L／S／C三频段波纹喇叭耦合L频段差模的研究

邓智勇 张文静 李 勇

（1.河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄050081；2.中国电子科技集团第54所，河北 石家庄050081）

引 言

随着卫星通信天线技术的快速发展，通信业务量与日俱增，对于多频共用卫星通信地球站天线需求越来越多，多频共用技术也就成为了卫星通信天线一个重要的发展方向.由于双频共用和多频共用卫星通信地球站天线具有通信容量大、一站多用、结构紧凑、成本低的特点［1］，因此成为了当前研究的热点，其关键技术也在于多频共用馈源的研究.大多数地球站天线要求具有指向跟踪能力，即保证天线始终对准绕地球旋转的卫星.目前，天线跟踪方式主要包括［2］：圆锥扫描跟踪、步进跟踪、程序引导跟踪、单脉冲跟踪等方式.其中单脉冲跟踪［3］以其精度高、速度快等特点而被广泛应用于跟踪中、低轨卫星通信天线中.单脉冲跟踪系统设计的关键是差模馈源的研制，目前应用比较多的差模馈源方式如下所示：

1）四喇叭合成方式.这是一种原理分析清晰、加工容易且比较实用的方式，但是在双频段或多频段馈源天线中应用这种结构导致天线的照射效率低，且最大的缺点是这种方式使频段与频段之间的波束指向偏差比较大，在双频段或多频段实时跟踪时，使得两个频段之间切换效率变慢.

2）圆波导TE21模方式.这是一种原理分析清晰、天线照射效率高、和差波束一致性比较好的方式，但它的缺点是：第一、由于TE21模耦合器采用8臂耦合波导合成结构，8根矩形波导通过8排小孔与圆波导耦合，导致加工复杂、结构尺寸大；第二、这种跟踪方式大部分只适合于单频段跟踪，若使用在双频段上如C／Ku上，C频段采用这种跟踪方式，那么就会导致Ku频段无法正常工作，因此这种跟踪方式不适用于双频段或多频段跟踪.

3）圆波导TM01模方式.此方式结构简单紧凑、成本低廉、极化调整方便，但是此跟踪方式缺点是：工作频带比较窄，只能跟踪圆极化信标卫星，无法跟踪线极化信标卫星.

4）波纹喇叭槽内耦合差模方式.此方式［4-5］具有结构紧凑、体积小等特点，因此多频段同时差模跟踪馈源的研究在工程应用上有着非常重要的价值.

比较早使用波纹喇叭耦合技术的是Goldstone深空网（Deep Space Network，DSN）喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的64m天线上改造S／X双波段馈源，由Seymourchn提出了S／X双频段组合器的原理与设计方法.在加州戈尔德斯顿25m深空站（Deep Space Network，DSS-25）上安装了一套X／Ka多频段馈源，X、Ka频段系统都具有发射和接收功能，X频段发射与接收频率是在开槽壁上实现的，并且对于Ka频率几乎没有影响.国内在波纹喇叭内耦合出信号的技术研究与工程应用较早的是中国电子科技集团第39所李绍友、张成全等同志，他们对S／X、双频段馈源进行了分析、计算、设计及调试工作，并把这种技术广泛应用到遥测天线［6］.

本论文在前人设计出的传输主模HE11模双槽深波纹喇叭基础上进一步技术探索，使得双槽深波纹喇叭同时具有传输三频段主模信号和分离出差模信号的作用.从而在双槽深波纹喇叭馈源内，实现了高性能宽频带工作性能，同时又实现了单脉冲跟踪功能.

1 理论分析

1.1 L／S／C三频段波纹喇叭的分析

如图1所示，与传统的波纹喇叭［7-8］结构相似，L／S／C三频段波纹喇叭分为5个部分：光壁过渡段、模变换段、变频段、变角段及辐射段.为了更好地设计出L／S／C三频段波纹喇叭，本文分析了波纹喇叭的导纳和波纹喇叭到天线副反射面边缘照射的幅度与相位等参数.

图1 L／S／C三频段差模跟踪馈源原理框图

L／S／C三频段波纹喇叭的工作频带接近6个倍频，所以L／S／C三频段波纹喇叭部分双槽深结构［9］如图2所示.图中，P为双槽深结构的槽周期；W为槽宽；t为槽齿厚；d1为深直槽深度；d2为浅直槽深度；a为内壁半径.

