毛南平,段玉虎,潘高峰,??,梁盛
(1.中國衛(wèi)星海上測控部飛行器海上測量與控制聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,江蘇江陰214431;2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所,西安710065)
S/X/Ka三頻段天線電軸不一致性對天線性能的影響?
毛南平1,段玉虎2,潘高峰1,??,梁盛1
(1.中國衛(wèi)星海上測控部飛行器海上測量與控制聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,江蘇江陰214431;2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所,西安710065)
為滿足測量船未來深空探測測控任務(wù)的需求,設(shè)計(jì)了三頻段合用的波束波導(dǎo)天線。通過計(jì)算各頻段在4種情況下的波束不一致及增益損失,分析了多頻同時工作時電軸不一致對天線性能的影響,提出了天線盡量跟蹤在高頻段的使用建議,對實(shí)際應(yīng)用具有極大意義。
測量船;三頻段天線;電軸不一致性;波束波導(dǎo);極化波束;增益損失
目前,波束波導(dǎo)天線技術(shù)在陸基測控天線方面的研究已有成功先例,但在船載測控天線動態(tài)條件下的應(yīng)用尚處于研究階段[1]。波束波導(dǎo)天線技術(shù)在船載平臺應(yīng)用具有諸多優(yōu)點(diǎn):例如,波束波導(dǎo)天線系統(tǒng)允許天線射頻組件放置在天線座架下的高頻機(jī)房中(船艙室內(nèi)),這樣便于對饋源網(wǎng)絡(luò)和前置放大組件進(jìn)行冷卻處理,較大程度地降低系統(tǒng)噪聲溫度,提高系統(tǒng)G/T值;減小了饋源與發(fā)射機(jī)之間的饋線損耗,有利于提高系統(tǒng)的上行EIRP值;射頻組件和各種高頻設(shè)備放置于機(jī)房內(nèi),溫度、濕度等工作環(huán)境能很好控制,系統(tǒng)的幅相特點(diǎn)、零點(diǎn)穩(wěn)定性等性能受環(huán)境影響較小,也便于設(shè)備維修;高頻滑環(huán)、中頻滑環(huán)基本可以不用,低頻滑環(huán)的路數(shù)也可大大減少等,因此需要進(jìn)行波束波導(dǎo)天線技術(shù)在船載平臺的應(yīng)用研究。
經(jīng)理論分析,根據(jù)應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn),擬設(shè)計(jì)S/X/Ka三頻段合用的波束波導(dǎo)天線。三頻段同時工作時不同頻段電軸會有差別,本文通過天線波束不一致及增益損失的分析計(jì)算與仿真,對電軸不一致對性能影響進(jìn)行了研究,給出了多頻段天線同時工作的使用建議,為工程實(shí)際應(yīng)用提供了必要的理論基礎(chǔ)。
2.1 饋電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
經(jīng)過分析和對多個波束波導(dǎo)方案的比較[2],我們選擇圖1所示的波束波導(dǎo)饋電系統(tǒng)。它由8個反射鏡組成,M1、M4、M6、M7和M8為平面鏡,M2和M3為拋物面反射鏡,M5為橢圓面反射鏡。為了保證S、X和Ka三頻段同時工作,平面鏡M6、M7采用了頻率選擇面,M6反射S頻段信號、傳輸X和Ka頻段信號、M7反射X頻段信號、傳輸Ka頻段信號。
圖1 波束波導(dǎo)饋電系統(tǒng)Fig.1 Beam waveguide feed system
2.2 分析方法
為了分析多頻段工作時電軸不一致對天線性能的影響,首先要分析計(jì)算天線各頻段和方向圖峰值和差方向圖零點(diǎn)位置,再計(jì)算天線的指向跟蹤時不同頻段天線和方向圖的峰值位置差值和TE21模跟蹤時差波束零點(diǎn)與和波束峰值之間的差值[4]。天線增益損失可按下式計(jì)算:
其中,P=0.345 837 76,Δθ為波束位置差值,θ0.5為半功率波束寬度。
當(dāng)圓極化饋源照射非對稱或偏置反射面時就會發(fā)生波束傾斜。在波束波導(dǎo)饋電的35 m天線中,3個偏置饋電的鏡面M2、M3和M5是波束傾斜的主要貢獻(xiàn)源。頻率選擇面M6和M7也對波束傾斜有小的貢獻(xiàn),在計(jì)算中未考慮鏡面變形引入的波束傾斜。分析表明波束位置是天線方位、俯仰角的函數(shù),按兩種工作狀態(tài)分析,一是指向跟蹤方式時波束位置不一致及引入的增益損失,二是TE21模跟蹤工作方式時波束位置不一致及引入的增益損失。
分析表明,天線在某仰角下,天線方位在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)時,左右旋極化峰值位置的變化規(guī)律是相同的,峰值位置繞半徑為R1、圓心位置為(az0,el0)的圓周運(yùn)動,并隨(AZ-EL)的增加按順時鐘旋轉(zhuǎn),如圖2所示。
