Ｘ波段收發(fā)共用雙圓極化饋源設(shè)計(jì)

摘 要：介紹的X波段收發(fā)共用雙圓極化饋源是為了拓展海外市場(chǎng)新研制開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。工作頻段：接收頻段7.25～7.75 GHz，發(fā)射頻段7.90~8.40 GHz。該頻段目前在我國(guó)尚未應(yīng)用，但隨著我國(guó)軍事事業(yè)的發(fā)展，該頻段在我國(guó)的應(yīng)用為時(shí)不遠(yuǎn)。本文介紹該饋源的工作原理，設(shè)計(jì)方法及實(shí)測(cè)結(jié)果。該饋源具有低電壓駐波比、低插入損耗、高收發(fā)隔離度(在同極化和正交極化條件下)等特點(diǎn)，電器性能達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平。

關(guān)鍵詞：隔板極化器;無(wú)調(diào)配螺釘設(shè)計(jì);圓極化饋源;雙工器

中圖分類號(hào)：TN81 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0304602

Design for X—Band Couple Circular Polarization Feed being Possessed of Receive and Transmit

TIAN Xiaoxia

(No.39th Research Institute，China Electronic Science Technology Group Corporation，Xi′an，710065，China)

Abstract：The product of X— band couple circular polarization feed is researched in order to exploit the oversea market.Frequency range:receive 7.25~7.75 GHz，transmit 7.90~8.40 GHz.The band has not been applied in China at present，but with the development of our country military affairs，it is not too far for the band to be applied.Introducing design principle and method as well as measurement results.The advantages of the feed :low VSWR，low insertion loss and high isolation(at co—pol and cross—pol).The electricity performances of the feed reach to same level as same product abroad.

Keywords：clapboard polarizer;non—debugging bolt design;circular polarization feed;OMT

收稿日期：20070823

X波段收發(fā)共用雙圓極化饋源網(wǎng)絡(luò)為四端口網(wǎng)絡(luò)，雙收雙發(fā)，工作在圓極化狀態(tài)，可用于不同口徑天線。該饋源網(wǎng)絡(luò)主要有以下特點(diǎn)：工作頻帶寬，相對(duì)帶寬為14.6%;收發(fā)頻帶之間過(guò)渡帶寬僅有150 MHz，設(shè)計(jì)難度大;雙工器采用無(wú)調(diào)配螺釘設(shè)計(jì);

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一致性好。

1 饋源設(shè)計(jì)

X波段收發(fā)共用雙圓極化饋源采用先變極化，后分頻方案，主要由波紋喇叭、寬帶隔板極化器、雙工器組成。雙工器由E—T接頭、高通濾波器和低通濾波器組成。饋源實(shí)物圖見(jiàn)圖1，饋源原理圖見(jiàn)圖2。該饋源的初級(jí)輻射器采用大張角波紋喇叭，極化器為寬帶隔板極化器，高通濾波器、低通濾波器為膜片式濾波器。喇叭接收到的圓極化信號(hào)通過(guò)隔板極化器變?yōu)榫€極化信號(hào)，由低通濾波器傳輸給接收設(shè)備；發(fā)射機(jī)輸出的信號(hào)通過(guò)高通濾波器，由極化器變成圓極化信號(hào)從喇叭輻射出去。

圖1 饋源實(shí)物圖

圖2 饋源結(jié)構(gòu)原理圖

接收頻段與發(fā)射頻段之間過(guò)渡帶寬僅有150 MHz，收發(fā)隔離度要求≥70 dB(在正交極化和同極化條件下)，這是該饋源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中難度最大的地方。同時(shí)考慮大功率工作時(shí)三階交調(diào)，雙工器采用無(wú)調(diào)配螺釘設(shè)計(jì)。

1.1 喇叭的設(shè)計(jì)

大張角波紋喇叭以波紋面構(gòu)成喇叭的內(nèi)壁并且波紋槽垂直于喇叭的內(nèi)壁表面。大張角波紋喇叭具有以下良好性能：旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的幅度方向圖和相位方向圖;極低的交叉極化峰值電平;良好的匹配特性(一般VSWR＜1.1);極佳的低旁瓣特性;極寬的頻帶覆蓋。

圖3 大張角波紋喇叭

1.2 隔板極化器設(shè)計(jì)

