一種圓極化多模耦合器

許 智 梁昌洪

(1. 西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安710071； 2.中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，陜西 西安 710100)

1. 引 言

衛(wèi)星高速數(shù)據(jù)通信中，為了保證接收天線窄波束準(zhǔn)確指向來(lái)波方向，可以采用圓波導(dǎo)圓柱波導(dǎo)橫電波Transverse Electric Mode中的一種高階模(TE21)模[1-2]單脈沖[3-5]自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)[6]來(lái)實(shí)現(xiàn)。該自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中，用于通信的和波束一般用圓波導(dǎo)中的主模圓柱波導(dǎo)橫電波Transverse Electric Mode中的基模(TE11)模，用于跟蹤的模式為TE21模與TE11模。

目前星載自動(dòng)跟蹤天線的難題在于，天線安裝空間嚴(yán)格受限，因此，要求饋源設(shè)計(jì)得非常緊湊。由此產(chǎn)生的課題是：所設(shè)計(jì)的寬帶耦合器尺寸盡可能小，在滿足差模完全耦合的情況下，必須對(duì)和模進(jìn)行很好地抑制。對(duì)此，文章從TE21模跟蹤原理出發(fā)，深入研究了耦合孔數(shù)、耦合強(qiáng)度分布對(duì)耦合器性能的影響，介紹了一種圓極化TE21模耦合器的設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)了一個(gè)Ka頻段圓極化TE21模耦合器，在衛(wèi)星通信中得到很好的應(yīng)用。

2.理論分析

2.1 TE21模自動(dòng)跟蹤原理

圖1左邊為圓波導(dǎo)中TE11模及其極化簡(jiǎn)并模的場(chǎng)分布圖，它將產(chǎn)生如圖1右邊所示的和波束方向圖；圖2左邊為圓波導(dǎo)中TE21模及其極化簡(jiǎn)并模的場(chǎng)分布圖，它將產(chǎn)生如圖2右邊所示的差波束方向圖。

TE21多模跟蹤時(shí)，當(dāng)天線電軸準(zhǔn)確指向來(lái)波方向時(shí)，天線只有和波束接收到信號(hào)，差波束接收到的信號(hào)非常微弱，可以認(rèn)為接收不到信號(hào)；而當(dāng)天線電軸偏離來(lái)波方向時(shí)，天線和波束不僅能夠接收到信號(hào)，差波束也將接收到信號(hào)，而且在小角度范圍內(nèi)，差波束接收到的信號(hào)強(qiáng)度與天線電軸偏離來(lái)波的角度成正比，差波束接收到的信號(hào)在和波束信號(hào)的參考下，經(jīng)過(guò)處理后就可以用于自動(dòng)跟蹤。可以看出：TE21模耦合器在整個(gè)跟蹤系統(tǒng)中具有很重要的地位，其性能很大程度上影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。

圖1 圓波導(dǎo)中的TE11模分布

圖2 圓波導(dǎo)中的TE21模分布

2.2 TE21模耦合器設(shè)計(jì)原理與方法

如圖3所示為單臂TE21模耦合器，波導(dǎo)Ⅰ為圓波導(dǎo)，波導(dǎo)Ⅱ?yàn)榫匦尾▽?dǎo)，兩個(gè)波導(dǎo)的公共壁上有一系列小孔(槽)，從端口1輸入的TE21模經(jīng)過(guò)小孔區(qū)時(shí)幾乎完全耦合成端口4的矩波導(dǎo)模電波Transverse Electric Mode中的基模(TE10)模，并在端口3形成高的隔離；而從端口1輸入的TE11模，幾乎無(wú)損耗地從端口2輸出，并相對(duì)于端口3與端口4形成高的隔離。通過(guò)這種方式，TE21模耦合器將通信用的TE11模與跟蹤用的TE21模分離開來(lái)。

圖3 TE21模耦合器

圖4 波導(dǎo)間的多孔耦合

圖4為圖3的等效電路，波導(dǎo)Ⅰ為激勵(lì)波導(dǎo)，波導(dǎo)Ⅱ?yàn)轳詈喜▽?dǎo)，兩個(gè)波導(dǎo)之間耦合區(qū)長(zhǎng)L，兩個(gè)波導(dǎo)的對(duì)應(yīng)模式通過(guò)一系列小孔發(fā)生耦合，在波導(dǎo)Ⅱ中激勵(lì)起前向電流If與反向電流Ib，波導(dǎo)Ⅰ、Ⅱ中的相位常數(shù)分別為β1、β2，定義線間的耦合C為[7-8]：當(dāng)β1≠β2時(shí)的前向電流與β1=β2時(shí)的前向電流之比；定義定向性D為[7-8]：當(dāng)β1≠β2時(shí)的反向電流與β1=β2時(shí)的前向電流之比，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下