圖2 波束傾斜位置與方位俯仰角的變化關(guān)系Fig.2 Relationship between beam inclined position and azimuth-pitching angle change
圓心位置在半徑為R0的圓周上按順時鐘旋轉(zhuǎn),可用下式擬合出其峰值位置的變化規(guī)律:
峰值位置偏離天線光軸的距離為
其中,az、el為波束峰值(或零點(diǎn))在方位俯仰坐標(biāo)系中的位置;EL為天線俯仰角;AZ為天線方位角;R0為圓心位置半徑;φ0為圓心位置的初始角;R1為峰值位置半徑;φ1為峰值位置的初始角。
按照建立的GRASP天線仿真模型[5],分別計(jì)算了仰角為45°、方位0°~360°時各頻段天線和方向圖峰值和差方向圖零點(diǎn)位置,假設(shè)某頻段跟蹤頻率為f0GHz,其和波束峰值(或差波束零點(diǎn))位置坐標(biāo)為(az0,el0),另一接收(或發(fā)射)頻率波束峰值位置為(az1,el1),則兩波束之間的空間距離為
知道兩波束之間的空間距離后,可按式(1)計(jì)算增益損失。
本文分別計(jì)算了各頻段在以下4種情況下的波束不一致及增益損失,即左旋圓極化指向跟蹤時的波束不一致及增益損失、右旋圓極化指向跟蹤時的波束不一致及增益損失、左旋圓極化TE21模跟蹤時的波束不一致及增益損失、右旋圓極化TE21模跟蹤時的波束不一致及增益損失。
3.1 Ka頻段跟蹤時各頻段、極化波束不一致及增益損失
計(jì)算條件如下:跟蹤頻率為Ka頻段;跟蹤極化為左旋和右旋圓極化;俯仰角為45°;方位角為0°~360°,步長45°。
表1給出了Ka頻段左右旋指向跟蹤和TE21模跟蹤時,各頻段收發(fā)波束峰值與跟蹤波束的最大空間距離及對應(yīng)的增益損失。
表1 Ka頻段跟蹤時各段波、各極化波束位置及增益損失Table 1 The S/X/Ka-band gain loss to the different polarization-beam position tracking on Ka-band
3.2 X頻段跟蹤時各頻段、極化波束不一致及增益損失
計(jì)算條件如下:跟蹤頻率為X頻段;跟蹤極化為左旋和右旋圓極化;俯仰角為45°;方位角為0°~ 360°,步長45°。
表2給出了X頻段左右旋指向跟蹤和TE21模跟蹤時,各頻段收發(fā)波束峰值與跟蹤波束的最大空間距離及對應(yīng)的增益損失。
表2 X頻段模跟蹤時各段波、各極化波束位置及增益損失Table 2 The S/X/Ka-band gain loss to the different polarization-beam position tracking on X-band
3.3 S頻段跟蹤時各頻段、極化波束不一致及增益損失
計(jì)算條件如下:跟蹤頻率為S頻段;跟蹤極化為左旋和右旋圓極化;俯仰角為45°;方位角為0°~ 360°,步長45°。
表3給出了S頻段左右旋指向跟蹤和TE21模跟蹤時,各頻段收發(fā)波束峰值與跟蹤波束的最大空間距離及對應(yīng)的增益損失。
表3 S頻段模跟蹤時各段波、各極化波束位置及增益損失Table 3 The S/X/Ka-band gain loss to the different polarization-beam position tracking on S-band
3.4 仿真結(jié)論
仿真計(jì)算結(jié)果表明:不論Ka頻段采用哪種跟蹤方式,波束不一致引入的增益損失小于0.03 dB,X頻段增益損失小于0.11 dB,S頻段增益損失小于0.01 dB;X頻段指向跟蹤時,S頻段增益損失小于0.005 dB,X頻段增益損失小于0.022 dB,Ka頻段增益損失小于1.56 dB;X頻段TE21模跟蹤時,S頻段增益損失小于0.006 dB,X頻段增益損失小于0.05 dB,Ka頻段增益損失小于2.2 dB;S頻段指向跟蹤時,S頻段增益損失小于0.009 dB,X頻段增益損失小于0.068 dB,Ka頻段增益損失小于1.85 dB;S頻段TE21模跟蹤時,S頻段增益損失小于0.11 dB,X頻段增益損失小于1.0 dB,Ka頻段增益損失小于29 dB。
根據(jù)仿真結(jié)果可得出以下結(jié)論:指向跟蹤時,同極化增益損失小于正交增益損失;指向跟蹤方式下天線增益損失小于TE21模跟蹤方式下的增益損失;不論采用指向跟蹤方式或TE21模跟蹤方式,高頻段跟蹤時由于電軸不一致引入的增益較小,反之則較大;S頻段TE21模跟蹤時引入的Ka頻段增益損失是不可接受的。也可得出:在低頻跟蹤時,特別是TE21模跟蹤時,高頻增益損失較大;但高頻跟蹤時,低頻增益損失較小。
為船載三頻段波束波導(dǎo)系統(tǒng)的天伺饋分系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制定天線使用要求,對該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,即電軸不一致對天線性能的影響進(jìn)行了研究。分析計(jì)算了波束不一致引入以及指向跟蹤和TE21模跟蹤方式下引起的增益損失。通過仿真明確了多頻段天線的使用策略,即在選擇天線跟蹤頻段時,應(yīng)盡量選擇在高頻段跟蹤,避免引入較大的增益損失;并為天伺饋分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù),為進(jìn)一步系統(tǒng)優(yōu)化提供了重要的參考價值。