图2 部分双槽深结构示图

在模变换段内的每个周期由1个环加载槽、1个直槽组成，其中环加载槽工作于低频段、直槽工作于高频段，在L／S／C三频段波纹喇叭内其他段的每个槽周期由1个深直槽和1个浅直槽组成.在模转换段的入口与出口的口径尺寸选取上主要参照James模型［7］，入口槽半径要求Kha1＝2.7～3.4，出口槽半径要求Kha2＞3.5，但L／S／C三频段波纹喇叭工作频带跨度大，在模变换段口径上尽量选取小，这样有助于抑制高频段的高次模式.经过综合考虑选取L／S／C三频段波纹喇叭的槽周期为14 mm、槽宽为4.9mm、槽齿厚为2.1mm.由于双槽深波纹喇叭每个槽周期的导纳［9-10］是由两个单槽导纳并联组合成的，因此在这个波纹喇叭选取双槽深参数的时候，尽量使L／S／C三频段波纹喇叭的导纳在模变换器的入口和波纹喇叭的出口处选取合适.通过理论计算得出模变换器的入口导纳Y，如表1所示.从模变换器的入口导纳数据可以看出所有频段内导纳绝对值都大于20，从工程经验上来说只要导纳绝对值大于20，就可以认为模变换器的入口趋近于光壁圆波导，证明波纹槽参数的选取是合适的.波纹喇叭出口的导纳如表2所示，从数据可以看出在波纹喇叭出口S频段内的导纳绝对值大于6，由于对S频段电气性能的设计指标要求不高，因此，对于S频段在L／S／C三频段波纹喇叭内传播性能等同于光壁圆张角喇叭.L、C两个频段导纳的绝对值都在1左右，能够保证L、C两个频段在L／S／C三频段波纹喇叭内的辐射特性良好.

表1 模变换器的入口导纳Y

表2 波纹喇叭的出口导纳Y

根据天线照射效率的要求这里需要考虑到初级馈源遮挡影响天线效率的问题，因此，波纹喇叭与天线副反射面的距离不能太近.根据以往波纹喇叭的设计经验和天线的电气性能指标要求，最后选取L／S／C三频段波纹喇叭的口面槽参数为：喇叭口面半径为317.5mm，θh＝13°，相心距口面为880mm.L／S／C三频段波纹喇叭利用球面波展开法［7］计算，得出喇叭口面到天线副反射面边缘照射幅度与相位结果，如表3所示.

表3 喇叭口面到天线副反射面边缘照射幅度与相位

从计算出的数据可以看出，L／S／C三频段波纹喇叭槽参数选取是比较合适的，基本满足天线电气性能指标要求.

1.2 L频段差模跟踪信号的分析

根据L／S／C三频段共用双槽深波纹喇叭内的槽参数来设计分析L频段跟踪网络.由双槽结构三频段共用波纹喇叭馈源的槽参数求解L频段差模信号等效导纳Y差.在三频段共用波纹喇叭馈源模变换段内，模变换段由环加载槽和直槽组成，差模信号HEmn（m＝2、n＝1）等效导纳Y差计算公式为

式中：

Jm（x）、Nm（x）分别为m阶贝塞尔函数和诺依曼函数；λ为自由空间的波长；λc为截止波长；a为槽口处的内壁半径；b1为环加载槽槽口宽度；b2为直槽槽口宽度；W1为环加载槽的宽度；h1为环加载槽深度；h2为直槽深度.

在L／S／C三频段共用波纹喇叭馈源的变频段、变角段、辐射段都是由深直槽和浅直槽组成的，并且在同一个槽周期内深直槽和浅直槽的槽宽度相等，差模信号HEmn（m＝2、n＝1）等效导纳Y差计算公式为

式中：

Y3为深槽的等效壁导纳；Y4为浅槽的等效壁导纳；b为深浅直槽的槽宽；a为槽口处的内壁半径；h3为深直槽深度；h4为浅直槽深度.

