S+X双频旋转关节设计与仿真

毛南平,潘高峰,潘国平,李其福

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)

S+X双频旋转关节设计与仿真

毛南平,潘高峰,潘国平,李其福

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)

为解决S+X双频合建大型测控天线S、X不能同时发射上行功率的技术难题，对天馈线系统主要组成部件包括：天线反射面、S/X双频馈源、S/X双频段旋转关节等进行了分析，并针对结构实现与电气设计上的技术难点，给出了解决方案：电气设计上采用TM01模式作为X频段圆波导主要传输模式，采用TEM模式作为S频段同轴波导传输模式；在结构上使用两通路同轴嵌套的形式,完成了双频关节设计；通过电气性能仿真，得到了满意的结果,据此完成了双频旋转关节方案设计;通过计算、仿真与优化,结果表明所设计双频关节的电气性能均优于指标要求；采用该方案设计的某S+X双频合建大型测控天线实际使用表明：S、X能同时发射上行功率，同时构成天地测控回路。

S+X双频合建天线; 旋转关节; 圆波导; 电气性能

0 引言

旋转关节是一个在天线馈线随着天线在方位或俯仰转动时，能够保证天线的上行信号或者下行信号正常传输的馈线部件[1]。在采用S、X频段统一测控系统天线合建后，需要设计一种S、X双频段旋转关节，这种关节需要能够提供两个通路，分别通过S频段与X频段的射频信号。

1 设计方案

1.1 主要研究内容

设计S频段旋转关节工作模式，S频段旋转关节的尺寸选取，旋转关节耦合激励部分的设计与计算，包括对TEM模式的分析，关节单模式工作方式以及对不需要的工作模式的抑制及消除方法。重点研究矩形波导TE10转化成为同轴线中TEM模式的方法。

设计X频段旋转关节工作模式，X频段旋转关节的尺寸选取，X频段旋转关节耦合激励部分的设计与计算，包括对TM01模式的分析，关节单模式工作方式以及对不需要的工作模式的抑制及消除方法。重点研究矩形波导TE10转化成为圆波导TM01模式的方法。

扼流槽的选型，整体关节的电气性能的计算，其中包括对关节驻波、损耗以及功率容量的计算。

1.2 设计方案

对于同时工作在S与X频段的双通道射频信号旋转关节，在通路的布局上使用两通路同轴嵌套的形式，即将X频段的旋转关节布置于关节整体的轴心部分，其使用圆波导作为关节主体，关节示意图如图1所示。而S频段的旋转关节主体采用同轴线的形式[2]，其内导体就是X频段的波导外壁如图1。这样就可以实现在一个关节中同时通过S与X频段的信号。

图1 旋转关节示意图

1.3 关键技术

1.3.1 S频段关节

对于S频段的旋转关节，通过选取合适的耦合孔径位置及尺寸，将矩形波导的输模式(TE10模式)转为同轴波导传输模式(TEM)，将其作为旋转关节的信号传输模式；采用对称激励加魔T的方法来消除TE11模式[3]，通过计算耦合孔的耦合量以及魔T的工分性能，利用耦合处理的反相激励，将TE11模式抵消，保证关节主体中只存在TEM模式；关节的接口形式是BJ22的矩形波导。

1.3.2 X频段关节

X频段关节主体是圆波导，通过选取合适的耦合孔径位置及尺寸，将矩形波导的TE10模式转为圆波导TM01模式，作为信号的传输模式；在圆波导中选择合适的激励位置，使圆波导中的TM01模激励最大，同时基模激励最小，再通过选取合适的圆波导短路位置，再次对基模加以抑制，使关节用TM01模式作为信号传输模式，且TM01模式不是圆波导传输的基模(基模为TE11)；关节接口采用BJ84矩形波导，尽量提高关节的功率容量。

2 主要组成部件仿真

2.1 X频段关节模式激励部分设计及仿真

X频段关节的主要关键技术在于如何激励TM01模式，同时避免激励TE11模式。选择在圆波导的合适位置开耦合孔以达到对TM01的激励，同时选择合适的短路桶高度以对TE11模式进行抑制。短路桶的高度决定了对TE11模式的抑制度以及对TM01模式的激励程度。图2为半个X频段关节的组成仿真模型，其驻波曲线计算结果已降至-30 dB以下。因关节属于上下对称结构，计算好半个关节后，将关节整体组合起来的电气性能不会改变，再经过进一步优化计算，使整个关节的电气性能处于优良状态。

图2 X频段关节部分仿真图

2.2 S频段关节设计及仿真

2.2.1 二功分器

S频段关节需要采用对称激励的形式，这里需要同轴波导转矩形波导的二功分器，使同轴线的基本模式可以被激励出来，同时使得同轴线中第一个高次模式被抑制[4]。这种同轴波导转矩形波导的二功分器的计算结果如图3所示，单个部件反射损耗已降至-38 dB以下。

