一种圆极化多模耦合器

许 智 梁昌洪

(1. 西安电子科技大学电子工程学院，陕西 西安710071； 2.中国空间技术研究院西安分院，陕西 西安 710100)

1. 引 言

卫星高速数据通信中，为了保证接收天线窄波束准确指向来波方向，可以采用圆波导圆柱波导横电波Transverse Electric Mode中的一种高阶模(TE21)模[1-2]单脉冲[3-5]自动跟踪系统[6]来实现。该自动跟踪系统中，用于通信的和波束一般用圆波导中的主模圆柱波导横电波Transverse Electric Mode中的基模(TE11)模，用于跟踪的模式为TE21模与TE11模。

目前星载自动跟踪天线的难题在于，天线安装空间严格受限，因此，要求馈源设计得非常紧凑。由此产生的课题是：所设计的宽带耦合器尺寸尽可能小，在满足差模完全耦合的情况下，必须对和模进行很好地抑制。对此，文章从TE21模跟踪原理出发，深入研究了耦合孔数、耦合强度分布对耦合器性能的影响，介绍了一种圆极化TE21模耦合器的设计方法，并设计了一个Ka频段圆极化TE21模耦合器，在卫星通信中得到很好的应用。

2.理论分析

2.1 TE21模自动跟踪原理

图1左边为圆波导中TE11模及其极化简并模的场分布图，它将产生如图1右边所示的和波束方向图；图2左边为圆波导中TE21模及其极化简并模的场分布图，它将产生如图2右边所示的差波束方向图。

TE21多模跟踪时，当天线电轴准确指向来波方向时，天线只有和波束接收到信号，差波束接收到的信号非常微弱，可以认为接收不到信号；而当天线电轴偏离来波方向时，天线和波束不仅能够接收到信号，差波束也将接收到信号，而且在小角度范围内，差波束接收到的信号强度与天线电轴偏离来波的角度成正比，差波束接收到的信号在和波束信号的参考下，经过处理后就可以用于自动跟踪。可以看出：TE21模耦合器在整个跟踪系统中具有很重要的地位，其性能很大程度上影响着整个系统的性能。

图1 圆波导中的TE11模分布

图2 圆波导中的TE21模分布

2.2 TE21模耦合器设计原理与方法

如图3所示为单臂TE21模耦合器，波导Ⅰ为圆波导，波导Ⅱ为矩形波导，两个波导的公共壁上有一系列小孔(槽)，从端口1输入的TE21模经过小孔区时几乎完全耦合成端口4的矩波导模电波Transverse Electric Mode中的基模(TE10)模，并在端口3形成高的隔离；而从端口1输入的TE11模，几乎无损耗地从端口2输出，并相对于端口3与端口4形成高的隔离。通过这种方式，TE21模耦合器将通信用的TE11模与跟踪用的TE21模分离开来。

图3 TE21模耦合器

图4 波导间的多孔耦合

图4为图3的等效电路，波导Ⅰ为激励波导，波导Ⅱ为耦合波导，两个波导之间耦合区长L，两个波导的对应模式通过一系列小孔发生耦合，在波导Ⅱ中激励起前向电流If与反向电流Ib，波导Ⅰ、Ⅱ中的相位常数分别为β1、β2，定义线间的耦合C为[7-8]：当β1≠β2时的前向电流与β1=β2时的前向电流之比；定义定向性D为[7-8]：当β1≠β2时的反向电流与β1=β2时的前向电流之比，数学表达式如下

(1)

(2)

(3)

(4)

φ(x)为耦合函数，为传输线Ⅱ上x处的模式电压与传输线Ⅰ上x处的模式电压之比。以上为连续分布的耦合，实际应用中多采用离散分布耦合，为方便计算，采用2N个等间距分布的小孔，孔间距为S，并关于耦合区间中心对称，且分布函数φ(x)满足

φ(x)=

则有[7-8]

(5)

(6)

对上面的数学表达式进行研究，可以得出两个重要结论

1) 为了使TE21模耦合最大，应满足θC=0，亦即使β1=β2。

2) 在β1=β2情况下，为了使TE11模定向性高，可以改变耦合分布ai，或者改变耦合区内小孔数目N，或者改变耦合区长L.

在差模完全耦合的情况下，为了寻求对和模的有效抑制，可以从D出发进行研究，该参量表征了和模相对差模的抑制情况。根据以上公式，选用Ka频段，对耦合孔数目、耦合分布进行了分析，如图5、图6所示，图6为24个耦合孔的结果。从图中可以看出，采用贝塞尔函数(Bessel)函数分布能够优化耦合器的带内特性，同时可以看出，24个耦合孔就已经能够达到较好的性能。

图5 TE11模定向性与耦合孔数目的关系

图6 TE11模定向性与各种分布的关系

耦合器设计涉及到的另一个问题是耦合场的选择问题。这与发生耦合的两个场的分布相关。圆波导中的TE21模场分布为[9]

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

矩形波导中TE10模场分布为[9]

(12)

(13)

(14)