将L频段差模信号等效导纳代入由表面阻抗法导出的波纹波导特征方程，求解出L频段差模信号HEmn（m＝2、n＝1）特征值［7］，有

将求解出的L频段差模信号特征值k0a代入公式

可以得出每个槽周期内的L频段差模信号的传播常数β差，再根据L频段差模信号的传播常数判断出L频段差模信号临界截止点的位置［2］.判断方式为：当β差为实数时，表示L频段差模可以在波纹槽内传播；当β差为虚数时，表示L频段差模不可以在波纹槽内传播；当β差＝0时，表示L频段差模在波纹槽内为临界截止点.

然后由L频段差模信号的临界截止点的位置与L频段差模信号的传播常数β差，计算出L频段差模信号的波腹点，公式如下：

式中：S为从临界截止点开始数的第S槽；n为从临界截止点开始数的第n个波腹点；λ为自由空间波长.

在L频段差模信号波腹点处的波纹喇叭槽底圆周上均匀依次开设有第一至第八耦合口，每个耦合口之间的夹角为45°，耦合口耦合出L频段的差模信号即是HE21模信号，八路差模信号经馈线合成，输入跟踪接收机.

2 实验结果分析

2.1 仿真与实测结果分析

通过理论计算得出耦合口的位置、差模端口矩形波导尺寸、耦合口、低通块模滤波器的结构尺寸.由于L／S／C三频段波纹喇叭频带比较宽，对于高频段而言喇叭的电尺寸比较大，导致运算数据量比较大，在champ软件中仿真计算L／S／C三个工作频段的主模方向图和主模电压驻波比，而在ansoft软件中仿真计算差模方向图，建立一个拥有L频段单脉冲跟踪能力的L／S／C三频段共用双槽深波纹喇叭的模型，此仿真模型与实测场景一样，这里主要仿真计算L跟踪频段的差模方向图、L跟踪频段的主模方向图、差模端口电压驻波比、差增益、差零深等参数.对仿真运算比较好的模型，进行了实物加工与测试.仿真结果与实测结果的图形相比较趋势吻合，L频段主模与差模端口之间隔离小于-25dB，其他频段主模与差模端口之间隔离均小于-30dB.在L频段1.16～1.6GHz内主模电压驻波比小于1.5，其他频段主模电压驻波比小于1.2.

图3给出了波纹喇叭在L、S、C三个工作频段的高、低频点和方向图仿真与实测结果.图3（b）、（d）和方向图仿真与实测结果差别不是很明显，但图3（a）、（c）在17°照射角范围内实测与仿真边缘电平结果差别比较大，产生差别的原因主要有以下几个方面：第一，和方向图仿真数据是波纹喇叭在波纹槽底没有开耦合口之前仿真计算结果，而实测数据是波纹喇叭在波纹槽底开了L频段差模耦合口的情况下实测的结果，可能在抑制L频段主模信号采取一些措施（如更改耦合槽的槽参数与低通块模滤波器等）还不够完善，导致部分L频段主模能量也从差模耦合口［11］溢出，从和方向图照射电平也反映出耦合口对L／S／C三频段波纹喇叭的性能还是有一定的影响；第二，由于L／S／C三频段波纹喇叭尺寸比较大，保证喇叭的加工精度有一定难度，尤其是在带环加载的双槽深结构形式的模变换段加工难度更大，加工精度不是很好的话，也会对L／S／C三频段波纹喇叭的性能产生一些影响；第三，在测试过程中也会产生一些测试误差.

图3 L／S／C三频段波纹喇叭和方向图仿真与实测结果

图4主要描述了L频段跟踪频带的高、低频点和差方向图仿真与测试结果，从图4（a）1.55GHz和差方向图仿真结果看出差增益是8dB左右，差零深大于30dB；从和差方向图实测结果可以看出差增益是16dB左右，差零深大于30dB.从图4（b）1.57GHz和差方向图仿真结果可以看出差增益是9dB左右，差零深大于30dB；从和差方向图实测结果可以看出差增益是16dB左右，差零深大于30dB.