采用輸出端口為方波導(dǎo)口、輸入端口為矩形波導(dǎo)口的隔板式極化器，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。他是在方波導(dǎo)中插入具有臺(tái)階的金屬隔板，通過(guò)調(diào)整臺(tái)階區(qū)域隔板的長(zhǎng)度l，使從矩形波導(dǎo)口輸入的TE10模功率通過(guò)臺(tái)階后一分為二，轉(zhuǎn)換成共用方波導(dǎo)中兩個(gè)正交的TE01和TE10模，對(duì)于TE10模，在隔板區(qū)域其傳輸常數(shù)幾乎不變；對(duì)于TE01模，隔板可以等效為脊波導(dǎo)，其傳輸常數(shù)隨隔板的形狀而變化，通過(guò)調(diào)整隔板的長(zhǎng)度和形狀，使兩個(gè)正交模式通過(guò)隔板區(qū)域后的相移差為π/2。根據(jù)極化器的移相特性及場(chǎng)型結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)左、右旋雙圓極化和收、發(fā)共用的功能。

圖4 隔板極化器結(jié)構(gòu)示意圖

隔板極化器要在收、發(fā)全頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)線圓可變，即所設(shè)計(jì)的極化器為寬帶隔板極化器，極化器的相對(duì)帶寬為14.6%。在設(shè)計(jì)時(shí)寬帶隔板極化器綜合考慮以下因素：電氣指標(biāo);與喇叭、濾波器的匹配;機(jī)械加工方便。

極化器的方口輸出口設(shè)計(jì)為圓矩過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)與喇叭匹配；極化器的兩個(gè)矩形口通過(guò)矩矩過(guò)渡、E面90°彎頭設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)與E—T接頭匹配。

隔板極化器經(jīng)過(guò)三次反復(fù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變隔離板的厚度和外形尺寸，電氣指標(biāo)得到良好的改善。在7.25～8.40 GHz收發(fā)頻帶內(nèi)隔板極化器最終測(cè)試結(jié)果為： 軸比≤0.37 dB，VSWR≤1.10，端口隔離度≥25 dB。圖5為隔板極化器軸比測(cè)試結(jié)果。

圖5 隔板極化器軸比測(cè)試結(jié)果

1.3 雙工器設(shè)計(jì)

雙工器由E—T接頭、高通濾波器、低通濾波器組成。高通濾波器和低通濾波器是該饋源網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部件，該饋源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的最大難點(diǎn)。發(fā)射通道內(nèi)確保發(fā)頻信號(hào)有效傳輸，抑制收頻信號(hào)通過(guò)；接收通道內(nèi)要確保收頻信號(hào)有效傳輸，抑制發(fā)頻信號(hào)通過(guò)。高通濾波器為接收頻帶提供一個(gè)等效短路面，低通濾波器為發(fā)射頻帶提供一個(gè)等效短路面，從而實(shí)現(xiàn)收發(fā)信號(hào)分離傳輸。

濾波器應(yīng)用切比雪夫等波紋頻率響應(yīng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)，用高頻電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS驗(yàn)證，采用在標(biāo)準(zhǔn)BJ84波導(dǎo)加對(duì)稱膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成。高通濾波器有11對(duì)膜片，長(zhǎng)27.6 cm，低通濾波器有15對(duì)膜片，長(zhǎng)38.9 cm。E—T接頭、高通濾波器和低通濾波器一體化后，長(zhǎng)度為69 cm。考慮機(jī)械加工因素，從濾波器寬邊中心線切開(kāi)，濾波器一分為二，這樣就降低了機(jī)械加工的難度。

濾波器的設(shè)計(jì)不是一次完成的，經(jīng)歷了多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。圖6為雙工器反射損耗測(cè)試結(jié)果，圖中帶數(shù)字的小三角表示收、發(fā)頻帶工作頻率的起、始點(diǎn)。

圖6 雙工器反射損耗測(cè)試結(jié)果

2 饋源網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果

為了確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性做了以下測(cè)試前的準(zhǔn)備工作：確保所有測(cè)試儀器均在有效期內(nèi);應(yīng)用頻率計(jì)對(duì)所有測(cè)試儀器進(jìn)行頻率校正;對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量使之滿足測(cè)試條件要求。 饋源網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 饋源網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

新研制的X波段收發(fā)共用雙圓極化饋源應(yīng)用于我所2.4 m環(huán)焦天線， 通過(guò)測(cè)試天線性能良好。該2.4 m天線系統(tǒng)已供給西班牙Indra公司，用戶反饋滿意。該饋源雙工器采用無(wú)調(diào)配螺釘設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)技術(shù)有新突破；技術(shù)含量高，有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；應(yīng)用于新頻段，具有良好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[1]李嗣范.微波元件原理與設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社，1982.

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。