鄧智勇 阮云國(guó) 李勇

(1. 中華通信系統(tǒng)有限公司河北分公司, 石家莊 050081;2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)第54所, 石家莊 050081)

具有L波段單脈沖跟蹤能力的L/S雙波段共用波紋喇叭天線

鄧智勇1,2阮云國(guó)2李勇2

(1. 中華通信系統(tǒng)有限公司河北分公司, 石家莊 050081;2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)第54所, 石家莊 050081)

單脈沖跟蹤以其精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于跟蹤中、低軌衛(wèi)星通信天線中．本文工作研究單槽深波紋喇叭的差模臨界截止點(diǎn)和電壓波腹點(diǎn),通過提取波紋槽差模信號(hào),設(shè)計(jì)了具備L頻段單脈沖跟蹤能力的L/S雙頻共用喇叭天線．實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明,在L/S頻段該喇叭具有良好阻抗匹配特性和輻射方向圖旋轉(zhuǎn)對(duì)稱特性,且L頻段差模信號(hào)實(shí)現(xiàn)了單脈沖跟蹤能力,該喇叭天線電氣性能滿足工程應(yīng)用要求.

波紋喇叭;雙頻段;單槽深;差模耦合;脈沖跟蹤

DOI 10.13443/j.cjors.2016110801

引 言

由于北斗導(dǎo)航的定位精度越來越高,對(duì)北斗地面監(jiān)測(cè)接收天線的跟蹤衛(wèi)星信號(hào)的精度也提出更高要求,因此原來天線的步進(jìn)跟蹤方式已經(jīng)滿足不了當(dāng)前跟蹤精度的要求,目前天線跟蹤方式主要采用[1]圓錐掃描跟蹤、步進(jìn)跟蹤、程序引導(dǎo)跟蹤、單脈沖跟蹤等方式,其中單脈沖跟蹤[2-3]以其精度高、速度快等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于跟蹤中、低軌衛(wèi)星通信天線中．單脈沖跟蹤方式是目前跟蹤方式里跟蹤精度最高的方式之一,采用單脈沖跟蹤方式能夠滿足此性能要求, 而且跟蹤頻率為L(zhǎng)頻段并且工作頻帶窄,根據(jù)天線的電氣性能特點(diǎn),此L頻段單脈沖跟蹤方式應(yīng)該采用從波紋喇叭內(nèi)耦合出差模的技術(shù).在美國(guó)的加州戈?duì)柕滤诡DDSS-25上安裝了一套X/Ka多頻段饋源[4],其X頻段發(fā)射與接收信號(hào)就是采用波紋槽內(nèi)耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)的．在國(guó)內(nèi)對(duì)波紋喇叭內(nèi)耦合出信號(hào)的研究主要有李紹友、張成全等,他們主要研究了S/X、X/Ka頻段饋源等工作,并把這種技術(shù)應(yīng)用到遙測(cè)天線[2]．波紋喇叭差模耦合單脈沖跟蹤方式具有結(jié)構(gòu)緊湊、加工周期短、制造成本低、定位更精確等優(yōu)點(diǎn)．

L/S雙頻段波紋喇叭與L頻段單脈沖跟蹤網(wǎng)絡(luò)集成為一體,即滿足L/S雙頻段波紋喇叭的電氣性能又實(shí)現(xiàn)了L頻段單脈沖跟蹤功能．L/S雙頻段波紋喇叭與L頻段單脈沖跟蹤網(wǎng)絡(luò)原理框圖如圖1所示．此項(xiàng)研究技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際工程上,天線的各項(xiàng)電氣性能滿足指標(biāo)要求并實(shí)現(xiàn)L頻段高精度的跟蹤要求．

圖1 L/S雙頻段波紋喇叭與L頻段單脈沖跟蹤原理框圖

波紋喇叭內(nèi)耦合出差模的技術(shù)目前國(guó)內(nèi)外主要研究在高低頻配置上大于3個(gè)倍頻程,而對(duì)于L/S雙頻段波紋喇叭與L頻段單脈沖跟蹤器其高低頻為2.26倍頻程,解決了對(duì)S頻段和模信號(hào)的影響,實(shí)現(xiàn)了L/S雙頻段波紋喇叭電氣性能良好,L頻段單脈沖跟蹤精度高的特性,此技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際工程上,同時(shí)也取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益．

1 理論分析與設(shè)計(jì)

1.1 L/S雙頻段波紋喇叭的設(shè)計(jì)分析

L/S雙頻段波紋喇叭分為4個(gè)部分:光壁過渡段、模變換段、變角段及輻射段．為了更好地設(shè)計(jì)出L/S雙頻段波紋喇叭,本文首先分析了波紋喇叭的導(dǎo)納和波紋喇叭到天線副反射面邊緣照射的幅度與相位等參數(shù)．

