一种C频段散射角分集双波束馈源的设计

李阳，赵显超，徐松毅

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.中国人民解放军空军驻石家庄地区军事代表，河北 石家庄 050051）

一种C频段散射角分集双波束馈源的设计

李阳1，赵显超2，徐松毅1

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.中国人民解放军空军驻石家庄地区军事代表，河北 石家庄 050051）

针对散射通信中角分集天线双喇叭馈源方式分集效果不佳的问题，设计了一种角分集双波束馈源。采用锥变分支与膜片分支相结合的方式，在不增加结构复杂度的基础上改善了OMT耦合端口的驻波；用介质杆天线代替喇叭天线，从而减小了馈源辐射口面的横向尺寸，克服了因双馈源体积大而无法满足理想分集效果波束夹角（0.75～1倍波束宽度）要求的问题。应用CST对双波束馈源模型进行了优化设计，在要求的12.7%的带宽内驻波低于1.3。

角分集；双波束馈源；正交模耦合器；介质杆天线

0 引言

因为水平面内不同角度的波束之间的相关系数较大，一般采用垂直面内不同仰角的两波束实现角度分集。角分集的一般方法是在天线面焦点附近垂直方向上放置2个喇叭天线作为馈源。但是由于C频段双喇叭天线馈源体积较大，波束夹角难以优化到1倍波束宽度内，必然有一波束仰角大于最佳仰角太多而传输损耗太大，再加上偏焦损失、反射面边缘损失、双馈源与支撑件加粗造成的遮挡损失等，角分集效果必然比空间分集和频率分集差［1－4］。

本文在文献［5，6］的研究基础上，针对传统角分集天线馈源形式的不足，设计了一种用于C频段的四端口、双线极化、角分集的双波束馈源。该双波束馈源在结构上具有紧凑、简单、稳定、便于加工的特点。

1 馈源设计

1.1 正交模耦合器（OMT）

正交模耦合器又称双模变换器，也可简单地认为是一个极化滤波器，通过合成或分离两正交模式实现类似极化双工的作用［7］。OMT结构如图1所示。

图1 正交模耦合器结构

正交模耦合器的设计步骤如下：

②切比雪夫阻抗变换段设计。锥变变换段会影响直通端口与公共端口的匹配和和与耦合端口的隔离，本文选用3阶切比雪夫阻抗变换便可满足12.7%相对带宽要求。根据文献［8］，3阶切比雪夫阶梯阻抗变换器的总反射系数为：

式中，A＝Γm；

3阶切比雪夫多项式为：

根据对称性：

阻抗与阶梯高度关系式为：

每一阶长度由公共波导波导波长λg1与分支标准波导波导波长λg2所确定：

通过仿真确定切比雪夫阶梯阻抗变换段尺寸如下：L＝23.8 mm，H1＝18.8 mm，H2＝24.8 mm，H3＝36.0 mm。

③确定耦合窗尺寸。公共波导侧壁耦合窗口处的场结构复杂，一般采取先由经验公式得到一个大概值，再通过软件反复优化确定耦合窗口尺寸的方式。耦合窗示意图如图2所示。

图2 耦合窗示意

根据文献［7］，耦合窗口宽w，高h与中心频率波导波长λg0之间的关系可表示为：

应用CST软件对耦合窗尺寸反复仿真优化，最终确定w＝36.0 mm，h＝11.0 mm。

④膜片设计。由于采用锥变分支设计的OMT耦合端口回波损耗较差，在OMT中加入膜片以提高耦合端口的耦合。通过仿真，当膜片与耦合窗相对位置d0为0．26λ0时，耦合端口S11在频带内低于－20 dB。有无膜片垂直极化端口S11仿真结果如图3所示。

图3 有无膜片垂直极化端口S11

OMT的仿真结果如图4和图5所示。正交模耦合器在工作频带内两分支端口VSWR均低于1.3，两分支端口之间隔离度大于100 dB。基本可以满足设计要求。

图4 正交模耦合器两分支端口VSWR

图5 正交模耦合器两分支端口隔离度

仿真过程中对可能的加工误差进行了充分考虑。当误差控制在0.1 mm以内时，OMT性能基本不会变差。但是必须保证结构的对称性，不对称的结构将会在OMT中激励高次模而使OMT性能恶化。

1.2 介质杆天线

介质杆天线是一种常见的行波天线，能够导引电磁波并在终端将电磁波辐射到自由空间，并能与馈电波导很好地兼容［9］。介质杆天线结构示意图如图6所示。

图6 介质杆天线结构

将图6中馈电渐变段插入图1中OMT的公共端口，以OMT公共方波导作为馈电波导。介质杆天线设计步骤如下：

②馈电渐变段设计。馈电渐变保证介质杆与馈电波导的匹配，提高激励效率。本文考虑到保证性能的同时应使馈源结构尽量紧凑，采用3阶切比雪夫变换的馈电结构。设计方法参照1.1节。经仿真优化各段长度分别为：LL＝15.5 mm，ww1＝22.5 mm，ww2＝14.3 mm，ww3＝7.9 mm。