图3 同轴波导转矩形波导的二功分器仿真图

2.2.2 魔T

当同轴线中的信号被分别耦合进矩形波导后，再利用魔T将分别耦合出来的信号合成并输出，仿真结果如图4所示，单个部件反射损耗已降至-27 dB以下。

图4 魔T仿真驻波曲线

2.2.3 波导弯头

同轴波导转矩形波导的二功分器的矩形波导端口尺寸与魔T的矩形波导尺寸是不同的，因此需要矩形波导过渡将两者连接起来，需要使用到波导弯头，仿真计算结果如图5所示，单个部件反射损耗已降至-34 dB以下。

图5 波导弯头过渡驻波仿真曲线

2.2.4 S频段关节

当设计完单个部件后，将它们组合在一起，仿真结果如图6所示，半个关节的反射损耗已降至-28 dB以下。

图6 S频段关节驻波仿真曲线

2.3 双频关节扼流槽

扼流槽是关节不可缺少的部分，扼流槽会改变关节的电气性能，因此在S/X双频段旋转关节的设计中，对扼流槽的排布是一个需要认真分析的问题，同时考察关节两个通路在具备扼流槽后的电气性能也是双频关节设计中的重点工作。

关节中使用的扼流槽有两种，即S型扼流槽和L型扼流槽。该双通道关节根据各个关节通路的排布形式，选择不同的扼流槽，并在关节底部转动处使用改进L型扼流槽[5]。

3 主要指标仿真结果

3.1 X频段关节

X频段关节功率容量仿真结果如图7所示(输入功率1 000 W)。

图7 X频段旋转关节功率容量仿真结果

X频段关节驻波仿真结果如图8所示。

图8 X频段关节驻波仿真结果

X频段关节损耗仿真结果如图9所示。

图9 X频段关节损耗仿真结果

3.2 S频段关节

S频段关节功率容量仿真结果(输入功率1 000 W)如图10所示。

图10 S频段关节功率容量仿真结果

S频段关节驻波仿真结果如图11所示。

图11 S频段关节驻波仿真结果

S频段关节损耗仿真结果如图12所示。

图12 S频段关节损耗仿真结果

从上面的曲线与图表可以看到，双频关节在S/X频段电气性能的计算仿真结果均能满足指标要求。

4 结束语

S/X双频关节目前还没有成熟产品，在结构实现与电气设计上均存在技术上的难点。本文针对各技术难点提出了高质量的解决方案，并进行了初步方案设计。通过仿真计算和优化设计，双频关节的电气性能均优于指标要求。在本方案的基础上，通过进一步设计，可以产出满足系统指标要求的双频旋转关节。

[1] Im E,Durden S L,Wu C,et al.The 94GHz cloud profiling radar for the cloud satmission[A].2001IEEE Aerospace Conference Proceedings[C].March,2001,10-17.

[2] 杨可忠.特殊波束面天线技术[M].北京:人民邮电出版社,2009.

[3] Johansson J F.A Gauss-laguerre analysis the dual-mode Horn[A].Proc.Int.Symp.Space Thz Tech[C].UCLA,1993:134-138.

[4] Chen Y,Chen A X,Su D L.The optimization design of the pickett potter Horn antenna for KaBand[A].2008 Asia-Pacific Symposium on EMC&19th International Zurich Symposium on EMC[C].2008:19-22.

[5] MizusawaM,KitsuregawaT.A beam-waveguide feed having a symmetric beam for Cassegrain antennas[J].IEEE Trans.AP,1973,21(6):844-846.

Simulation and Design on S- and X-band Rotary Joint

Mao Nanping，Pan Gaofeng，Pan Guoping，Li Qifu

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department, Jiangyin 214431, China)

To resolve the technology problem that S- and X-band antenna in integrated construction couldn’t transmit upstream power at the same time, the antenna feed system was analyzed, including reflecting surface of the antenna, S- and X-band feed source, S- and X-band dual-band rotary joint and so on. The technology difficulties of the configuration implement and the electric design were presented, and the resolving scheme about the technology difficulties was designed. For the electric design, TM01 mode was the main transmitting mode for the X-band circular waveguides, and TEM mode was the transmitting mode for the S-band coaxial waveguides; for the configuration implement, dual-channel coaxial nested shape was used. The design on dual-band rotary joint was gained, and the simulation result was also satisfactory. By calculating, simulating and optimizing, the performance of the proposed dual-band rotary joint exceeds the product qualification. An application of the S- and X-band antenna in integrated construction proposed shows that S- and X-band antenna in integrated construction can transmit upstream power at the same time, and a space-ground TT&C loop is formed.

S- and X-band antenna in integrated construction； rotary joint； circular waveguide； electric performance

2016-07-03；

2016-07-18。

毛南平(1971-)，男，江苏靖江人，高级工程师，主要从事航天测控总体技术方面的研究。

1671-4598(2016)12-0191-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.054

TN957

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