一种双频共馈系统的制作方法

1.本发明涉及一种双频共馈系统。属于天线设计技术领域。


背景技术：

2.ku波段的频率受国际有关法律保护，12-18ghz频段。ku波段卫星单转发器功率一般比较大，多采用赋形波束覆盖，卫星eirp较大，加上ku波段接收天线效率高于c波段接收天线，因此接收ku波段卫星节目的天线口径远小于c波段，从而可有效地降低接收成本，方便个体接收。
3.ka波段是电磁频谱的微波波段的一部分，ka波段的频率范围为26.5-40ghz。ka代表着k的正上方(k-above)，换句话说，该波段直接高于k波段。ka波段也被称作30/20ghz波段，通常用于卫星通信。
4.现有的天线设计中，对ku频段和ka频段需要同时工作的情况尚无较好的解决方案。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种双频共馈系统。
6.本发明一种双频共馈系统，包括馈源及反射面，所述馈源包括波纹喇叭、ka频段te21模耦合器、跟踪器合成网络、低通滤波器、kuka分波器、ka宽带正交器、ka收发双工器、收频90度电桥、发频90度电桥、正交接头、ku极化关节、ku极化电机、ku正交器、ku发阻滤波器、ku收阻滤波器；
7.所述低通滤波器数量为两个，分别连接在kuka分波器于正交接头之间，所述kuka分波器还与ka频段te21模耦合器及ka宽带正交器连接，所述ka收发双工器与ka宽带正交器、收频90度电桥、发频90度电桥连接，所述ka频段te21模耦合器与波纹喇叭、跟踪器合成网络连接，所述ku极化关节分别连接正交接头、ku极化电机、ku正交器，所述ku正交器还与ku发阻滤波器、ku收阻滤波器连接。
8.进一步的，所述反射面中采用环焦天线。
9.进一步的，所述波纹喇叭为带有变张角段的环加载波纹喇叭，波纹喇叭共分为三段，直波导段、变张角段、波纹段。
10.进一步的，所述ka宽带正交器为门扭式横向耦合宽带正交器结构，公共口为直径12mm的圆波导，出口为双脊波导形式。
11.进一步的，所述ka收发双工器是由低通和高通滤波器及t型接头构成的一个组合部件，用于将收发频段分开。
12.进一步的，所述kuka分波器用于将两个频段的信号分离开来，经过处理后送入各自频段的网络。
13.进一步的，所述ku正交器为一个三端口器件，其公共端口一般为圆波导或者方波导。两个分支输出口为矩形波导。
14.本发明一种双频共馈系统，相比于现有技术的方案，具有以下优点：
15.本发明的系统中，馈源采用ku频段ka频段喇叭及馈电网络共口径设计，其具有结构紧凑、体积小，系统组件少、信号遮挡面积小、可实现双频段同时工作等特点。
附图说明
16.图1为环焦天线的工作原理图。
17.图2为馈源原理图。
18.图3为波纹喇叭示意图。
19.图4为分波器原理图。
20.图5为te21模单脉冲跟踪网络原理框图。
21.图6为te21模单脉冲微波网络结构示意图。
具体实施方式
22.反射面设计
23.反射面天线的工作原理是利用光学中的聚焦特性，即在反射面的焦点位置上，放置一弱方向性的照射器(馈源)，ku频段馈源和ka频段馈源采用同轴嵌套方式。馈源向反射面投射电磁波，用几何光学的观点来说，即是朝反射面发出射线，这些射线再被反射面沿轴向反射出去，从而在轴向得到极强的辐射。
24.环焦天线结构示意图如图1所示，它具有效率高、副瓣低、结构紧凑、副反射面遮挡小、几乎不对馈源喇叭性能产生影响等优良性能。本方案采用3.7米赋形环焦天线。环焦天线的几何参数选择需要考虑馈源网络尺寸、馈源照射角、旁瓣电平、天线结构特性等。
25.综合以上因素，天线几何参数选择如下：
26.a.天线主反射面直径：dm＝3700mm；
27.b.天线副反射面直径：ds＝400mm；
28.c.照射副面半张角：θm＝40
°
；
29.馈源设计
30.馈源是天伺馈分系统的“心脏”,不仅决定了天线所能接收/发射的电磁波的带宽、极化方式等功能指标，还直接决定了接收和发射信号的优劣，进而影响到整个系统设备所能达到的效果。
31.采用宽带波纹喇叭及分波器等馈源网络实现天线在ku频段和ka频段的同时工作。馈源原理框图如图2所示。
32.以下详细设计中仿真曲线均给出了反射损耗，系统指标以驻波状态给出，两者间的换算关系为：
33.vswr＝＝(1 ρ)/(1-ρ)
[0034][0035]
vswr
‑‑‑
驻波
[0036]
ρ
‑‑‑
反射系数
[0037]
rl
‑‑‑
回波损耗(db)
[0038]
波纹喇叭设计
[0039]
本方案中采用的波纹喇叭如图3所示。为了保证喇叭能工作在ku/ka两个工作频段，我们采用带有变张角段的环加载波纹喇叭。
[0040]