可以看出，要达到采用矩形波导窄边耦合，并且两个波导的轴平行的宽带耦合器的设计方式，则必须使用圆波导中的Hz分量激励矩形波导中的Hz分量。

2.3 圆极化TE21模耦合器设计

图3所示的单臂耦合器在多模自动跟踪中具有一些缺陷。一方面，因为采用单臂耦合，破坏了圆波导的对称性，传输其中的和信号的幅度、相位将产生变化，而且垂直于小孔面的线极化与平行于小孔面的线极化受到的影响不相同，因此，使得传输其中的圆极化波的交叉极化变差，影响天线最终的性能。因此，为了避免馈源和模交叉极化变差，需要在耦合器后面进行校正，但这种馈源带宽较窄。另一方面，单臂耦合器差模为线极化，对与天线差模极化正交的来波不能产生差信号。

对于TE21模耦合器，如果差模为线极化，而且又不破坏和模的对称性，根据其波导场的分布可知，需要四个耦合臂。如果耦合器采用圆极化，则最少需要两个互成45°的耦合臂，必然破坏和模的对称性；不破坏和模的对称性，则至少需要8个耦合臂，8个耦合臂均布在圆波导周围，相邻耦合臂间隔45°。8个耦合臂的圆极化TE21模耦合器，工程上应用已经足够了，一方面，耦合结构的对称性对和模的影响基本可以忽略，另一方面，更多的耦合臂在工程上实现难度与代价都很大。

8个耦合臂产生的两个线极化差模，需要通过合成网络生成圆极化差模。TE21模耦合器的8个耦合臂中，4个耦合臂耦合一个TE21模，采用三个魔T(即微波部件magic T)以及各种波导拐弯合成一路，另外四个臂耦合TE21极化简并模，采用同样方法合成另外一路，合成的两路之间通过90°电桥实现圆极化TE21模耦合器，同时具备左旋圆极化(LHCP)与右旋圆极化(RHCP)，实际使用时，根据来波极化特性，选择其中一种使用。另外，魔T与电桥不使用的端口端接负载。整个圆极化耦合器的合成原理图如图7所示，通过该合成方法，能够有效缩短耦合器的纵向长度。

图7 圆极化TE21模耦合器合成原理

为了达到紧凑设计的目的，采用上述方法，在耦合区长与耦合孔数目方面进行了优化，设计了一个Ka频段的8臂圆极化TE21模耦合器，每个臂24个耦合孔，耦合强度为Bessel分布，耦合器各个端口定义如图8所示，数字代表该处的端口号，设计的典型频点的散射矩阵(S矩阵)如表1所示。从表中可以看出，差模得到很好的耦合，和模得到很好的抑制。

图8 耦合器及模式端口定义

端口模式端口1端口1端口1端口1TE11TE11简并TE21TE21简并端口2TE110①-49.1-60.4-53.5端口2TE11简并-49.10①-68.9-61.1端口2TE21-53.8-51.8-33.2-63.8端口2TE21简并-55.7-65.9-56.8-31.0端口3TE10-61.7-65.5-59.1-6.0②端口4TE10-53.2-51.8-6.1②-65.6端口5TE10-55.4-53.8-54.3-6.0②端口6TE10-56.6-55.6-5.9②-57.5端口7TE10-58.7-57.6-66.4-6.0②端口8TE10-53.2-54.7-6.1②-55.9端口9TE10-58.1-62.9-64.3-6.1②端口10TE10-58.6-59.1-6.0②-60.3端口11TE10-48.8-62.3-70.5-49.6端口12TE10-57.1-54.1-45.5-67.2端口13TE10-57.8-54.1-62.4-46.3端口14TE10-50.9-56.4-51.5-71.3端口15TE10-50.2-62.9-66.9-48.7端口16TE10-52.8-50.7-47.3-64.0端口17TE10-58.7-47.9-86.6-44.2端口18TE10-53.1-49.8-43.9-64.3

说明：表1中行所在的模式与列所在的模式相交的数字，表示这两个模的散射参数幅度。比如端口1的TE21模到端口4的TE10模的传输参数幅度为-6.1 dB，反之亦然。“表中注释如下”：

① 包括损耗，实际测试结果大于-0.1 dB；

② 八个通道合成一个通道后，包括耦合器与合成网络损耗，实测结果大于-0.4 dB。

包括馈电网络在内，耦合器纵向总长度为220 mm，约为8个电波长，达到紧凑设计的目的，适合星载应用。

3.实验结果分析

耦合器带扼流槽波纹喇叭测试的方向图如图9所示，和差波束增益差为6.4 dB,差波束零深相对差波束峰值为-40 dB，即相对和波束峰值为-46.4 dB，差波束±40°内轴比小于3.0 dB(波束光轴除外),整个馈源达到良好的性能，并在卫星高速数据通信星间链路的建立中得到非常广泛的应用。

从表1中可以看出，端口1中TE11模、TE11简并模到端口3～端口10的抑制度最小为-51.8 dB,即意味着采用该耦合器的馈源，如果和差效率相同，则差波束零深相对差波束峰值为-51.8 dB，而实际的扼流槽波纹喇叭，和差增益相差6.4 dB,则说明差波束零深相对差波束峰值设计值为-45.4 dB，实际测试值为-40 dB,考虑加工、装配以及测试误差后，测试结果与设计值吻合得很好。

图9 TE21多模馈源和差方向图

4.实验结果分析

文章对TE21模耦合器的耦合孔数、耦合强度分布进行了深入的研究，在此基础上，设计了适合卫星高速数据通信应用的紧凑型TE21模耦合器，并在卫星通信中得到很好的应用。随着数传码速率的不断提高，相信TE21模耦合器会得到更为广泛的应用。

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