图4 L频段跟踪网络方向图仿真与实测结果

从图4看出和方向图在17°照射角范围内实测边缘电平与仿真结果基本吻合，实测差增益结果比仿真结果低7dB左右，误差来源为以下两个方面：第一，因为仿真模型与实测两者馈线不同，仿真模型采用波导馈线合成方式，基本上没有馈线损耗，实测时采用电缆与微带合差器馈线合成方式，电缆和微带合差器大约有3dB左右的损耗；第二，加工误差引起开耦合口的位置与实际位置有点偏差，导致耦合能量的减弱；第三，测试环境和测试误差带来的误差.

2.2 L／S／C三频段波纹喇叭加工实物图

实测L／S／C三频段波纹喇叭见图5.

图5 L／S／C三频段波纹喇叭

3 结 论

以L／S／C三频双槽深波纹喇叭为研究对象，在双槽深结构形式的一个槽底开差模耦合口，耦合出L／S／C三频波纹喇叭内L频段高次模HE21模的能量，实现了天线单脉冲跟踪功能.论文研究从L／S／C三频双槽深波纹喇叭内取出差模信号，同时尽量减小对L／S／C三个工作频段主模信号的影响，通过大量的研究试验工作，实现了天线单脉冲自跟踪功能，满足天线跟踪精度的要求，天线的其他电气性能指标基本满足设计要求.这项研究技术已经应用到实际的工程系统中，天线运行良好，为多频段跟踪天线的研究提供了一种设计方法.

［1］张玉珍.Ku／Ka多频段馈源的分析与设计［D］.成都：电子科技大学，2011.ZHANG Yuzhen.A Design and Analysis of Ku／Ka Dual Band Feed［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2011.

［2］邓智勇，张文静.C波段差模耦合波纹喇叭［J］.电波科学学报，2012，27（3）：615-619.DENG Zhiyong，ZHANG Wenjing.C-band differential mode coupling corrugated horn［J］.Chinese Journal of radio Science，2012，27（3）：615-619.（in Chinese）

［3］张凤林，丁晓磊，刘 昊，等.1～12GHz单通道单脉冲跟踪天线［J］.电 波科学学报，2009，24（3）：427-431.ZHANG Fenglin，DING Xiaolei，LIU Hao，et al.The fields excited by 1～12GHz single channel monopulse tracking antenna［J］.Chinese Journal of radio Science，2009，24（3）：427-431.（in Chinese）

［4］章日荣，杜 彪.旁臂耦合式双波段波纹喇叭［J］.无线电通信技术，1993，19（3）：13-23.ZHANG Rirong，DU Biao.The dual band corrugated horn of side coupling［J］.Radio Communications Technology，1993，19（3）：13-23.

［5］CHEN J C，STANTON P H，REILLY H F Jr.X／X／Ka-band horn design［C］／／Antennas and Propagation Society International Symposium.Baltimore，July 21-26，1996：2022-2025.

［6］邓智勇.波纹喇叭差模耦合技术的研究［D］.西安：西安电子科技大学，2011.DENG Zhiyong.Research on the Differential Mode Coupling Technology in Corrugated Horn［D］.Xi’an：Xidian University.（in Chinese）

［7］杨可忠，杨智友，章日荣.现代面天线新技术［M］.北京：人民邮电出版社，1993：374-411.

［8］章日荣，杨可忠，陈木华.波纹喇叭［M］.北京：人民邮电出版社，1988：28-57.

［9］DU Biao，ZHANG Wenjing，YANG Kezhong.A Novel Dual-slot structure mode converter for L／C dualband corrugated horn［C］／／IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium，2004，3：3341-3344.

［10］CLARRICOATS P J B，OLVER A D.Corrugated Horns for Microwave Antennas［M］.Stevenage：Peter Peregrinus Ltd，1984.

［11］汪柳平，高攸刚.有孔矩形腔的屏蔽效能及其对谐振抑制研究［J］.电波科学学报，2008，23（3）：560-564.WANG Liuping，GAO Yougang.Analysis of shielding effectiveness for rectangular cavity with apertures and resonance suppression［J］.Chinese Journal of radio Science，2008，23（3）：56-564.（in Chinese）

［12］陈明勇，窦文斌.Ka波段径向波导功率合成网络［J］.电波科学学报，2010，25（4）：745-748.CHEN Mingyong，DOU Wenbin.Power combiner using radial waveguide at Ka-band［J］.Chinese Journal of radio Science，2010，25（4）：745-748.（in Chinese）.