s频段同轴馈源设计及波束宽度调整

s频段同轴馈源设计及波束宽度调整

0同馈源的种类50m反射望远镜采用前传输表面天线，天线间距直径比为0.35。天线采用30m容量，30m50m容量内采用金属网。工作频段包括VHF、UHF、L、S、X、Ku等,采用一个馈源组馈电,每个馈源工作在一个频段或两个频段,其中S、X频段共用一个馈源,馈源在S频段(2070～2530MHz)照射50m口径,照射角为142°,在X频段(7600～9200MHz)照射30m口径,照射角为92.8°,采用同轴馈源可以实现在S和X两个频段具有不同的照射角。采用内外导体嵌套的办法,同轴馈源可以用作双频馈源,同轴馈源工作在低频段,同轴馈源的内导体为圆波导馈源,工作在高频段。同轴馈源和圆波导馈源均工作在主模TE11模状态,所以对于同轴馈源,其辐射方向图波束等化只有在合适的馈源口面尺寸和外-内导体直径比(a/b)的情况下才能实现,然而波束等化的频率范围很窄,馈源辐射方向图的第一旁瓣、后瓣和交叉极化电平很高。所以通常在同轴馈源的口面和圆波导口面加轭流槽,可以在一定程度上改善上述特性,但对同轴馈源来说,远不能达到对波束等化、工作频带宽度、电压驻波比和轴比等电气性能的要求。1馈源的选择原则同轴馈源和圆波导馈源的口面直径决定了馈源辐射方向图波束宽度,口径越大,波束宽度越窄。对于X频段波导馈源,尽量使其口径增大,使其对天线在30m口径的照射电平接近于-10dB。但波导馈源口径加大受到S频段同轴馈源的限制,通常同轴馈源外-内导体直径比(a/b)的值选择在2.5以上,若a/b的值太小,则电压驻波比太差;另一方面,a/b的值一定,内导体直径越大,则同轴馈源的口径越大,导致S频段同轴馈源对50m口径的照射电平太低。经综合考虑,选择X频段圆波导馈源的内径为0.47λmax～0.57λmin,外径为Φ44mm,波导馈源口面带一个轭流槽,槽宽1.5mm,槽深9mm。馈源照射电平为-6～-10dB。保持同轴馈源内导体不变,外导体口面直径选择两种,一种口面直径为105mm,命外为coax1,另一种口面直径为116mm,命名为coax2,两种馈源的外-内导体直径比(a/b)的值分别为2.39和2.64,无论在同轴馈源口面是否有轭流槽,在S频段的高端,两种馈源辐射方向图的波束等化均很差,且照射锥消电平太低,E面方向图锥消电平达到-16～-18dB,H面方向图锥消电平达到-11～-14dB,所以必须采用另外的技术措施,来展宽同轴馈源方向图-10dB点的波束宽度,使其接近142°,且使同轴馈源方向图波束等化。2同轴馈源方向图的等化工作在主模TE11模的同轴馈源的一个特点就是波束等化频带窄,宽频带工作时频带高端波束等化差。为了改善频带高端的方向图波束等化特性且展宽波束,在同轴馈源口面加一个与内外导体同心的金属圆环,金属环紧贴外导体内径表面,可以展宽馈源在E面、H面方向图的波束宽度,且使馈源E面、H面方向图等化。这个圆环在径向的厚度越厚,馈源方向图波束展宽越多。E面比H面方向图波束展宽更多,这是因为在馈源口面加圆环以后,一方面使同轴馈源的辐射口径减小,使馈源E面、H面方向图波束宽度变宽;另一方面,这个圆环相当于在同轴波导中引入了一个台阶,会产生高次模TM11模,使馈源的E面方向图波束展宽,而对H面方向图波束宽度没有影响。在同轴馈源口面采用矢量模法进行计算也得出了相同的结论。当圆环在径向的厚度增加到某一个值时,可以实现同轴馈源E面、H面方向图的基本等化,此时馈源的旁瓣电平与后瓣电平也显著降低,但方向图波束等化的频带比较窄。馈源的电压驻波比对这个圆环非常敏感,引起了同轴馈源电压驻波比的升高,圆环在径向的厚度越厚,同轴馈源的电压驻波比越大,所以不能单纯依靠增加圆环径向厚度来改善同轴馈源方向图的等化,还必须采用其它的技术途径来改善同轴馈源的波束等化特性。已经知道,90°波纹喇叭的方向图具有很好的波束等化,将90°波纹槽从圆波导口径后移一定距离,可以使馈源的E面、H面方向图波束展宽,同时仍保持馈源方向图的波束等化特性,波束等化的频带宽度可以达到20%以上。同理,在同轴馈源的口径外壁增加一组波纹槽(一组四个槽,如coax1)或几组波纹槽(三组九个槽,如coax2),且波纹槽从同轴馈源口径后移一定距离,也可以实现同轴馈源方向图的宽频带波束展宽和波束等化。