L/S雙頻段波紋喇叭的工作帶寬接近2.6個(gè)倍頻,所以L/S雙頻段波紋喇叭模變換段部位采用環(huán)加載槽結(jié)構(gòu),其余部分采用直槽深結(jié)構(gòu)[5]如圖2所示,P為單槽深結(jié)構(gòu)的槽周期,a為波紋喇叭內(nèi)徑,W為槽寬,t為槽齒厚,d為槽深度．

圖2 部分單直槽深結(jié)構(gòu)示圖

在模變換段內(nèi)的每個(gè)周期由環(huán)加載槽和槽齒組成,其中環(huán)加載槽展寬工作頻帶,在L/S雙頻段波紋喇叭內(nèi)其他段的每個(gè)槽周期是由1個(gè)直槽和槽齒組成．L/S雙頻段波紋喇叭采用單槽深結(jié)構(gòu),其工作頻帶也不是很寬,因此在模轉(zhuǎn)換段的入口與出口的口徑尺寸選取上主要參照J(rèn)AMES模型[3]設(shè)計(jì),經(jīng)過綜合考慮選取L/S雙頻段波紋喇叭的槽周期P為25 mm、槽寬W為20 mm、槽齒厚t為5 mm,模變換段入口半徑選為Klia1=2.9,模變換段出口半徑選為Klia2=4.0．為了使整個(gè)波紋喇叭的工作頻帶更寬,在模變換段入口槽參數(shù)選取的原則是盡量取工作頻帶高頻點(diǎn)的導(dǎo)納接近∞,在模變換段出口槽參數(shù)選取的原則是盡量取工作頻帶低頻點(diǎn)的導(dǎo)納接近0．通過選定好的模變換段槽參數(shù),理論計(jì)算得出模變換器的入口導(dǎo)納Y如表1所示,從模變換器的入口導(dǎo)納數(shù)據(jù)可以看出所有頻段內(nèi)導(dǎo)納絕對(duì)值都大于20,從工程經(jīng)驗(yàn)上來說導(dǎo)納絕對(duì)值大于20,就相當(dāng)于模變換器的入口趨近于光壁圓波導(dǎo),波紋槽參數(shù)的選取是合適的．波紋喇叭出口的導(dǎo)納如表2所示,從數(shù)據(jù)中可以看出在波紋喇叭出口L頻段內(nèi)的導(dǎo)納值都是在負(fù)導(dǎo)納區(qū),但是導(dǎo)納絕對(duì)值大部分小于1,對(duì)于單槽深波紋喇叭來說這個(gè)L/S波紋喇叭的工作頻帶要更寬一些,這也就導(dǎo)致S頻段的高頻點(diǎn)的導(dǎo)納要更高,從仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果表明導(dǎo)納稍高,對(duì)S頻段波紋喇叭內(nèi)的輻射特性并沒有產(chǎn)生很大的影響．

表1 模變換器的入口導(dǎo)納Y

表2 波紋喇叭的出口導(dǎo)納Y

由于L/S雙頻段波紋喇叭工作頻率比較低,波紋喇叭的口徑比較大,為了使得天線效率和第一旁瓣能夠滿足性能要求,這里需要考慮初級(jí)饋源遮擋影響問題,因此波紋喇叭與天線副反射面的距離不能太近．根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和天線的電氣性能指標(biāo)要求,最后選取L/S雙頻段波紋喇叭的最大輻射口面槽參數(shù)為:喇叭輻射口徑ah=415.45 mm,喇叭照射角θh=17°,相心距口面650 mm．L/S雙頻段波紋喇叭利用球面波展開法[6]計(jì)算,得出喇叭口面到天線副反射面邊緣照射幅度與相位結(jié)果如表3所示．

表3 喇叭口面到天線副反射面邊緣照射幅度與相位

從計(jì)算出的數(shù)據(jù)可以看出,L/S雙頻段波紋喇叭槽參數(shù)選取是比較合適的,基本滿足天線電氣性能指標(biāo)要求．

1.2 L頻段單脈沖跟蹤器的分析

L頻段單脈沖跟蹤器主要由L頻段差模信號(hào)耦合器、高頻濾波器、差模信號(hào)合成饋電網(wǎng)絡(luò)組成．

L頻段差模信號(hào)耦合器由上述已確定出L/S雙頻段共用單槽深波紋喇叭內(nèi)的槽參數(shù),從波紋槽內(nèi)耦合出L頻差模信號(hào)．通過L/S雙頻段波紋喇叭槽參數(shù)求解L頻段差模信號(hào)等效導(dǎo)納Y差．在L/S雙頻段波紋喇叭模變換段內(nèi)由環(huán)加載槽組成的差模信號(hào)HE21(m=2、n=1)等效導(dǎo)納Y差計(jì)算公式為:

