一種S頻段小型自跟蹤饋源設(shè)計(jì)*

崔昌娟，王 珂，李建軍，王 紅

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所 陜西省天線與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065)

0 引言

衛(wèi)星通信地球站天線覆蓋面積大,廣泛的應(yīng)用在衛(wèi)星通訊、遙測(cè)、雷達(dá)等多個(gè)領(lǐng)域，對(duì)目標(biāo)的跟蹤通常有3種方式：手動(dòng)跟蹤、程序跟蹤和自動(dòng)跟蹤。目前大、中型地球站都采用自動(dòng)跟蹤。一般情況下，自動(dòng)跟蹤按工作原理有3種跟蹤體質(zhì)：步進(jìn)跟蹤、圓錐掃描跟蹤和單脈沖跟蹤[1]。單脈沖自動(dòng)跟蹤因其精度高而被廣泛應(yīng)用，其饋源喇叭實(shí)現(xiàn)方式有多通道和多模式等形式。目前常用到的有更適合低頻的多通道自跟蹤饋源四喇叭[2]和五喇叭[3]饋源，以及超寬帶、體積小的對(duì)數(shù)周期六棱錐結(jié)構(gòu)跟蹤饋源[4-6]。高精度、可靠性強(qiáng)的波導(dǎo)多模自跟蹤饋源[7-9]，是利用波導(dǎo)中特定高次模式實(shí)現(xiàn)和差信號(hào)同時(shí)工作，具有損耗小、G/T值高等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于S頻段2 m小口徑環(huán)焦面天線，若采用圓波導(dǎo)TE11/TE21雙模自跟蹤饋源網(wǎng)絡(luò)[10]，其縱向尺寸長(zhǎng)、體積大、結(jié)構(gòu)笨重，并且饋源遮擋等因素將導(dǎo)致天線效率降低、且副瓣升高。因此，設(shè)計(jì)一種小型化緊湊型S頻段自跟蹤饋源尤為重要。

1 饋源設(shè)計(jì)

饋源喇叭結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)饋源由兩部分組成：內(nèi)腔的和通道與外圍的差通道。和通道信號(hào)由4個(gè)激勵(lì)波束通過(guò)和網(wǎng)絡(luò)合成，差通道信號(hào)由8個(gè)激勵(lì)波束通過(guò)差網(wǎng)絡(luò)合成。和差信號(hào)共同工作實(shí)現(xiàn)自跟蹤功能。

1.1 饋源喇叭

和通道中激勵(lì)的4個(gè)波束H1、H2、H3、H4，工作原理是同軸傳輸線的高次模輻射機(jī)理[11-12]。信號(hào)在饋電端口工作的模式是同軸主模TEM模，傳輸?shù)酱蟮耐S腔內(nèi)時(shí)激勵(lì)腔內(nèi)高次模TE11模，再輻射出去。一個(gè)極化組合H1、H3激勵(lì)的TE11模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，端口相位差180°。另一個(gè)極化組合H2和H4激勵(lì)的TE11模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，端口相差180°。依據(jù)兩個(gè)線極化波如果空間正交、相位差90°可以實(shí)現(xiàn)圓極化波的理論，設(shè)置激勵(lì)端口初始相位依次0°、90°、180°、270°可實(shí)現(xiàn)和信號(hào)的左、右旋圓極化波，如圖2(c)所示。和通道輻射方向圖由喇叭口內(nèi)腔尺寸決定，喇叭口徑越大，方向圖越瘦，照射電平越小。和通道信號(hào)傳輸匹配依據(jù)階梯阻抗變換的匹配原理，通過(guò)2節(jié)臺(tái)階過(guò)渡，達(dá)到滿足指標(biāo)要求的傳輸性能。

圖1 饋源喇叭結(jié)構(gòu)

(a)H1和H3激勵(lì)場(chǎng)結(jié)構(gòu) (b)H2和H4激勵(lì)場(chǎng)結(jié)構(gòu) (c)圓極化激勵(lì)口相位

差通道中激勵(lì)8個(gè)波束單元C1-C8，單元采用特殊形狀倒F天線[13]。介質(zhì)夾層既可減小尺寸、又能在結(jié)構(gòu)上起到支撐作用，單元結(jié)構(gòu)上一端開(kāi)路，一端短路，合理調(diào)節(jié)開(kāi)路、短路長(zhǎng)度和激勵(lì)位置可以實(shí)現(xiàn)良好匹配與輻射性能。

