限动天线天馈子系统介绍

安国利

内蒙古广播电视台 内蒙古 呼和浩特市 010050

限动天线天馈子系统介绍

安国利

内蒙古广播电视台 内蒙古 呼和浩特市 010050

天馈子系统是限动天线接收卫星信号最重要的系统，本文对该系统的馈源网络和主副反射面作重点介绍。

主副反射面曲线 馈源网络 主要技术参数

限动天线系统由天馈子系统、结构子系统和伺服控制子系统组成。天线系统组成原理框，如图1所示。其中，虚线左侧为室外单元，右侧为室内单元，红色部分为系统设备。天馈子系统包括馈源网络和主副反射面曲线；结构子系统包括主副反射体、极化旋转装置和天线座架；伺服控制子系统包括天线控制单元（ACU）、天线驱动单元（ADU）、驱动装置、轴角编码单元以及安全保护装置等设备。

天馈子系统是限动天线接收卫星信号最重要的系统，本文对该系统的主副反射面和馈源网络。

图1 天线系统组成原理

1 主副反射面曲线

为了实现天线的高效率、低旁瓣和低反射损耗等优良性能，采用赋形卡塞格伦天线。利用计算机优化设计技术，选用特殊的口面场分布函数和合理的副反射面边缘照射电平，对主、副反射面进行赋形优化设计，实现天线的高效率与低旁瓣特性的最佳折中。

以7.3m天线为例，如图2所示，主要几何参数如下：

（1）主反射面直径 Dm=7300mm，

（2）副反射面直径 Ds=730mm，

（3）主反射面边缘对主面焦点的半张角ψm=76°，

（4）副反射面边缘对馈源相心的半张角θm=25°。

图2 7.3m天线主副面曲线示意图

2 C频段馈源网络

馈源网络是整个天线的心脏，其性能好坏直接影响天线的射频性能。馈源网络由波纹喇叭和微波网络组成。

2.1 波纹喇叭

天线收发信号共用一个波纹喇叭，要求在收发频段上同时实现理想照射，具有旋转对称、低交叉极化的辐射方向图以及低电压驻波比特性。波纹喇叭由输入锥削段、模变换器、频率变化段、张角变化段和喇叭辐射段组成，其原理如图3所示。

图3 波纹喇叭原理方框图

模变换器的作用是将圆波导中的主模TE11模良好地转换为波纹波导中的主模HE11模，同时要保持良好的匹配和抑制有害高次模EH12模的产生。频率变化段和张角变化段主要完成频率和张角的变化，同时抑制有害高次模EH12模的产生。喇叭辐射段的作用主要是产生所需的副面边缘照射电平。其中模变换器是关键，为了展宽频带采用环加载的形式。整个波纹喇叭的外形，如图4所示。

图4 波纹喇叭外形图

由于波纹喇叭壁中波纹槽分布的场强很小，所以波纹喇叭可以承受大功率。由于工作频率高，对加工精度要求很高，采用专门的加工工艺保证加工精度。已研制的波纹喇叭达到了以下指标：在C频段电压驻波比VSWR＜1.1，交叉极化隔离度大于38dB。

2.2 微波网络

微波网络主要由波纹喇叭、圆波导、过渡波导和C频段双工器组成。波纹喇叭具有工作频带宽，方向图对称等许多优点，是高性能双反射面天线馈源的理想选择。

C频段双工器主要用来实现天线的极化分离，将由天线主、副面和喇叭接收下来的C频段的信号区分开，同时将同一频段内信号的水平极化、垂直极化分别提取出来，其结构示意，如图5所示。

图5 双工器结构示意图

通过仿真计算可得到馈源方向，如图6所示。

图6 馈源仿真方向图（f=4GHz）

3 Ku馈源网络

Ku馈源网络包括波纹喇叭和微波网络。

3.1 波纹喇叭

波纹喇叭由输入锥削段、模变换段、频率变化段、张角变化段和喇叭辐射段组成，其原理如图7所示。模变换器的作用是将圆波导中的主模TE11模转换为波纹波导中的主模HE11模，保持良好的匹配和抑制有害高次模EH12模的产生。频率变化段和张角变化段主要完成频率和张角的变化，抑制有害高次模EH12模的产生。喇叭辐射段的作用主要是产生所需的副面边缘照射电平。其中，模变换段是设计的关键，为了展宽频带采用环加载的形式。整个喇叭的外形，如图7所示。

图7 波纹喇叭组成框图

壁中波纹槽分布的场强很小，因此，波纹喇叭可以承受大功率。由于工作波长已接近毫米波段，对加工精度要求很高，需要采用专门的加工工艺保证加工精度。已研制的波纹喇叭达到了以下指标：在Ku频段电压驻波比VSWR＜1.1，交叉极化隔离度大于38dB。如图8所示。

图8 波纹喇叭的结构外形图

3.2 微波网络

双极化接收微波网络主要圆极化器和双工器组成。圆极化器采用90°移相器，双工器将信号分离出两个正交的信号，两输出端口为矩形波导。

双极化接收微波网络示意，如图9所示。

图9 微波网络组成框图

通过仿真计算可得到馈源方向，如图10所示。

图10 馈源仿真方向图（f=12.5GHz）

4 主要技术参数

4.1 接口规格

馈源接口。C频段，接收：CPR-229（BJ-40）；Ku频段，接收：WR-75（BJ-120），遵循RS-422/485。

4.2 电气性能

（1）工作频段

Ku频段接收：10.95～12.75GHz；C频段接收：3.4～4.2GHz。

（2）天线增益

Ku频段接收：≥57.5+20lg（f/12.5） dBi，f单位：GHz。

C 频段接收：≥47.8+20lg（f/4.0） dBi，f单位：GHz。

（3）驻波比：≤1.25。

（4）极化方式：双线极化。

（5）线极化面调整范围：±90°。

（6）馈源插入损耗：

C频段：≤0.2dB；Ku频段：≤0.25dB。

（7）噪声温度：（在晴天、微风10°仰角条件下）

C频段：Ta≤42°K；Ku频段：Ta≤60°K。

（8）交叉极化隔离度：≥35dB（轴向）

（9）端口隔离度（dB）

C/Ku频段端口：≥35dB

（10）馈源端口：二端口，两收。

4.3 工作环境条件

（1）工作温度：室外为-40℃～+60℃；室内为0℃～+45℃。

（2）相对湿度：室外为≤100%；室内为≤85%。

（3）供电：单相220（1±10%）V，50（1±5%）Hz；三相380（1±10%）V，50（1±5%）Hz。

（4）抗风能力

保精工作：稳态风13m/s；阵风20m/s，

降精工作：稳态风20m/s；阵风27m/s，

收藏风速（朝天锁定）：35m/s，

保全风速：≤55m/s时，天线在收藏位置不损坏，不产生永久性变形。

（5）耐雨、雪性能：

降雨：最大可达100mm/h，

雪量：雪载荷60mm（能正常工作）。

具有防潮防雷防盐雾锈蚀能力，钢构件采用热喷锌处理，主面喷白漆。

审稿人：杜中 内蒙古广播电视台 正高级工程师

责任编辑：王学敏

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安国利 内蒙古广播电视台 高级工程师