③锥形渐变段设计。锥形渐变可减小旁瓣，对于给定电长度的天线，天线根部和顶部的截面积应分别为：

对于C频段，波长量级远大于毫米波波段。满足天线增益指标要求的前提下需尽量减小介质杆天线长度。本文介质杆分两段分别作线性锥削，其中L1＝λ0，L2＝2λ0。

2 性能仿真分析

在FEKO 7.0仿真环境下，采用4.5 m口径的偏馈反射面，f／D＝0．625，对角分集双波束馈源进行仿真。

2.1 VSWR

双波束馈源各端口VSWR仿真结果如图7所示，角分集双波束馈源4个端口电压驻波比在整个工作频带内均低于1.3，达到了良好的匹配效果。

图7 双波束馈源各端口VSWR

2.2 辐射方向图

工程实践中通常采用垂直面内不同仰角的两波束进行角度分集。由于馈源的横向偏焦会导致天线第一旁瓣抑制变差，考虑两分集波束分别上下偏焦的情况。根据0.75～1倍波束宽度波束夹角要求，当双波束馈源两馈源部件分别上下偏离反射面焦点22.0 mm时，两分集波束波束指向分别为±0.4°，即两分集波束形成0.8°的波束夹角。仿真结果如图8和表1所示。

图8 f＝f0时E面辐射方向图

表1 馈源偏焦22.0 mm时Port3仿真结果

3 结束语

本文设计了一种用于C频段的散射角分集双波束馈源。通过CST和FEKO软件进行仿真。天线增益大于44 dB，波束宽度约为1°，波束夹角约0.8°，第一旁瓣抑制大于29 dB，交叉极化隔离大于50 dB，各端口驻波小于1.3，各项技术指标基本满足角分集天线系统要求。一条散射链路上2个端站均采用配置该双波束馈源的角分集天线，便可构成四重角分集系统。角分集双波束馈源的研究为角分集单天线散射通信系统的研究奠定了基础。

［1］张明高.对流层散射传播［M］.北京：电子工业出版社，2006：140－143.

［2］杨可忠.利用多模馈源实现角分集的天线［J］.无线电通信技术，2000，26（4）：1－5.

［3］徐松毅，李文铎.瑞利衰落信道下非独立多重分集接收性能分析［J］.电子学报，2003，31（11）：1 682－1 685.

［4］HOFERERR A.Angular Diversity Antenna System and Feed Assembly for Same［P］.US：7623084B2，2009：1－12.

［5］刘 莹，宋国强，韩明钥.散射通信中角分集天线最佳夹角计算方法研究［J］.无线电工程，2013，43（10）：59－61.

［6］高自新，徐志平.角分集天线参数设计技术研究［J］.无线电工程，2013，43（4）：54－64.

［7］詹 英，杨玲娟.一种Ku频段正交模转换器的设计［J］.无线电工程，2008，38（12）：47－49.

［8］David M.Pozar.微波工程（第3版）［M］.北京：电子工业出版社，2006：214－218.

［9］叶红霞，蒋延生，王文秉，等.介质杆天线的时域特性分析［J］.电波科学学报，2003，18（4）：413－417.

［10］王楠楠，邱景辉.Ka频段介质棒天线优化设计.电波科学学报，2010，25（1）：161－165.

Design of a C-band Dual-beam Feed for Angular Diversity Antenna System

LI Yang1，ZHAO Xian-chao2，XU Song-yi1
（1．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2．Military Representative of PLA Air Force in Shijiazhuang，Shijiazhuang Hebei 050051，China）

A dual-beam feed has been designed in this work，to solve the problem that a two-horn feed in angular diversity antenna system usually can not achieve the desired diversity result.The VSWR of the coupling port of OMT has been reduced by placing septum in the stepped-impedance transformation；and the size of the feed has been decreased by using rod dielectric antenna instead of horn antenna so that the feed can meet the requirement of the best squint angle（0.75～1 times of the beam width）.The dual-beam feed has been designed and optimized by the CST code，the VSWR is less than 1.3 in the bandwidth of 12.7%.

angular diversity；dual-beam feed；orthomode transducer；dielectric rod antenna

TN911

A

1003－3106（2015）11－0052－04

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.11.14

李 阳，赵显超，徐松毅.一种C频段散射角分集双波束馈源的设计［J］.无线电工程，2015，45（11）：52－55.

李 阳男，（1990—），中国电子科技集团公司第五十四研究所在读研究生。主要研究方向：无线通信。

2015-08-19

国有部委基金资助项目。

徐松毅男，（1963—），博士，研究员。主要研究方向：无线通信。