(1)

(2)

(3)

其余波紋喇叭段由直槽構(gòu)成,差模信號(hào)HE21(m=2、n=1)等效導(dǎo)納Y差計(jì)算公式為:

(4)

將L頻段差模信號(hào)等效導(dǎo)納代入由表面阻抗法導(dǎo)出的波紋波導(dǎo)特征方程,求解出L頻段差模信號(hào)HE21(m=2、n=1)特征值[6-7]:

(5)

將求解出的L頻段差模信號(hào)特征值k0a代入公式

(6)

可以得出每個(gè)槽周期內(nèi)的L頻段差模信號(hào)的傳播常數(shù)β差,根據(jù)L頻段差模信號(hào)的傳播常數(shù)β差判斷出L頻段差模信號(hào)的臨界截止點(diǎn)的位置[1]判斷方式如下:

當(dāng)β差為實(shí)數(shù)時(shí),表示L頻段差?？梢栽诓y槽內(nèi)傳播;當(dāng)β差為虛數(shù)時(shí),表示L頻段差模不可以在波紋槽內(nèi)傳播;當(dāng)β差=0時(shí),表示L頻段差模在波紋槽內(nèi)為臨界截止點(diǎn)．

然后由L頻段差模信號(hào)的臨界截止點(diǎn)的位置與L頻段差模信號(hào)的傳播常數(shù)β差，計(jì)算出L頻段差模信號(hào)的波節(jié)點(diǎn),公式如下:

(7)

式(7)中:S為從臨界截止點(diǎn)開始數(shù)的第S槽;n為從臨界截止點(diǎn)開始數(shù)的第n個(gè)波節(jié)點(diǎn);λ為自由空間波長(zhǎng)．

L頻段差模信號(hào)耦合器通過理論計(jì)算分析得出在變角段從模變換段向輻射段看去的方向第3個(gè)槽周期內(nèi)耦合出L頻段差模信號(hào)．根據(jù)波紋喇叭內(nèi)高次模HE21模(即差模信號(hào))的場(chǎng)分布,在波紋喇叭槽底圓周上均勻依次開設(shè)有第一至第八耦合口,每個(gè)耦合口之間的夾角為45°,在L頻段差模信號(hào)耦合器每個(gè)耦合口外側(cè)連接一個(gè)L頻段差模信號(hào)帶通濾波器,減少L頻段差模信號(hào)耦合器對(duì)波紋喇叭內(nèi)的其他頻率信號(hào)的影響,然后八路差模信號(hào)進(jìn)入饋電合成網(wǎng)絡(luò),其合成網(wǎng)絡(luò)由功分合路器與3dB電橋組成,經(jīng)差模信號(hào)饋線合成后輸入跟蹤接收機(jī),實(shí)現(xiàn)天線的單脈沖跟蹤功能．L頻段差模信號(hào)饋電合成網(wǎng)絡(luò)原理框圖[1]如圖3所示．

圖3 L頻段差模信號(hào)饋電合成網(wǎng)絡(luò)原理框圖

2 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

(a) L頻段仿真與實(shí)測(cè)

(b) S頻段仿真與實(shí)測(cè)圖4 L/S雙頻段波紋喇叭電壓駐波比仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

通過理論計(jì)算得出耦合口的位置、差模端口矩形波導(dǎo)尺寸、耦合口、低通塊模濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸．使用champ仿真軟件主要仿真計(jì)算了L/S兩個(gè)工作頻段的主模方向圖和主模電壓駐波比,在HFSS仿真軟件中建立一個(gè)擁有L頻段單脈沖跟蹤網(wǎng)絡(luò)的L/S雙頻段單槽深波紋喇叭模型,主要仿真計(jì)算L跟蹤頻段的差模方向圖、L跟蹤頻段的主模方向圖、差模端口電壓駐波比、差增益、差零深等參數(shù),然后進(jìn)行實(shí)物加工與測(cè)試．仿真與實(shí)測(cè)圖形趨勢(shì)也比較吻合,L/S兩頻段和差端口隔離度小于-30 dB．L/S雙頻段波紋喇叭電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果,如圖4所示, L/S雙頻段的和方向圖仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示．

(a) L頻段和方向圖

(b) S頻段和方向圖圖5 L/S雙頻段波紋喇叭和方向圖仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

