阮云國，鄧智勇，張 博

（中國電子科技集團公司第五十四所，河北石家莊050081）

0 引言

隨著衛(wèi)星通信的廣泛應(yīng)用，民用通信設(shè)備受到越來越多的關(guān)注，動中通天線就是其中的一種形式。特別是在應(yīng)急通信中，該天線能在移動過程中快速對準衛(wèi)星，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)，圖像的高速傳輸。相比固定站天線具有很大的優(yōu)勢[1，2]，但大多動中通天線工作于Ku頻段，該頻段衛(wèi)星極化形式多為線極化，由于載體一直處于運動中，會造成波束的偏移與極化失配，產(chǎn)生極化損耗，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率和通信質(zhì)量，因此如何實現(xiàn)天線系統(tǒng)中的實時極化調(diào)整成為一個關(guān)鍵問題[3－7]。

大部分動中通天線具有低剖面的特點，輻射器多采取平板陣列或柱面拋物面的形式，無論哪種形式，天線在方位面都具有較窄的波束寬度，無法通過旋轉(zhuǎn)天線的方式來調(diào)整極化。因此要有一個獨立的部件來實現(xiàn)極化跟蹤?，F(xiàn)存的幾種形式主要以有源器件實現(xiàn)為主，應(yīng)用在下行鏈路具有很好的效果，但在上行鏈路，存在一個問題，工作時需要在2個極化上分別使用一套移相組件和一臺功放，這樣不僅體積較大，而且成本較高。一般用戶無法接受。因此提出了一種機械式的極化調(diào)整方案，它是由輸入OMT（正交模耦合器），圓波導關(guān)節(jié)、輸出OMT（正交模耦合器）、L型關(guān)節(jié)以及輔助的maxon組合電機和驅(qū)動器構(gòu)成。通過電機驅(qū)動波導關(guān)節(jié)實現(xiàn)上行極化調(diào)整，具有結(jié)構(gòu)緊湊和可靠性高的特點。

1 極化跟蹤器原理分析

極化是天線的一個重要概念，定義為電場的矢量終端在一個周期內(nèi)形成的軌跡。天線的極化形式有3種，分別是線極化、圓極化和橢圓極化。天線在能量傳輸過程中要保證極化匹配，即接收天線的極化方向應(yīng)與電波的極化方向一致，此時接收天線能接收電波的全部能量。若接收天線的極化方向與電波的極化方向不一致，則為極化失配，存在一個極化角，只能接收部分能量，影響電磁波能量傳輸效率，因此天線在通訊過程中必須保證極化匹配。傳統(tǒng)天線的線極化匹配方式有旋轉(zhuǎn)天線或旋轉(zhuǎn)饋源喇叭等，但由低剖面天線結(jié)構(gòu)限制，這2種方式都不可行，因此必須另辟蹊徑。

電磁場理論:任何一個線極化波都可以分解為一個水平極化波與一個垂直極化波，相反一個水平極化波與一個垂直極化波也可以合成一個任意極化角的線極化波[5，8－10]。假設(shè)天線與衛(wèi)星的極化夾角為θ，電磁波信號矢量分解如圖1所示，這樣車載雙極化天線的水平極化部分ESH和垂直極化部分EPV都會收到衛(wèi)星的下行水平極化波EP和垂直極化波ES。

圖1 電磁波信號矢量分解

其中天線水平極化部分主極化分量為:

交叉極化分量:

天線垂直極化部分主極化分量:

交叉極化分量:

利用電磁場矢量疊加特性，可以用相位相反的信號使ESH與EPV分別抵消，即去除了交叉極化分量，此時空間上瞬時合成后仍為線極化。

2 極化跟蹤器方案設(shè)計

按以上原理提出了一個極化跟蹤器方案，原理框圖如圖2所示。

圖2 極化跟蹤器系統(tǒng)設(shè)計框圖

極化跟蹤器系統(tǒng)前端是一個對稱形式的十字轉(zhuǎn)門OMT（正交模耦合器），2個輸入端口是對稱的，且具有相同的電長度;中間是圓波導關(guān)節(jié)，后端是一個輸出OMT。假設(shè)電磁波沿z軸傳播，如果電場矢量投影與傳播方向相垂直，則電場的分量如式（5）和式（6）所示。