如圖3所示，C1、C3、C5、C7合成一個(gè)極化，C1和C5激勵(lì)相位0°合成差信號(hào)，正交方向的C3和C7激勵(lì)相位180°合成差信號(hào)，2個(gè)差信號(hào)同相合成一個(gè)極化的差信號(hào)，類似圓波導(dǎo)TE21差模場(chǎng)結(jié)構(gòu)。同理，C2、C4、C6、C8合成另一個(gè)極化差信號(hào)。兩個(gè)線極化信號(hào)空間正交、相位差90°合成圓極化信號(hào)，即同軸激勵(lì)8個(gè)波束相位依次是0°、90°、180°、270°、0°、90°、180°、270°實(shí)現(xiàn)圓極化差信號(hào)。

(a)C1、C3、C5、C7激勵(lì)場(chǎng)結(jié)構(gòu) (b)C2、C4、C6、C8激勵(lì)場(chǎng)結(jié)構(gòu) (c)圓極化激勵(lì)口相位

1.2 饋源網(wǎng)絡(luò)

饋源網(wǎng)絡(luò)采用90°和180°電橋?qū)崿F(xiàn)和、差及左、右旋圓極化信號(hào)[14]。其中，H1與H3、H2與H4均通過(guò)180°電橋連接形成兩路空間正交信號(hào)，再將其接90°電橋合成圓極化和信號(hào)[15]，如圖4所示。C1、C3、C5、C7經(jīng)過(guò)兩級(jí)電橋形成一個(gè)極化信號(hào)與C2、C4、C6、C8形成的另一極化信號(hào)經(jīng)過(guò)90°電橋合成圓極化差信號(hào)，如圖5所示。

圖4 和網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

圖5 差網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

2 測(cè)試結(jié)果與分析

饋源實(shí)物照片如圖6所示，尺寸250 mm×250 mm×420 mm。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試饋源傳輸性能，圖7所示為饋源和信號(hào)回波損耗實(shí)測(cè)圖，S11≤-23.32 dB。如圖8所示，饋源和信號(hào)實(shí)測(cè)左右旋隔離度≤-17.1 dB。如圖9所示，饋源實(shí)測(cè)和差隔離度≤-46.03 dB。在平面近場(chǎng)測(cè)試饋源輻射性能，如圖10所示，饋源在2.2 GHz的和、差方向圖仿真實(shí)測(cè)結(jié)果，和差峰值-7 dB。如圖11所示，饋源在2.4 GHz的和、差方向圖仿真實(shí)測(cè)結(jié)果，和差峰值-8 dB。如圖12所示為饋源軸比測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，滿足指標(biāo)要求。

如圖13所示回波損耗仿真結(jié)果圖， 1.8 GHz～2.5 GHz頻段范圍內(nèi)，饋源回波損耗≤-20 dB。對(duì)寬帶小型化自跟蹤饋源有一定參考價(jià)值。

饋源用于2 m環(huán)焦天線，如圖14所示，焦徑比0.3，照射角45°。如圖15所示，利用軟件Ansoft HFSS仿真天線，饋源直接輸入相位而不加入網(wǎng)絡(luò)即不計(jì)入饋源歐姆損耗的前提下，仿真計(jì)算2.2 GHz口面增益30.9 dB,天線口面效率57.9%，2.4 GHz口面增益31.59 dB，天線口面效率57%。

圖6 饋源實(shí)物照片

圖7 和端口駐波比

圖8 和端口隔離度

圖9 和差隔離度

圖10 2.2 GHz饋源方向圖

圖11 2.4 GHz饋源方向圖

圖12 軸比

圖13 饋源仿真駐波比

圖14 2米環(huán)焦天線模型

(a)2.2 GHz方向圖 (b)2.4 GHz方向圖

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了尺寸為250 mm×250 mm×420 mm的S頻段小型緊湊自跟蹤饋源，用4波束合成的和信號(hào)與8波束合成的差信號(hào)共同工作實(shí)現(xiàn)自跟蹤功能，與傳統(tǒng)多通道自跟蹤饋源相比其尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。實(shí)測(cè)結(jié)果表明饋源在2.2 GHz～2.4 GHz頻帶內(nèi)具有良好傳輸和輻射功能。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，證明該天線設(shè)計(jì)的正確性。饋源頻率可以擴(kuò)充到1.8 GHz～2.5 GHz，對(duì)寬頻帶小型化自跟蹤饋源提供了一定的參考意義。