李陽，趙顯超，徐松毅

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)人民解放軍空軍駐石家莊地區(qū)軍事代表，河北 石家莊 050051）

一種C頻段散射角分集雙波束饋源的設(shè)計(jì)

李陽1，趙顯超2，徐松毅1

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)人民解放軍空軍駐石家莊地區(qū)軍事代表，河北 石家莊 050051）

針對(duì)散射通信中角分集天線雙喇叭饋源方式分集效果不佳的問題，設(shè)計(jì)了一種角分集雙波束饋源。采用錐變分支與膜片分支相結(jié)合的方式，在不增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的基礎(chǔ)上改善了OMT耦合端口的駐波；用介質(zhì)桿天線代替喇叭天線，從而減小了饋源輻射口面的橫向尺寸，克服了因雙饋源體積大而無法滿足理想分集效果波束夾角（0.75～1倍波束寬度）要求的問題。應(yīng)用CST對(duì)雙波束饋源模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在要求的12.7%的帶寬內(nèi)駐波低于1.3。

角分集；雙波束饋源；正交模耦合器；介質(zhì)桿天線

0 引言

因?yàn)樗矫鎯?nèi)不同角度的波束之間的相關(guān)系數(shù)較大，一般采用垂直面內(nèi)不同仰角的兩波束實(shí)現(xiàn)角度分集。角分集的一般方法是在天線面焦點(diǎn)附近垂直方向上放置2個(gè)喇叭天線作為饋源。但是由于C頻段雙喇叭天線饋源體積較大，波束夾角難以優(yōu)化到1倍波束寬度內(nèi)，必然有一波束仰角大于最佳仰角太多而傳輸損耗太大，再加上偏焦損失、反射面邊緣損失、雙饋源與支撐件加粗造成的遮擋損失等，角分集效果必然比空間分集和頻率分集差［1－4］。

本文在文獻(xiàn)［5，6］的研究基礎(chǔ)上，針對(duì)傳統(tǒng)角分集天線饋源形式的不足，設(shè)計(jì)了一種用于C頻段的四端口、雙線極化、角分集的雙波束饋源。該雙波束饋源在結(jié)構(gòu)上具有緊湊、簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、便于加工的特點(diǎn)。

1 饋源設(shè)計(jì)

1.1 正交模耦合器（OMT）

正交模耦合器又稱雙模變換器，也可簡(jiǎn)單地認(rèn)為是一個(gè)極化濾波器，通過合成或分離兩正交模式實(shí)現(xiàn)類似極化雙工的作用［7］。OMT結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 正交模耦合器結(jié)構(gòu)

正交模耦合器的設(shè)計(jì)步驟如下：

②切比雪夫阻抗變換段設(shè)計(jì)。錐變變換段會(huì)影響直通端口與公共端口的匹配和和與耦合端口的隔離，本文選用3階切比雪夫阻抗變換便可滿足12.7%相對(duì)帶寬要求。根據(jù)文獻(xiàn)［8］，3階切比雪夫階梯阻抗變換器的總反射系數(shù)為：

式中，A＝Γm；

3階切比雪夫多項(xiàng)式為：

根據(jù)對(duì)稱性：

阻抗與階梯高度關(guān)系式為：

每一階長(zhǎng)度由公共波導(dǎo)波導(dǎo)波長(zhǎng)λg1與分支標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)波導(dǎo)波長(zhǎng)λg2所確定：

通過仿真確定切比雪夫階梯阻抗變換段尺寸如下：L＝23.8 mm，H1＝18.8 mm，H2＝24.8 mm，H3＝36.0 mm。

③確定耦合窗尺寸。公共波導(dǎo)側(cè)壁耦合窗口處的場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般采取先由經(jīng)驗(yàn)公式得到一個(gè)大概值，再通過軟件反復(fù)優(yōu)化確定耦合窗口尺寸的方式。耦合窗示意圖如圖2所示。

圖2 耦合窗示意

根據(jù)文獻(xiàn)［7］，耦合窗口寬w，高h(yuǎn)與中心頻率波導(dǎo)波長(zhǎng)λg0之間的關(guān)系可表示為：

應(yīng)用CST軟件對(duì)耦合窗尺寸反復(fù)仿真優(yōu)化，最終確定w＝36.0 mm，h＝11.0 mm。

④膜片設(shè)計(jì)。由于采用錐變分支設(shè)計(jì)的OMT耦合端口回波損耗較差，在OMT中加入膜片以提高耦合端口的耦合。通過仿真，當(dāng)膜片與耦合窗相對(duì)位置d0為0．26λ0時(shí)，耦合端口S11在頻帶內(nèi)低于－20 dB。有無膜片垂直極化端口S11仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 有無膜片垂直極化端口S11

OMT的仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。正交模耦合器在工作頻帶內(nèi)兩分支端口VSWR均低于1.3，兩分支端口之間隔離度大于100 dB。基本可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 正交模耦合器兩分支端口VSWR

圖5 正交模耦合器兩分支端口隔離度

仿真過程中對(duì)可能的加工誤差進(jìn)行了充分考慮。當(dāng)誤差控制在0.1 mm以內(nèi)時(shí)，OMT性能基本不會(huì)變差。但是必須保證結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)將會(huì)在OMT中激勵(lì)高次模而使OMT性能惡化。

1.2 介質(zhì)桿天線

介質(zhì)桿天線是一種常見的行波天線，能夠?qū)б姶挪ú⒃诮K端將電磁波輻射到自由空間，并能與饋電波導(dǎo)很好地兼容［9］。介質(zhì)桿天線結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 介質(zhì)桿天線結(jié)構(gòu)

