S/X/Ka三頻饋源設計及實現

王珂+王萬玉+毛偉+曹艷華+趙家順

摘 要：文中設計并實現了一種S/X/Ka三頻饋源，該饋源采用五喇叭組合饋源結構，中間為X/Ka雙頻段波紋喇叭，S頻段饋源是分布在X/Ka雙頻段饋源外圍的四喇叭。測試結果表明，所設計的三頻饋源在整個工作頻段內具有高增益、高極化鑒別率等特性。滿足S/X/Ka遙感衛星地面接收系統的技術需求。

關鍵詞：三頻饋源；波紋喇叭；分波器；饋源結構

中圖分類號：TN927；TN82；TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）05-00-03

0 引 言

隨著對地觀測技術及遙感應用需求的發展，對遙感衛星地面數據接收系統的要求也日益提高，更寬頻段、更高頻率、雙頻或多頻共用技術已成為新的技術發展趨勢[1]。饋源是地面數據接收系統的重要組成部分，其性能直接影響著整個地面數據接收系統的性能。

用于接收高碼速率、低軌遙感衛星的饋源需具有較寬的工作帶寬、高增益、高極化鑒別率和高跟蹤精度等能力[2，3]。同時需具備多頻共用以滿足多星接收，提高地面接收系統利用率的需求[4]。高性能、多頻段、寬頻帶、低軸比的S/X/Ka三頻自跟蹤饋源研制的技術難度較大，如何保證饋源所有頻段滿足工程技術要求是一項關鍵技術。

依據實際工程任務的技術需求，本文設計并實現了一種具有高增益、高極化鑒別率、低旁瓣性能與單脈沖跟蹤功能的S/X/Ka三頻段饋源。

1 S/X/Ka饋源設計

1.1 饋源結構

饋源結構采用三頻段五喇叭組合饋源體制，中間為X/Ka雙頻段單噴口小張角波紋喇叭，S頻段饋源是分布在X/Ka雙頻段饋源外圍的四喇叭。

S頻段饋源由四個切角喇叭加切角補償段輸出，分別與各自的極化器相連，最后通過合成網絡形成S頻段的左、右旋圓極化的和路和差路信號。

X/Ka雙頻段饋源采用單噴口單槽深小張角波紋喇叭，由X/Ka波紋喇叭、跟蹤器、分波器、圓波導極化器、移相器、濾波器、正交器等組成。其中，X頻段饋源網絡采用單排八孔TE21模耦合器與組合魔T實現跟蹤功能，和路射頻信號由分波器分離之后再由正交接頭合成，在此過程中通過±45°波導移相器實現圓極化，然后采用圓波導正交器將左、右旋射頻信號分離；Ka頻段饋源網絡采用八臂多孔跟蹤器跟蹤，和路射頻信號由圓波導極化器實現圓極化，然后采用圓波導正交器將兩正交的圓極化射頻信號分離出來。

這種組合饋源結構有利于實現X/Ka波段寬頻帶低軸比的技術要求，能夠設計出性能優越的饋源。S/X/Ka三頻段饋源組成框圖如圖1所示。

1.2 X/Ka頻段饋源部件設計

1.2.1 高性能波紋喇叭的設計

要在整個X/Ka頻段內實現低軸比，同時確保高增益、低旁瓣性能，饋源喇叭種類的選擇和優化設計是關鍵。波紋喇叭因具有頻帶寬、交叉極化分量低、電壓駐波比好，且具有在整個使用帶寬內近于不變的旋轉對稱的波束寬度等優點而成為首選[5，6]。

一般設計的波紋喇叭其縱向和橫向尺寸均大于所采用的光壁圓錐喇叭，由于在它的外圍緊密排列著四個S頻段的切角喇叭，如果尺寸變化較大，為避免二次遮擋效應，勢必要減小外圍喇叭的尺寸，從而影響到S波段的整體性能。因此，X/Ka頻段饋源采用單槽深小張角波紋喇叭。

1.2.2 跟蹤器設計

X頻段饋源網絡采用單排八孔TE21模耦合器與組合魔T實現跟蹤功能。與多孔跟蹤器相比，單孔跟蹤器可非常方便的在跟蹤支路的耦合孔外添加低通濾波器，抑制Ka頻段的和、差信號進入X頻段跟蹤器的差網絡內，經優化設計可避免跟蹤器對Ka頻段性能指標產生不良影響。但對于X頻段而言，單孔跟蹤器僅有一個耦合孔，它對于X頻段的主模和跟蹤模式的耦合度差距并不明顯，因此，在耦合主模信號的同時，必然耦合一定量的和模信號，從而產生較大的X頻段和模損失，增大了X/Ka頻段饋源的損耗與天線X頻段的噪聲溫度，同時也降低了天饋系統的G/T值。因此，必須采取合理的處理措施。