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MAO Nan-ping was born in Jinjiang,Jiangsu Province,in 1972.He received the M.S.degree in 2004.He is now a senior engineer.His research concerns aerospace TT&C technology.
段玉虎(1958—),男,陜西西安人,1982年獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為研究員,主要從事天線與微波技術(shù)方面的研究;
DUAN Yu-hu was born in Xi′an,ShaanXi Province,in 1958. He received the B.S.degree in 1982.He is now a senior engineer of professor.His research concerns antenna and microwave.
潘高峰(1972—),男,遼寧錦州人,1995年獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為高級工程師,主要從事智能儀器、自動測試系統(tǒng)方面的研究;
PAN Gao-feng was born in Jinzhou,Liaoning Province,in 1972.He received the B.S.degree in 1995.He is now a senior engineer.His research concerns intelligent instrument and ATS.
Email:pgfzhy@163.com
梁盛(1971—),男,江蘇揚(yáng)州人,2011年獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為工程師,主要從事航天測控總體技術(shù)方面的研究。
LIANG Sheng was born in Yangzhou,Jiangsu Province,in 1985.He received the M.S.degree in 2011.He is now an engineer.His research concerns aerospace TT&C technology.
Impact of Electrical Axis Inconsistency on S/X/Ka-Band Antenna Performance
MAO Nan-ping1,DUAN Yu-hu2,PAN Gao-feng1,LIANG Sheng1
(1.Joint Laboratory of Ocean-based Flight Vehicle Measurement and Control,China Satellite Maritime Tracking and Control Department,Jiangyin 214431,China;2.The No.39 Research Institute of CETC,Xi′an 710065,China)
Shipborne tri-band beam waveguide antenna is designed to satisfy the need of deep-space TT&C tasks. By computing beam inconsistency and gain loss for each band in four different conditions,the impact of electrical axis inconsistency on performance is analyzed in simultaneous operation at S/X/Ka-band.Suggestions for high frequency tracking are given,which is meaningful for practical applications.
TT&C ship;tri-band antenna;electrical axis inconsistency;beam waveguide;polarized beam;gain loss
date:2013-01-22;Revised date:2013-04-15
??通訊作者:pgfzhy@163.comCorresponding author:pgfzhy@163.com
TN953
A
1001-893X(2013)07-0927-05
毛南平(1972—),男,江蘇晉江人,2004年獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為高級工程師,主要從事航天測控總體技術(shù)方面的研究;
10.3969/j.issn.1001-893x.2013.07.020
2013-01-22;
2013-04-15