(1)

(2)

(3)

(4)

φ(x)為耦合函數(shù)，為傳輸線Ⅱ上x處的模式電壓與傳輸線Ⅰ上x處的模式電壓之比。以上為連續(xù)分布的耦合，實(shí)際應(yīng)用中多采用離散分布耦合，為方便計(jì)算，采用2N個(gè)等間距分布的小孔，孔間距為S，并關(guān)于耦合區(qū)間中心對(duì)稱，且分布函數(shù)φ(x)滿足

φ(x)=

則有[7-8]

(5)

(6)

對(duì)上面的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行研究，可以得出兩個(gè)重要結(jié)論

1) 為了使TE21模耦合最大，應(yīng)滿足θC=0，亦即使β1=β2。

2) 在β1=β2情況下，為了使TE11模定向性高，可以改變耦合分布ai，或者改變耦合區(qū)內(nèi)小孔數(shù)目N，或者改變耦合區(qū)長(zhǎng)L.

在差模完全耦合的情況下，為了尋求對(duì)和模的有效抑制，可以從D出發(fā)進(jìn)行研究，該參量表征了和模相對(duì)差模的抑制情況。根據(jù)以上公式，選用Ka頻段，對(duì)耦合孔數(shù)目、耦合分布進(jìn)行了分析，如圖5、圖6所示，圖6為24個(gè)耦合孔的結(jié)果。從圖中可以看出，采用貝塞爾函數(shù)(Bessel)函數(shù)分布能夠優(yōu)化耦合器的帶內(nèi)特性，同時(shí)可以看出，24個(gè)耦合孔就已經(jīng)能夠達(dá)到較好的性能。

圖5 TE11模定向性與耦合孔數(shù)目的關(guān)系

圖6 TE11模定向性與各種分布的關(guān)系

耦合器設(shè)計(jì)涉及到的另一個(gè)問(wèn)題是耦合場(chǎng)的選擇問(wèn)題。這與發(fā)生耦合的兩個(gè)場(chǎng)的分布相關(guān)。圓波導(dǎo)中的TE21模場(chǎng)分布為[9]

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

矩形波導(dǎo)中TE10模場(chǎng)分布為[9]

(12)

(13)

(14)

可以看出，要達(dá)到采用矩形波導(dǎo)窄邊耦合，并且兩個(gè)波導(dǎo)的軸平行的寬帶耦合器的設(shè)計(jì)方式，則必須使用圓波導(dǎo)中的Hz分量激勵(lì)矩形波導(dǎo)中的Hz分量。

2.3 圓極化TE21模耦合器設(shè)計(jì)

圖3所示的單臂耦合器在多模自動(dòng)跟蹤中具有一些缺陷。一方面，因?yàn)椴捎脝伪垴詈?，破壞了圓波導(dǎo)的對(duì)稱性，傳輸其中的和信號(hào)的幅度、相位將產(chǎn)生變化，而且垂直于小孔面的線極化與平行于小孔面的線極化受到的影響不相同，因此，使得傳輸其中的圓極化波的交叉極化變差，影響天線最終的性能。因此，為了避免饋源和模交叉極化變差，需要在耦合器后面進(jìn)行校正，但這種饋源帶寬較窄。另一方面，單臂耦合器差模為線極化，對(duì)與天線差模極化正交的來(lái)波不能產(chǎn)生差信號(hào)。

對(duì)于TE21模耦合器，如果差模為線極化，而且又不破壞和模的對(duì)稱性，根據(jù)其波導(dǎo)場(chǎng)的分布可知，需要四個(gè)耦合臂。如果耦合器采用圓極化，則最少需要兩個(gè)互成45°的耦合臂，必然破壞和模的對(duì)稱性；不破壞和模的對(duì)稱性，則至少需要8個(gè)耦合臂，8個(gè)耦合臂均布在圓波導(dǎo)周圍，相鄰耦合臂間隔45°。8個(gè)耦合臂的圓極化TE21模耦合器，工程上應(yīng)用已經(jīng)足夠了，一方面，耦合結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性對(duì)和模的影響基本可以忽略，另一方面，更多的耦合臂在工程上實(shí)現(xiàn)難度與代價(jià)都很大。

8個(gè)耦合臂產(chǎn)生的兩個(gè)線極化差模，需要通過(guò)合成網(wǎng)絡(luò)生成圓極化差模。TE21模耦合器的8個(gè)耦合臂中，4個(gè)耦合臂耦合一個(gè)TE21模，采用三個(gè)魔T(即微波部件magic T)以及各種波導(dǎo)拐彎合成一路，另外四個(gè)臂耦合TE21極化簡(jiǎn)并模，采用同樣方法合成另外一路，合成的兩路之間通過(guò)90°電橋?qū)崿F(xiàn)圓極化TE21模耦合器，同時(shí)具備左旋圓極化(LHCP)與右旋圓極化(RHCP)，實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)來(lái)波極化特性，選擇其中一種使用。另外，魔T與電橋不使用的端口端接負(fù)載。整個(gè)圓極化耦合器的合成原理圖如圖7所示，通過(guò)該合成方法，能夠有效縮短耦合器的縱向長(zhǎng)度。