將圖6中饋電漸變段插入圖1中OMT的公共端口，以O(shè)MT公共方波導(dǎo)作為饋電波導(dǎo)。介質(zhì)桿天線設(shè)計(jì)步驟如下：

②饋電漸變段設(shè)計(jì)。饋電漸變保證介質(zhì)桿與饋電波導(dǎo)的匹配，提高激勵(lì)效率。本文考慮到保證性能的同時(shí)應(yīng)使饋源結(jié)構(gòu)盡量緊湊，采用3階切比雪夫變換的饋電結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)方法參照1.1節(jié)。經(jīng)仿真優(yōu)化各段長(zhǎng)度分別為：LL＝15.5 mm，ww1＝22.5 mm，ww2＝14.3 mm，ww3＝7.9 mm。

③錐形漸變段設(shè)計(jì)。錐形漸變可減小旁瓣，對(duì)于給定電長(zhǎng)度的天線，天線根部和頂部的截面積應(yīng)分別為：

對(duì)于C頻段，波長(zhǎng)量級(jí)遠(yuǎn)大于毫米波波段。滿足天線增益指標(biāo)要求的前提下需盡量減小介質(zhì)桿天線長(zhǎng)度。本文介質(zhì)桿分兩段分別作線性錐削，其中L1＝λ0，L2＝2λ0。

2 性能仿真分析

在FEKO 7.0仿真環(huán)境下，采用4.5 m口徑的偏饋反射面，f／D＝0．625，對(duì)角分集雙波束饋源進(jìn)行仿真。

2.1 VSWR

雙波束饋源各端口VSWR仿真結(jié)果如圖7所示，角分集雙波束饋源4個(gè)端口電壓駐波比在整個(gè)工作頻帶內(nèi)均低于1.3，達(dá)到了良好的匹配效果。

圖7 雙波束饋源各端口VSWR

2.2 輻射方向圖

工程實(shí)踐中通常采用垂直面內(nèi)不同仰角的兩波束進(jìn)行角度分集。由于饋源的橫向偏焦會(huì)導(dǎo)致天線第一旁瓣抑制變差，考慮兩分集波束分別上下偏焦的情況。根據(jù)0.75～1倍波束寬度波束夾角要求，當(dāng)雙波束饋源兩饋源部件分別上下偏離反射面焦點(diǎn)22.0 mm時(shí)，兩分集波束波束指向分別為±0.4°，即兩分集波束形成0.8°的波束夾角。仿真結(jié)果如圖8和表1所示。

圖8 f＝f0時(shí)E面輻射方向圖

表1 饋源偏焦22.0 mm時(shí)Port3仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種用于C頻段的散射角分集雙波束饋源。通過CST和FEKO軟件進(jìn)行仿真。天線增益大于44 dB，波束寬度約為1°，波束夾角約0.8°，第一旁瓣抑制大于29 dB，交叉極化隔離大于50 dB，各端口駐波小于1.3，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)基本滿足角分集天線系統(tǒng)要求。一條散射鏈路上2個(gè)端站均采用配置該雙波束饋源的角分集天線，便可構(gòu)成四重角分集系統(tǒng)。角分集雙波束饋源的研究為角分集單天線散射通信系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)。

［1］張明高.對(duì)流層散射傳播［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006：140－143.

［2］楊可忠.利用多模饋源實(shí)現(xiàn)角分集的天線［J］.無線電通信技術(shù)，2000，26（4）：1－5.

［3］徐松毅，李文鐸.瑞利衰落信道下非獨(dú)立多重分集接收性能分析［J］.電子學(xué)報(bào)，2003，31（11）：1 682－1 685.

［4］HOFERERR A.Angular Diversity Antenna System and Feed Assembly for Same［P］.US：7623084B2，2009：1－12.

［5］劉 瑩，宋國(guó)強(qiáng)，韓明鑰.散射通信中角分集天線最佳夾角計(jì)算方法研究［J］.無線電工程，2013，43（10）：59－61.

［6］高自新，徐志平.角分集天線參數(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)研究［J］.無線電工程，2013，43（4）：54－64.

［7］詹 英，楊玲娟.一種Ku頻段正交模轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)［J］.無線電工程，2008，38（12）：47－49.

［8］David M.Pozar.微波工程（第3版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006：214－218.

［9］葉紅霞，蔣延生，王文秉，等.介質(zhì)桿天線的時(shí)域特性分析［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，18（4）：413－417.

［10］王楠楠，邱景輝.Ka頻段介質(zhì)棒天線優(yōu)化設(shè)計(jì).電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25（1）：161－165.

Design of a C-band Dual-beam Feed for Angular Diversity Antenna System

LI Yang1，ZHAO Xian-chao2，XU Song-yi1
（1．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2．Military Representative of PLA Air Force in Shijiazhuang，Shijiazhuang Hebei 050051，China）

A dual-beam feed has been designed in this work，to solve the problem that a two-horn feed in angular diversity antenna system usually can not achieve the desired diversity result.The VSWR of the coupling port of OMT has been reduced by placing septum in the stepped-impedance transformation；and the size of the feed has been decreased by using rod dielectric antenna instead of horn antenna so that the feed can meet the requirement of the best squint angle（0.75～1 times of the beam width）.The dual-beam feed has been designed and optimized by the CST code，the VSWR is less than 1.3 in the bandwidth of 12.7%.

angular diversity；dual-beam feed；orthomode transducer；dielectric rod antenna

TN911

A

1003－3106（2015）11－0052－04

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.11.14

李 陽，趙顯超，徐松毅.一種C頻段散射角分集雙波束饋源的設(shè)計(jì)［J］.無線電工程，2015，45（11）：52－55.

李 陽男，（1990—），中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所在讀研究生。主要研究方向：無線通信。

2015-08-19

國(guó)有部委基金資助項(xiàng)目。

徐松毅男，（1963—），博士，研究員。主要研究方向：無線通信。