圖

由于同頻率波導(dǎo)傳輸線尺寸大于帶狀線尺寸，對于Ka頻段而言，該方案具有加工簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠性高的優(yōu)點。軸向分層的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致橫向空間十分有限，因此必須緊湊排布各層網(wǎng)絡(luò)，盡量縮小波導(dǎo)器件的尺寸，并考慮可制造性、可測試性、可裝配性。電氣設(shè)計上展寬工作頻帶，是解決超低溫下頻偏的有效措施。每一層網(wǎng)絡(luò)都須考慮電氣和結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計。圖5是合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 緊湊型波導(dǎo)合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

3 緊湊型波導(dǎo)合成網(wǎng)絡(luò)仿真與測試

緊湊型波導(dǎo)差模合成網(wǎng)絡(luò)HFSS仿真模型如圖6所示。利用Ansoft HFSS軟件有限元算法得到合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計結(jié)果。

圖7和圖8分別是合成網(wǎng)絡(luò)電壓駐波比和端口隔離度仿真結(jié)果。緊湊型波導(dǎo)差模合成網(wǎng)絡(luò)的電壓駐波比小于等于1.31，端口隔離度大于等于21.19dB，網(wǎng)絡(luò)輸入和輸出端口間幅度差為9±

圖6 緊湊型波導(dǎo)合成網(wǎng)絡(luò)仿真模型

0.55dB，相位差90±0.40°，以此計算得出圓極化軸比 AR約為0.61dB，電氣參數(shù)仿真計算結(jié)果優(yōu)良。

圖7 合成網(wǎng)絡(luò)電壓駐波比仿真曲線

圖8 合成網(wǎng)絡(luò)端口隔離度仿真曲線

根據(jù)TE21模跟蹤器八臂對稱結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的功分層輸入口與跟蹤器副波導(dǎo)八臂輸出口分布在同一圓周上，既減小了傳輸路徑長度，又減小了合成網(wǎng)絡(luò)直徑。合成網(wǎng)絡(luò)的功分層和3dB電橋?qū)尤鐖D9所示。

緊湊型波導(dǎo)差模合成網(wǎng)絡(luò)的測試結(jié)果如表1所示。電壓駐波比小于1.5，端口隔離度大于19dB，幅度不平衡度小于0.5dB，相位不平衡度小于2°，網(wǎng)絡(luò)差模方向圖的零深大于35dB，且在常溫環(huán)境和低溫環(huán)境中無明顯差異，合成網(wǎng)絡(luò)的電氣性能滿足系統(tǒng)需求。圖10是合成網(wǎng)絡(luò)差模方向圖測試結(jié)果。結(jié)構(gòu)方面，Ka頻段緊湊型波導(dǎo)差模合成網(wǎng)絡(luò)的橫向尺寸直徑 ≈60mm，比傳統(tǒng)型波導(dǎo)合成網(wǎng)絡(luò)的直徑 ≈150mm減小60%;緊湊型TE21模跟蹤器及合成網(wǎng)絡(luò)軸向總長度L≈250mm，比傳統(tǒng)型波導(dǎo)合成網(wǎng)絡(luò)總長度L≈400mm減小38%。

圖9 功分層和電橋合成層結(jié)構(gòu)

圖10 合成網(wǎng)絡(luò)差模方向圖測試結(jié)果

如圖11所示，緊湊型波導(dǎo)差模合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案有效地減小了Ka頻段饋源結(jié)構(gòu)尺寸，達(dá)到了饋源小型化、輕量化設(shè)計的目標(biāo)，滿足了深空測控系統(tǒng)“饋源整體制冷”方案的結(jié)構(gòu)性能需求。

圖11 緊湊型和傳統(tǒng)型跟蹤器及合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比對圖

表1 緊湊型Ka頻段TE21模合成網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果

4 結(jié) 論

本文針對深空測控系統(tǒng)超低溫制冷應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計了一種新的緊湊型Ka頻段TE21模圓極化合成網(wǎng)絡(luò)。簡介了測控系統(tǒng)對自跟蹤饋源的要求，TE21模跟蹤器工作原理，以及微帶、空氣帶狀線、波導(dǎo)各類型差模合成網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點。分析了傳統(tǒng)Ka頻段波導(dǎo)差模合成網(wǎng)絡(luò)的性能特點，以及在制冷環(huán)境中其結(jié)構(gòu)方面的不足之處?；?dB波導(dǎo)定向耦合器原理，本文將空氣帶狀線合成網(wǎng)絡(luò)的軸向分層設(shè)計思路引入到波導(dǎo)合成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中，得出一種緊湊型波導(dǎo)差模合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案，Ansoft HFSS高頻電磁仿真軟件計算得出優(yōu)異的電氣性能參數(shù)。

在結(jié)構(gòu)上完成了Ka頻段饋源小型化、輕量化的優(yōu)化目標(biāo)，使得將饋源置于小體積杜瓦瓶內(nèi)進(jìn)行“整體制冷”之目的成為現(xiàn)實。饋源系統(tǒng)的測試結(jié)果表明，緊湊型差模合成網(wǎng)絡(luò)在常溫和低溫環(huán)境中，電壓駐波比、端口隔離度、差模方向圖均具備優(yōu)異的性能。

但該網(wǎng)絡(luò)目前仍然存在一些問題，實測結(jié)果顯示該緊湊型差模合成網(wǎng)絡(luò)在低溫環(huán)境中的噪聲溫度偏大，雖然已經(jīng)優(yōu)于常溫環(huán)境的噪聲溫度，但仍說明該網(wǎng)絡(luò)傳輸損耗偏大。而造成差模合成網(wǎng)絡(luò)損耗偏大的原因可能是多樣性的，例如機(jī)加工工藝、螺釘緊固方式、波導(dǎo)功分器腔體內(nèi)電感銷的焊接，波導(dǎo)分層結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生不連續(xù)縫隙，采用非標(biāo)波導(dǎo)傳輸線等，都是造成傳輸損耗增加的可能性，這也是下一步合成網(wǎng)絡(luò)研究工作關(guān)注的重點。

本文的研究工作說明基于3dB定向耦合器實現(xiàn)圓極化的理論，差模合成網(wǎng)絡(luò)軸向分層的設(shè)計思路具有可行性，完成了Ka饋源系統(tǒng)小型化、輕量化設(shè)計目標(biāo)。除了在深空測控系統(tǒng)的超低溫制冷應(yīng)用環(huán)境之外，在其它結(jié)構(gòu)空間局限性需求的應(yīng)用背景中，具有很強(qiáng)的實用價值，前景廣闊。

［1］鄧淑英，劉為民.小型化的S波段寬頻段單脈沖跟蹤網(wǎng)絡(luò)［J］.微波與衛(wèi)星通信.1999，(1).

［2］劉昊，孫向珍，李剛，等.圓波導(dǎo)TE11/TE21雙模自跟蹤饋源的研究設(shè)計［J］.遙測遙控.2007，(28):177－181.

［3］周錄軍，馬行軍.新型C頻段TE21模圓極化合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計［J］.電訊技術(shù).2012，(7):1151－1154.

［4］耿虎軍.饋源制冷技術(shù)在深空測控系統(tǒng)中的應(yīng)用分析［J］.飛行器測控學(xué)報.2010，(4):47－50.

［5］田唯人.寬頻帶圓波導(dǎo)TE21模耦合器的設(shè)計方法［J］.現(xiàn)代雷達(dá).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］許智，梁昌洪.一種圓極化多模耦合器［J］.電波科學(xué)學(xué)報.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

陳 慰(1983－)，男，工程師。主要研究方向為天線與微波技術(shù)。