設計時通過優化設計耦合孔相關尺寸，降低了跟蹤器耦合孔對于X頻段主模的耦合度，將耦合損失控制到系統G/T值余量的容許范圍內。在X跟蹤器與魔T之間設置了群島式低通濾波器以抑制X跟蹤器對Ka頻段的影響。

Ka頻段饋源網絡采用八臂多孔跟蹤器實現跟蹤，和路射頻信號由圓波導極化器實現圓極化，采用圓波導正交器將兩正交的圓極化射頻信號分離出來。

1.2.3 X/Ka分波器

X/Ka分波器是X/Ka雙頻饋源分波技術的核心器件，其設計形式和技術性能指標直接決定了雙頻饋源的功能實現和技術性能。分波的優化設計可使X和Ka頻段得到有效分離，兩頻段雖然處于同一個單噴口饋源網絡內，但互不影響。

設計時采用四路對稱式分波器，并對波紋喇叭、分波器的張角及耦合孔、濾波器進行綜合優化設計，控制X、Ka頻段高次模式的影響，抑制有害高次模式，控制固有高次模式，利用有利高次模式，大大降低了極化器前的交叉極化分量，使兩頻段的軸比，尤其Ka頻段的軸比性能得到有效提升。

1.2.4 高性能移相器的設計

要實現低的圓極化軸比，必須采用高性能的移相器件。微波器件的性能是設計、加工、安裝、調試等多個環節共同作用的結果。高性能移相器的設計在綜合分析技術需求、各類移相器的性能及加工、安裝、調試等因素后，X頻段采用具有優秀幅度-相位-頻率響應且環境適應性良好的±45°波導移相器；Ka頻段采用波紋波導和臺階組合式移相器，該移相器具有優秀的幅度-相位-頻率響應和環境適應性。

1.2.5 正交器的設計

正交器完成公共端口中兩個相互正交的線極化信號的分離，并將它們傳給相互正交的兩個單一模式的信號端口。選用的正交器的駐波、隔離度實測結果為7.95～8.95 GHz，反射系數<-28.2 dB（電壓駐波比1.081∶1），隔離度<-53.11dB。

1.3 S頻段饋源部件設計

饋源采用四喇叭模式，四個喇叭分布在X/Ka雙頻段饋源外圍。四個切角喇叭加切角補償段輸出分別與各自的極化器相連，最后通過合成網絡形成S頻段的左、右旋圓極化的和路與差路信號。

文中采用隔板式極化器。隔板極化器是一個三端口的波導器件，具備同時完成線極化到圓極化轉換以及左、右旋圓極化分離的雙重功能，可減小饋電系統尺寸，便于現場安裝。

合成網絡采用帶狀線形式，由寬帶魔T和3 dB電橋組合分別輸出和、差信號。帶狀線組合網絡的外殼設計成金屬盤，帶狀線內導體全部包含其中，大大縮小了合成網絡的物理尺寸，也減少了不必要的電纜連接。S頻段饋源合成網絡結構示意圖如圖2所示。

2 測試結果

設計的S/X/Ka饋源已用于實際工程項目中，饋源與12米修正型卡氏天線組裝后的測試結果見表1，表2，表3所列。

測試結果表明，天饋系統的電氣和結構設計合理，性能指標完全滿足頻率復用高碼速率遙感衛星地面接收系統的技術需求。

3 結 語

S/X/Ka三頻段饋源采用5喇叭結構，其中X/Ka雙頻段饋源采用單噴口單槽深小張角波紋喇叭，S頻段饋源是分布在X/Ka雙頻段饋源外圍的四喇叭。該饋源具有高增益、高極化鑒別率、低旁瓣性能等特性，并具備單脈沖跟蹤功能。

該饋源已用于相關的工程項目中，測試結果滿足S/X/Ka遙感衛星地面接收系統的技術需求。

參考文獻

[1] 詹英，張文靜，楊林，等.一種新型雙頻段共用饋源設計[J].無線電通信技術，2015，41（2）：47-50.

[2] 王萬玉，張寶全，劉愛平，等.頻率復用高碼速率遙感衛星數據接收系統設計[J].電訊技術，2012，52（4）：423-428.

[3] 王永華，王萬玉.S/X/ka頻段天伺饋系統關鍵技術分析[J].電訊技術，2013，53（8）： 1058-1063.

[4] 朱維祥，王萬玉，馮旭祥.遙感衛星地面接收系統一體化設計[J].現代電子技術，2015，38（9）：73-76.

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