一种极化可调的双频段双极化馈源的设计

徐可荣,王 烨

(船舶重工集团公司 723所,扬州225001)

0 引 言

由于卫星通信天线在不同纬度具有不同的极化特性,这就要求天线在运动过程中能做到极化适时可调。而收、发端口正交极化,隔离度在-85 dB以下,这就要求收发端口具有高隔离度。

1 馈源的设计思路

考虑到馈源转动时间过长可能导致位置松动,天线方向图会发生变化,因此必须将馈源的辐射喇叭与反射面相对固定,在波纹喇叭后面用同轴旋转关节,通过旋转关节的转动改变极化方向。为了满足收发隔离度低于-85 dB,必须在接收端口用一带阻滤波器。

如果用普通的同轴馈电,端口极化隔离度很难达到-30 dB,这就要求增加滤波器的级数,相应增加了结构尺寸,对结构安装提出了更高的要求。用极化分集器可以将隔离度做到-45 dB以下,问题将迎刃而解。

1.1 波纹喇叭的设计

根据天线的要求可以确定馈源的初级照射角θ0,为了满足低副瓣的要求,将初级照射的边缘照射电平定为-20 dB。最佳喇叭波瓣宽度与半张角的关系为:

1.2 旋转关节的设计

波纹喇叭与极化分集器用等半径的圆波导连接,由于同轴两端在转动时不能接触,之间必有一个间距,这就形成了一个谐振腔。这种谐振腔一端短接,另一端的闭合腔壁与内导体的末端之间形成电容器。腔体中产生的驻波仍以TEM波为基础。

整个谐振腔相当于始端短接而终端接有集中电容C的分布参数电路。如图1所示,从终端ab来看,其输入导纳有:

图1 电容负载的同轴线型谐振腔的等效电路

而集中电容的电纳为Bc=ω C,要满足谐振条件,必须有:因此:

根据以上各式可以计算出谐振腔的长度。

在转动部分与固定部分用轴承配合连接,保证转动灵活,且具有较好的馈源驻波特性。

1.3 极化分集器的设计

极化分集器的主路为圆波导,两输出端口均为相应频段的标准矩形波导。发射支路沿馈源的轴向传输,先用方-圆过渡将圆波导转换为方波导,然后再过渡为需要的矩形波导;接收支路与发射支路正交极化,方向相差90°,接收支路波导与主路之间有一耦合腔,调整耦合腔的大小及位置可以优化出比较好的端口驻波及隔离度结果。

2 模型及仿真结果

馈源的结构型式如图2所示。

式中：p为极对数；Ls为同步电感。对于电机本体，转子磁链矢量Ψr与转子d轴上的励磁磁动势矢量Ff方向一致，而定子磁链矢量Ψs虽对应着气隙合成磁动势矢量Fδ，但确切地说，Ψs应指包括电枢漏磁链在内的定子全磁链矢量。文献[5]中把定、转子磁链矢量之间的交角δsr定义为“负载角”[5]，其物理意义同相量U与E0之间的交角即功角δ是一样的。式(2)表明，如果Ψs和Ψr保持为定值，则电磁转矩T便是单一可控变量δsr的正弦函数。

图2 馈源的结构外形图

喇叭的E面方向图如图3所示。

图3 喇叭的E面方向图

喇叭的H面方向图如图4所示。

图4 喇叭的H面方向图

馈源发射支路的驻波曲线如图5所示(发射支路中心频率为 f1)。

图5 发射支路驻波曲线

馈源接收支路的驻波曲线如图6所示(接收支路中心频率为 f2)。

图6 接收支路驻波曲线

馈源的极化隔离度曲线如图7所示。

图7 隔离度曲线

3 实测结果和馈源照片

馈源的测试方向图如图8、图9所示(测试的增益值是测试系统接收到的电平大小,不是馈源本身的增益)。

测试方向图跟仿真方向图基本吻合,全频段内±30°角的边缘照度范围在-13～-19.5 dB范围之内,满足天线的设计要求。

馈源发射支路的驻波曲线如图10所示。

图10 发射支路驻波测试曲线

馈源接收支路的驻波曲线如图11所示。

图11 接收支路驻波测试曲线

全频带范围之内发射支路驻波小于1.3,接收支路小于1.75,满足使用要求。

馈源隔离度测试图如图12所示。

图12 隔离度测试曲线

极化分集器一次加工成型,在没有加任何调试件的情况下,馈源全频带范围之内隔离度在-47.5 dB以下,满足设计要求。

馈源的实物照片如图13所示。

图13 隔离度测试曲线

4 结论

馈源经过合理的结构、工艺设计,加工一次成型,加工完毕以后测试结果跟仿真结果基本符合。由于系统空间位置有限,馈电部分转换成同轴型式,如果用波导馈电馈源驻波可以做得更好。

[1]林昌禄.近代天线设计[M].北京:人民邮电出版社,1987.

[2]林昌禄,聂在平.天线工程手册[M].北京:电子工业出版社,2002.

[3]廖承恩.微波技术基础[M].北京:国防工业出版社,1984.