由于平板天線所接收的是任意極化角的電磁波，天線的水平極化接收端和垂直極化接收端同時有電磁波能量進來，它們的相位相同，但幅度不同，當信號進入極化跟蹤器后，極化跟蹤器的2個輸入端口到輸出端口始終保持等電長度，此時圓波導關(guān)節(jié)帶動輸出OMT轉(zhuǎn)動時，就會找到一個與空間電磁波極化角相對應(yīng)的位置，這時2個極化波進行了矢量合成，信號由OMT的輸出端口取出。

3 正交模耦合器設(shè)計

低剖面天線結(jié)構(gòu)緊湊，因此在整個設(shè)計過程中，要使器件盡可能的小型化，以節(jié)省結(jié)構(gòu)空間，來適應(yīng)天線布局。由于該系統(tǒng)中，要保證正交極化信號等相位輸入，因此輸入正交模耦合器（OMT）結(jié)構(gòu)必須是對稱的，常規(guī)的正交模耦合器以側(cè)臂耦合為主，無法保證等相位輸入，因此選用了一種十字轉(zhuǎn)門正交模耦合器，該種OMT結(jié)構(gòu)緊湊，且是一種寬帶型器件，具有良好的的駐波特性，隔離特性與損耗特性[11，12]。這種正交器有一個圓波導輸入，4個矩形波導輸出，輸出波導是對稱的。相對的2個波導是同一極化，相鄰的2個波導極化正交。

正交模耦合器工作于Ku上行頻段，設(shè)計中要保證圓波導傳輸主模TE11模，矩形波導傳輸主模TE10模，這樣圓波導尺寸和矩形波導尺寸可以分別確定。矩形波導選擇標準的BJ140波導，圓波導選擇直徑為φ=5.8mm，然后是確定器件底部中心處的2個圓柱型臺階的直徑與高度。這個尺寸對器件的S參數(shù)有很大影響，需要精確設(shè)計。為此利用全波分析軟件HFSS建立模型，設(shè)定端口駐波和隔離度為優(yōu)化目標，進行優(yōu)化分析。最終得到了一個比較理想的計算結(jié)果，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 輸入正交模耦合器S參數(shù)

從結(jié)果可看出S11在全頻段小于－19dB，可以滿足應(yīng)用要求。

4 極化跟蹤器調(diào)試與測試

雖然在設(shè)計過程中應(yīng)用了計算機仿真，但由于加工誤差與計算誤差的客觀存在，必須給予整個部件調(diào)整措施，而關(guān)節(jié)與正交模耦合器是其中重要的調(diào)整器件。因為輸入OMT要保證等相位，但平板天線前端結(jié)構(gòu)復雜，保證絕對的等電長度難度較大，因此要用一些波導墊片來修正天線前端所引進的相位差，同時正交器的2個短路塊也可以對系統(tǒng)的回波損耗有調(diào)整作用。

使用一臺標量網(wǎng)絡(luò)分析儀與BJ140波導定向耦合器組成測試系統(tǒng)，來進行了電氣性能測試。得到了整個工作頻段內(nèi)的極化隔離特性與插入損耗特性，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 極化跟蹤器極化隔離測試結(jié)果

圖5 極化跟蹤器插入損耗測試結(jié)果

整個部件裝配調(diào)試好后，結(jié)構(gòu)如圖6所示。從測試結(jié)果可以看出極化跟蹤器在整個使用頻段內(nèi)插入損耗小于0.35dB，極化隔離大于30dB，這是一個非常理想的結(jié)果，可以很大程度上增加天線上行EIRP值，使其配置較小功率的功放成為可能。

圖6 機械式極化跟蹤器實物

5 結(jié)束語

根據(jù)極化波合成原理所設(shè)計的機械形式極化跟蹤器，在整個使用頻段內(nèi)具有平坦的幅度響應(yīng)，較高的極化隔離特性和和較低的插入損耗特性。顯示了良好的電氣性能指標，結(jié)構(gòu)簡單，具有很高的可靠性，將在動中通天線進行了廣泛應(yīng)用。

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