圖5給出了波紋喇叭在L、S兩個(gè)工作頻段的高中低三個(gè)頻點(diǎn)和方向圖仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果．從圖5(a)L頻段和方向圖仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果邊緣照射電平還是有點(diǎn)偏差,產(chǎn)生偏差的因素主要有以下幾個(gè)方面:第一、使用champ軟件仿真的是理想遠(yuǎn)場(chǎng)和方向圖,而實(shí)測(cè)和方向圖只是在近似遠(yuǎn)場(chǎng)的條件下測(cè)試,產(chǎn)生的一些測(cè)試誤差;第二、由于饋源的重量和體積都比較大,放置的饋源相心位置也會(huì)產(chǎn)生一些偏差;第三、由于L/S雙頻段波紋喇叭尺寸比較大,在保證喇叭參數(shù)時(shí)其加工和裝配工藝的精度會(huì)有一定偏差．

(a) 1.19 GHz和差方向圖

(b) 1.2 GHz和差方向圖

(c) 1.21 GHz和差方向圖圖6 跟蹤頻段和差方向圖仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

圖6是跟蹤頻段和差方向圖仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果,從圖中可以看出1.19 GHz、1.2 GHz、1.21 GHz的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合,其差零深都大于35 dB,差增益仿真結(jié)果為6 dB、7 dB、7 dB,差增益實(shí)測(cè)結(jié)果為8 dB、9 dB、10 dB,差增益實(shí)測(cè)與仿真的結(jié)果有3 dB左右的偏差,主要原因在于:仿真模型差信號(hào)的結(jié)果饋電合成網(wǎng)絡(luò)是無損耗的,而實(shí)測(cè)差信號(hào)的結(jié)果饋電合成網(wǎng)絡(luò)是有損耗的,還有測(cè)試方法與測(cè)試誤差的影響,導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果的差異．

3 結(jié) 論

論文以L/S雙頻波紋喇叭和L頻段單脈沖跟蹤器為研究對(duì)象,在單槽深結(jié)構(gòu)形式的槽底開差模耦合口,通過饋電合成網(wǎng)絡(luò)形成差模信號(hào),實(shí)現(xiàn)了L頻段單脈沖跟蹤器的功能．論文研究從L/S雙頻波紋喇叭的設(shè)計(jì)、到耦合出L頻段差模信號(hào),通過饋電網(wǎng)絡(luò)合成,形成單脈沖跟蹤信號(hào),同時(shí)保證L/S雙頻段主模信號(hào)的基本無影響,滿足了工程上天線的電氣性能指標(biāo)要求,實(shí)現(xiàn)了天線單脈沖自跟蹤功能和天線跟蹤精度的要求．這項(xiàng)研究技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到導(dǎo)航接收系統(tǒng)工程中,天線運(yùn)行良好,進(jìn)一步驗(yàn)證了波紋槽內(nèi)耦合差模信號(hào)的可行性,解決了3個(gè)倍頻以內(nèi)的差模信號(hào)的耦合技術(shù),還有待于更深入研究的工作是在多頻段波紋喇叭內(nèi)耦合出多頻段差模信號(hào)以及低頻段和模信號(hào)．

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鄧智勇 (1979—),男,江西人,高級(jí)工程師．主要從事微波技術(shù)天線饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究．

阮云國(guó) (1981—),男,黑龍江人,高級(jí)工程師．主要從事微波技術(shù)天線饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究．

李勇 (1978—),男,河北人,高級(jí)工程師．主要從事微波技術(shù)衛(wèi)星天線饋源系統(tǒng)研究．

Design of an L/S dual-band corrugated horn with monopulse tracking ability in L-band

DENG Zhiyong1,2RUAN Yunguo2LI Yong2

(1.ChinaCommunicationsSystemCoLtd.HebeiBranch,Shijiazhuang050081,China;2.The54thResearchinstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Shijiazhuang050081,China)

Monopulse tracking is widely used in tracking middle or low orbit satellite communication antenna. The cutoff frequency and the voltage maximum position of the differential mode of the single-slot corrugated horn is studied. Based on the differential mode signal, an L/S dual-band corrugated horn with monopulse tracking ability in L-band is designed. The measured results demonstrate that the horn has good matching performance and symmetric radiation pattern in L/S band. Besides, the differential signal coupled from the corrugated horn is able to fulfill the monopulse tracking in L-band. It is indicated that the corrugated horn antenna satisfies the requirements in application.

corrugated horn; dual-band;single-slot; differential mode coupling; monopulse tracking

2016-11-08

10.13443/j.cjors.2016110801

TN 828.5

A

1005-0388(2017)01-0044-06

聯(lián)系人： 鄧智勇 E-mail: dengzhiyong_305@163.com

鄧智勇, 阮云國(guó), 李勇. 具有L波段單脈沖跟蹤能力的L/S雙波段共用波紋喇叭天線[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2017,32(1):44-49.

DENG Z Y, RUAN Y G, LI Y. Design of an L/S dual-band corrugated horn and L-band monopulse tracker[J]. Chinese journal of radio science,2017,32(1):44-49. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2016110801