波纹喇叭共分为三段，即直波导段、变张角段、波纹段。直波导段直接与馈源网络相连接，起到与网络与喇叭的匹配；变张角段的主要功能是调整模比，特别是ka发射频段的模比，因为喇叭口径很大，对于这个频段的模式非常多，因此必须要认真调整此段各个张角变换，以达到更好的平衡混合模；波纹段是将he11平衡混合模式按照设定的边缘照射电平辐射出去。
[0041]
本方案采用了变张角环加载的波纹喇叭形式。这种喇叭可以通过改变喇叭光壁段的突变角度来控制波导中传输模式的幅度比例和相位，从而控制喇叭的辐射方向图。此外，在喇叭的变张角段设置了环加载形式的波纹槽，这种波纹槽利用高低阻抗变换原理可以在很宽的带宽内激励并传输平衡混合模式he11模，因此具有良好的等化特性，其交叉极化性能也十分优秀。波纹喇叭仿真数据如表1所示。
[0042]
表1
[0043][0044][0045]
分波器设计
[0046]
本方案中的波纹喇叭馈源同时工作在ku/ka两个频段内，分波器的主要目的是将两个频段的信号分离开来，经过处理后送入各自频段的网络。
[0047]
分波器的原理框图如图4所示。通过对称耦合先将ku频段的能量从主通道中耦合出来，但耦合孔的存在势必会对ka频段的传输造成影响，因此需要在耦合孔外对称设置低通滤波器，用来抵消耦合孔带来的影响。耦合出来的能量经过一段波导传输后进入正交接头进入ku频段网络。而ka频段的能量则不经过耦合继续向后传输进入ka频段网络。分波器仿真数据如表2所示。
[0048]
表2
[0049]
频段驻波ku频段1.14ka频段1.16
[0050]
ku频段正交模耦合器设计
[0051]
正交模耦合器是一个三端口器件，其公共端口一般为圆波导或者方波导。两个分支输出口为矩形波导，其作用是将公共端口的两个正交的te11模式进行分离，分别转换成两个分支波导中的te10模式。ku正交器仿真数据如表3所示。
[0052]
表3
[0053]
频段驻波ku接收1.09ku发射1.08
[0054]
ka频段te21模跟踪网络设计
[0055]
作为单脉冲跟踪天线的核心部件，te21模单脉冲跟踪网络的性能是关键。te21模单脉冲跟踪网络由te21模耦合器和和差信号合成网络等组成。通过选择合适的圆波导直径，保证在te21模耦合器主波导中能够传输通信主模的同时只激励出两个简并的te21模差信号，更高阶的高次模截止。在te21模耦合器的圆波导壁上周期分布八组耦合孔，这八组耦合孔将圆波导中的te21模耦合到八个侧臂矩形波导中。为使得耦合最强，要求矩形波导中te10模的截止波长与圆波导中te21模的截止波长一样。八个侧臂矩形波导中的te10模信号经由功分器、90
°
移相器和3db电桥组成的差信号合成网络合成为两路左、右旋圆极化信号用于实现单脉冲跟踪。
[0056]
te21模单脉冲跟踪网络原理框图及te21模单脉冲跟踪网络的结构示意图如图5图6所示，图6中包括差信号合成网络1、te21模耦合器2。
[0057]
ka频段正交器设计
[0058]
为了分离两组正交的线极化，我们选用门扭式横向耦合宽带正交器结构，公共口为直径12mm的圆波导，出口为双脊波导形式，这种正交器可以完全满足17.7ghz-31ghz的全频带工作。每个极化采用对称耦合方式以增加耦合带宽。同一极化在出口处使用宽带脊波导魔t进行合成。在设计时我们尽可能压缩体积，减少电气长度。进行全模型综合仿真。ka正交器仿真数据如表4所示。
[0059]
表4
[0060]
频段驻波交叉极化两路相位一致性ka接收1.1370db0.2度ka发射1.1055db0.2度
[0061]
ka频段双工器设计
[0062]
收发双工器实际是由低通和高通滤波器及t型接头构成的一个组合部件，其主要作用是将收发频段分开。低通滤波器选择脊波导槽线式滤波器，高通滤波器则采用简单的窄缝耦合结构。配合hfss高频仿真软件进行优化设计。
[0063]
因为滤波器为大延时器件，因此其结构的微弱差距都将影响两路垂直极化的相位差。因此，为保证一致性，我们将采用此双工器作为特殊器件，采用特殊工艺进行配套生产，
测试过程也将进行配对组合的方式保证其相位一致性。ka双工器仿真数据如表5所示。
[0064]
表5
[0065]
频段驻波收频隔离发频隔离ka接收1.17
‑‑‑‑‑
109dbka发射1.12-120db
‑‑‑‑
[0066]
90度平衡混合电桥
[0067]
平衡混合电桥是实现圆极化的关键器件。其幅度与相位精度直接影响系统的轴比指标。我们采用波导多槽耦合结构来实现3db耦合器。ka90度电桥仿真数据如表6所示。
[0068]
表6
[0069]
频段驻波幅度不平衡相位不平衡ka接收1.040.2db0.2度ka发射1.050.3db0.2度
[0070]
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。