一種極化可調(diào)的雙頻段雙極化饋源的設計

徐可榮,王 燁

(船舶重工集團公司 723所,揚州225001)

0 引 言

由于衛(wèi)星通信天線在不同緯度具有不同的極化特性,這就要求天線在運動過程中能做到極化適時可調(diào)。而收、發(fā)端口正交極化,隔離度在-85 dB以下,這就要求收發(fā)端口具有高隔離度。

1 饋源的設計思路

考慮到饋源轉(zhuǎn)動時間過長可能導致位置松動,天線方向圖會發(fā)生變化,因此必須將饋源的輻射喇叭與反射面相對固定,在波紋喇叭后面用同軸旋轉(zhuǎn)關節(jié),通過旋轉(zhuǎn)關節(jié)的轉(zhuǎn)動改變極化方向。為了滿足收發(fā)隔離度低于-85 dB,必須在接收端口用一帶阻濾波器。

如果用普通的同軸饋電,端口極化隔離度很難達到-30 dB,這就要求增加濾波器的級數(shù),相應增加了結(jié)構(gòu)尺寸,對結(jié)構(gòu)安裝提出了更高的要求。用極化分集器可以將隔離度做到-45 dB以下,問題將迎刃而解。

1.1 波紋喇叭的設計

根據(jù)天線的要求可以確定饋源的初級照射角θ0,為了滿足低副瓣的要求,將初級照射的邊緣照射電平定為-20 dB。最佳喇叭波瓣寬度與半張角的關系為:

1.2 旋轉(zhuǎn)關節(jié)的設計

波紋喇叭與極化分集器用等半徑的圓波導連接,由于同軸兩端在轉(zhuǎn)動時不能接觸,之間必有一個間距,這就形成了一個諧振腔。這種諧振腔一端短接,另一端的閉合腔壁與內(nèi)導體的末端之間形成電容器。腔體中產(chǎn)生的駐波仍以TEM波為基礎。

整個諧振腔相當于始端短接而終端接有集中電容C的分布參數(shù)電路。如圖1所示,從終端ab來看,其輸入導納有:

圖1 電容負載的同軸線型諧振腔的等效電路

而集中電容的電納為Bc=ω C,要滿足諧振條件,必須有:因此:

根據(jù)以上各式可以計算出諧振腔的長度。

在轉(zhuǎn)動部分與固定部分用軸承配合連接,保證轉(zhuǎn)動靈活,且具有較好的饋源駐波特性。

1.3 極化分集器的設計

極化分集器的主路為圓波導,兩輸出端口均為相應頻段的標準矩形波導。發(fā)射支路沿饋源的軸向傳輸,先用方-圓過渡將圓波導轉(zhuǎn)換為方波導,然后再過渡為需要的矩形波導;接收支路與發(fā)射支路正交極化,方向相差90°,接收支路波導與主路之間有一耦合腔,調(diào)整耦合腔的大小及位置可以優(yōu)化出比較好的端口駐波及隔離度結(jié)果。

2 模型及仿真結(jié)果

饋源的結(jié)構(gòu)型式如圖2所示。

式中：p為極對數(shù)；Ls為同步電感。對于電機本體，轉(zhuǎn)子磁鏈矢量Ψr與轉(zhuǎn)子d軸上的勵磁磁動勢矢量Ff方向一致，而定子磁鏈矢量Ψs雖對應著氣隙合成磁動勢矢量Fδ，但確切地說，Ψs應指包括電樞漏磁鏈在內(nèi)的定子全磁鏈矢量。文獻[5]中把定、轉(zhuǎn)子磁鏈矢量之間的交角δsr定義為“負載角”[5]，其物理意義同相量U與E0之間的交角即功角δ是一樣的。式(2)表明，如果Ψs和Ψr保持為定值，則電磁轉(zhuǎn)矩T便是單一可控變量δsr的正弦函數(shù)。

圖2 饋源的結(jié)構(gòu)外形圖

喇叭的E面方向圖如圖3所示。

圖3 喇叭的E面方向圖

喇叭的H面方向圖如圖4所示。

圖4 喇叭的H面方向圖

饋源發(fā)射支路的駐波曲線如圖5所示(發(fā)射支路中心頻率為 f1)。

圖5 發(fā)射支路駐波曲線

饋源接收支路的駐波曲線如圖6所示(接收支路中心頻率為 f2)。

圖6 接收支路駐波曲線

饋源的極化隔離度曲線如圖7所示。

圖7 隔離度曲線

3 實測結(jié)果和饋源照片

饋源的測試方向圖如圖8、圖9所示(測試的增益值是測試系統(tǒng)接收到的電平大小,不是饋源本身的增益)。

測試方向圖跟仿真方向圖基本吻合,全頻段內(nèi)±30°角的邊緣照度范圍在-13～-19.5 dB范圍之內(nèi),滿足天線的設計要求。

饋源發(fā)射支路的駐波曲線如圖10所示。

圖10 發(fā)射支路駐波測試曲線

饋源接收支路的駐波曲線如圖11所示。

圖11 接收支路駐波測試曲線

全頻帶范圍之內(nèi)發(fā)射支路駐波小于1.3,接收支路小于1.75,滿足使用要求。

饋源隔離度測試圖如圖12所示。

圖12 隔離度測試曲線

極化分集器一次加工成型,在沒有加任何調(diào)試件的情況下,饋源全頻帶范圍之內(nèi)隔離度在-47.5 dB以下,滿足設計要求。

饋源的實物照片如圖13所示。

圖13 隔離度測試曲線

4 結(jié)論

饋源經(jīng)過合理的結(jié)構(gòu)、工藝設計,加工一次成型,加工完畢以后測試結(jié)果跟仿真結(jié)果基本符合。由于系統(tǒng)空間位置有限,饋電部分轉(zhuǎn)換成同軸型式,如果用波導饋電饋源駐波可以做得更好。

[1]林昌祿.近代天線設計[M].北京:人民郵電出版社,1987.

[2]林昌祿,聶在平.天線工程手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[3]廖承恩.微波技術(shù)基礎[M].北京:國防工業(yè)出版社,1984.