图1、图2为同轴馈源coax1和coax2结构图,图1中,t=6;Φ1=74;Φ2=65.6;Φ3=47;L1=44.4;L2=73.1;L3=87.9。图2中,t=6;Φ1=71;Φ2=58;L1=55;L2=151。表1是两种馈源方向图-10dB点波束宽度对照表,表中:a1—coax1口面没有环,外壁没有波纹槽时的仿真结果;a2—coax1口面有环,外壁没有波纹槽时的仿真结果;a3—coax1口面有环,外壁有波纹槽时的仿真结果;a4—coax1口面有环,外壁有波纹槽时的测试结果。b1、b2、b3、b4的含义对应表示coax2在上述几种情况下的仿真与测试结果。图3、图4是两种馈源在口面加金属圆环且馈源外壁加波纹槽的仿真与实测方向图。从表1看出,同轴馈源口面加金属环和馈源外壁加波纹槽,均可以使同轴馈源方向图的-10dB点波束展宽,并使其E面和H面方向图趋于等化。从图3、图4看出,仿真与测试结果符合性较好。通过选择同轴馈源的口径大小、口面金属环在径向的厚度、波纹槽的半张角(即波纹槽与同轴馈源轴线的夹角)以及调整波纹槽距同轴馈源口面的距离,可以改变同轴馈源E面、H面方向图的波束宽度并使E面、H面方向图趋于等化。所以同轴馈源适合于用作焦距直径比(F/D)大于0.3的前馈抛物面天线的单频或双频共用馈源,当波纹槽半张角小于50°且同轴馈源内导体端面与外导体口面保持平齐时,也可以用作环焦天线的单频或双频共用馈源,此时同轴馈源在两频段的相位中心不一致,在使用时要加以注意。同轴馈源口面金属环使X频段圆波导馈源方向图的波束宽度变窄,对应于92.8°照射角的照射电平降低了1dB,而同轴馈源外壁波纹槽对X频段圆波导馈源方向图几乎没有影响。3同方分法匹配金属环影响同轴馈源电压驻波比与轴比特性的器件主要是同轴馈源的同轴辐射器和矩形波导—同轴波导信号耦合器。同轴辐射器的电压驻波比取决于外-内导体直径比(a/b),a/b越小,同轴馈源TE11模的特征阻抗与自由空间的匹配越差。采用在同轴馈源内导体上,与内导体同轴排列一组金属环,通过调整金属环的大小和相对位置,可以改善同轴辐射器的匹配。在同轴辐射器口面加了波束展宽和等化金属环以后,同轴馈源的电压驻波比变得更差了。采用相同的方法仍可以改善同轴辐射器的匹配,但匹配环的大小与排列位置关系与同轴辐射器口面未加金属环时相比有所不同。coax1使用了三个匹配环,coax2使用了两个匹配环。对coax1与coax2同轴辐射器电压驻波比的仿真结果如表2。矩形波导-同轴波导信号耦合器就是在同轴波导侧壁对称开四个耦合缝隙,四个耦合缝隙外接矩列波导,实现由同轴波导向矩形波导信号耦合。四路矩形波导分别连接±45°移相器、合路器、正交模耦合器,实现了线圆极化转换和两端口输出。矩形波导—同轴波导信号耦合器的匹配,通常在同轴波导耦合缝周围采用螺杆来进行匹配调整,但采用螺杆调整很难保证螺杆分布的对称性和进入同轴波导内深度的一致性,从而导致馈源正交输出端口隔离度劣化,造成天线的效率损失和极化干扰,所以在耦合缝隙前端也采用一个匹配调整金属环,金属环内径为Φ100mm,外径为Φ80mm,厚度为10mm。采用螺杆调整匹配的端口隔离度最差为8dB,采用金属环调整匹配的端口隔离度最差为15dB。对于同轴馈源coax1和coax2,同轴波导信号耦合器是相同的。同轴波导信号耦合器前端连接同轴匹配负载,从正交模耦合器输出端口测得的电压驻波比线极化时<1.43∶1,圆极化时<1.28∶1。同轴波导信号耦合器前端连接同轴辐射器,组成coax1馈源时,测得的电压驻波比线极化时<1.72∶1,圆极化时<1.34∶1,轴比<1.22∶1;组成coax2馈源时,电压驻波比线极化时<1.78∶1,圆极化时<1.30∶1,轴比<1.21∶1。从对coax1与coax2电压驻波比的测试结果可知,依据对同轴辐射器匹配仿真结果确定的匹配调整金属环的大小和位置与实际调试结果是基本一致的,所以对于同轴馈源的同轴辐射器匹配调整,可以依据仿真来确定金属环的大小和位置。4仿真结果分析同轴馈源辐射方向图波束展宽和波束等化可以通过在同轴馈源口面加金属环和在同轴馈源外壁加波纹槽来实