圖7 圓極化TE21模耦合器合成原理

為了達(dá)到緊湊設(shè)計(jì)的目的，采用上述方法，在耦合區(qū)長(zhǎng)與耦合孔數(shù)目方面進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一個(gè)Ka頻段的8臂圓極化TE21模耦合器，每個(gè)臂24個(gè)耦合孔，耦合強(qiáng)度為Bessel分布，耦合器各個(gè)端口定義如圖8所示，數(shù)字代表該處的端口號(hào)，設(shè)計(jì)的典型頻點(diǎn)的散射矩陣(S矩陣)如表1所示。從表中可以看出，差模得到很好的耦合，和模得到很好的抑制。

圖8 耦合器及模式端口定義

端口模式端口1端口1端口1端口1TE11TE11簡(jiǎn)并TE21TE21簡(jiǎn)并端口2TE110①-49.1-60.4-53.5端口2TE11簡(jiǎn)并-49.10①-68.9-61.1端口2TE21-53.8-51.8-33.2-63.8端口2TE21簡(jiǎn)并-55.7-65.9-56.8-31.0端口3TE10-61.7-65.5-59.1-6.0②端口4TE10-53.2-51.8-6.1②-65.6端口5TE10-55.4-53.8-54.3-6.0②端口6TE10-56.6-55.6-5.9②-57.5端口7TE10-58.7-57.6-66.4-6.0②端口8TE10-53.2-54.7-6.1②-55.9端口9TE10-58.1-62.9-64.3-6.1②端口10TE10-58.6-59.1-6.0②-60.3端口11TE10-48.8-62.3-70.5-49.6端口12TE10-57.1-54.1-45.5-67.2端口13TE10-57.8-54.1-62.4-46.3端口14TE10-50.9-56.4-51.5-71.3端口15TE10-50.2-62.9-66.9-48.7端口16TE10-52.8-50.7-47.3-64.0端口17TE10-58.7-47.9-86.6-44.2端口18TE10-53.1-49.8-43.9-64.3

說(shuō)明：表1中行所在的模式與列所在的模式相交的數(shù)字，表示這兩個(gè)模的散射參數(shù)幅度。比如端口1的TE21模到端口4的TE10模的傳輸參數(shù)幅度為-6.1 dB，反之亦然?！氨碇凶⑨屓缦隆保?/p>

① 包括損耗，實(shí)際測(cè)試結(jié)果大于-0.1 dB；

② 八個(gè)通道合成一個(gè)通道后，包括耦合器與合成網(wǎng)絡(luò)損耗，實(shí)測(cè)結(jié)果大于-0.4 dB。

包括饋電網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)，耦合器縱向總長(zhǎng)度為220 mm，約為8個(gè)電波長(zhǎng)，達(dá)到緊湊設(shè)計(jì)的目的，適合星載應(yīng)用。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

耦合器帶扼流槽波紋喇叭測(cè)試的方向圖如圖9所示，和差波束增益差為6.4 dB,差波束零深相對(duì)差波束峰值為-40 dB，即相對(duì)和波束峰值為-46.4 dB，差波束±40°內(nèi)軸比小于3.0 dB(波束光軸除外),整個(gè)饋源達(dá)到良好的性能，并在衛(wèi)星高速數(shù)據(jù)通信星間鏈路的建立中得到非常廣泛的應(yīng)用。

從表1中可以看出，端口1中TE11模、TE11簡(jiǎn)并模到端口3～端口10的抑制度最小為-51.8 dB,即意味著采用該耦合器的饋源，如果和差效率相同，則差波束零深相對(duì)差波束峰值為-51.8 dB，而實(shí)際的扼流槽波紋喇叭，和差增益相差6.4 dB,則說(shuō)明差波束零深相對(duì)差波束峰值設(shè)計(jì)值為-45.4 dB，實(shí)際測(cè)試值為-40 dB,考慮加工、裝配以及測(cè)試誤差后，測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)值吻合得很好。

圖9 TE21多模饋源和差方向圖

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

文章對(duì)TE21模耦合器的耦合孔數(shù)、耦合強(qiáng)度分布進(jìn)行了深入的研究，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適合衛(wèi)星高速數(shù)據(jù)通信應(yīng)用的緊湊型TE21模耦合器，并在衛(wèi)星通信中得到很好的應(yīng)用。隨著數(shù)傳碼速率的不斷提高，相信TE21模耦合器會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。

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