一种前馈三频段组合馈源设计与实现

董 哲，吴 旭

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

随着通信技术的迅速发展，作为通信前端的天线在通信系统中的重要性越来越突出。在实际应用过程中，天线数量的不断增加使得周围的电磁环境日趋复杂，天线不可避免地会受到电磁环境的干扰，并对天线建设布站提出了更高的要求[1]。因此，需要研制一种能够覆盖各频段的多功能频率复用的天线，以减少天线建设数量，并有效降低建设成本。

本文介绍了一种P、L、S三频段自跟踪前馈组合馈源,应用于前馈抛物面天线系统。P、L频段具有发射功能、S频段能够实现单脉冲自跟踪功能。馈源采用十字腔振子形式，通过网络处理实现不同功能。P频段采用单臂偶极子形式，L、S采用宽带十字振子形式，利用频率之间的差距结构上合理布局，合理控制间距实现天线的频率复用。众所周知单纯的采用一个宽带天线作为馈源天线效率必然会降低，因为宽带馈源无法覆盖到全频段内的馈源照射电子平和馈源照射角度。

本设计在天线效率方面优于宽带馈源，同时可以通过后端设备的处理实现自跟踪、侦察和干扰功能。研制出的组合天线馈源样机，在工程中进行应用验证了设计的可行性。

1 馈源的组成和原理[2-6]

P频段馈源采用4个单臂板线腔振子，4个单臂振子采用旋转馈电形式进行馈电。由外腔体、内腔体和4个单臂板线振子组成。4个单臂板线振子90°平均分布，4个振子在物理分布上相位差为90°，通过移向网络合成实现腔振子的辐射特性，移相网络和移相网络原理图如图1所示。

图1 移相网络和移相网络原理图

移相网络为两个和差器与3dB耦合器的组合网络，通过移相网络之间的相位差来补偿天线振子在物理空间的相位差从而实现网络合成，形成具有单十字腔振子的辐射特性。

P频段的内腔体作为L、S频段馈源的外腔体做为单脉冲自跟踪馈源。馈源仿真示意图如图2所示。

图2 L、S馈源仿真示意图

中间单元采用宽带十字振子，同时覆盖L/S频段，周围4个振子作为S频段单脉冲跟踪振子形成差方向图。

L、S和波束采用十字交叉振子形式，振子分为垂直和水平两个分量，在物理空间分布相位差为90°，通过3dB耦合器将十字交叉振子合成左右旋圆极化馈源。L、S馈源和信号合成网络原理如图3所示。

图3 L、S和信号馈源合成网络原理图

S频段差信号采用4阵元形式，4个阵元十字交叉分布，两两振子分布的物理相位差为180°，馈源在安装时与天线面的X轴和Y轴重合，通过相对阵元相减得到馈源的差方向图，差波束形成网络原理为振子1-1与3-1，振子1-2与3-2分别做减法，分别形成垂直和水平分量的差波束，再过差波束4功分圆极化器中内置3dB定向耦合器最终形成方位左右旋圆极化差波束，振子2-1和4-1、振子2-2和4-2同样可形成俯仰左右旋圆极化差波束。差波束形成网络原理如图4所示，差波束4功分圆极化器原理如图5所示。

图4 L、S和信号馈源合成网络原理图

P、L、S前馈自跟踪组合馈源结构示意图如图6所示。

P、L、S前馈设计参数为：馈源外腔体直径为600mm，腔体高度为90mm，内腔体直径为240mm，腔体高度为65mm。S频段自跟踪阵元间距为150mm约为中心频点的1.1λ0。

图5 S频段差波束4功分圆极化器原理图图6 P、L、S前馈自跟踪组合馈源结构示意图

2 仿真结果分析

根据上述馈源的设计，对该天线进行了仿真分析。P频段仿真结果如图7、图8所示。由仿真结果可以看出天线驻波带宽能够达到22%，在照射角为61°时照射电平为-18dB，这样天线可以获得较好的第一旁瓣特性。L、S和波束仿真结果如图9、图10、图11所示。

图7 P频段馈源电压驻波比仿真结果图

图8 P频段馈源方向图仿真结果图

图9 L、S频段馈源电压驻波比仿真结果图

图10 L频段馈源和方向图仿真结果图

图11 S频段馈源和方向图仿真结果图

图12 S频段馈源差方向图仿真结果图

通过仿真结果可以看出，组合馈源在L、S频带内有较好驻波特性带内驻波均小于2.5。L频段馈源方向图在61°照射角度内照射电平在-8dB左右，根据设计经验当照射电平在-8dB～12dB时可以得到最优的天线效率。但是随着频率的增加到S频段天线照射电平会达到-20dB，虽然天线不能得到最优的效率但是在S频段会获得较好的旁瓣特性。

对S频段差波束进行仿真分析，仿真结果如图12所示。仿真结果可以看出S频段馈源差波束方向图在照射角度内具有良好的照射电平，差零深能够达到-55dB，满足自跟踪的指标要求。

根据仿真结果，研制出组合馈源样机，并对馈源进行了测试，安装于天线面上实测方向与仿真结果基本一致。

3 结论

本文给出了一种多频组合前馈馈源的设计方法，馈源采用腔振子原理进行设计，根据频段跨度较大的特点，采用组合形式进行设计，充分利用空间复用技术，大大改善宽带馈源不能在全频段内兼顾的缺点，提高天线的辐射效率。天线结构简单容易实现，成本低廉性能良好。通过电磁仿真软件分析，结果表明，该天线性能良好。并且在实际工程应用中验证了设计的可行性，天线系统指标优良。