S+X雙頻旋轉關節(jié)設計與仿真

毛南平,潘高峰,潘國平,李其福

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

S+X雙頻旋轉關節(jié)設計與仿真

毛南平,潘高峰,潘國平,李其福

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

為解決S+X雙頻合建大型測控天線S、X不能同時發(fā)射上行功率的技術難題，對天饋線系統主要組成部件包括：天線反射面、S/X雙頻饋源、S/X雙頻段旋轉關節(jié)等進行了分析，并針對結構實現與電氣設計上的技術難點，給出了解決方案：電氣設計上采用TM01模式作為X頻段圓波導主要傳輸模式，采用TEM模式作為S頻段同軸波導傳輸模式；在結構上使用兩通路同軸嵌套的形式,完成了雙頻關節(jié)設計；通過電氣性能仿真，得到了滿意的結果,據此完成了雙頻旋轉關節(jié)方案設計;通過計算、仿真與優(yōu)化,結果表明所設計雙頻關節(jié)的電氣性能均優(yōu)于指標要求；采用該方案設計的某S+X雙頻合建大型測控天線實際使用表明：S、X能同時發(fā)射上行功率，同時構成天地測控回路。

S+X雙頻合建天線; 旋轉關節(jié); 圓波導; 電氣性能

0 引言

旋轉關節(jié)是一個在天線饋線隨著天線在方位或俯仰轉動時，能夠保證天線的上行信號或者下行信號正常傳輸的饋線部件[1]。在采用S、X頻段統一測控系統天線合建后，需要設計一種S、X雙頻段旋轉關節(jié)，這種關節(jié)需要能夠提供兩個通路，分別通過S頻段與X頻段的射頻信號。

1 設計方案

1.1 主要研究內容

設計S頻段旋轉關節(jié)工作模式，S頻段旋轉關節(jié)的尺寸選取，旋轉關節(jié)耦合激勵部分的設計與計算，包括對TEM模式的分析，關節(jié)單模式工作方式以及對不需要的工作模式的抑制及消除方法。重點研究矩形波導TE10轉化成為同軸線中TEM模式的方法。

設計X頻段旋轉關節(jié)工作模式，X頻段旋轉關節(jié)的尺寸選取，X頻段旋轉關節(jié)耦合激勵部分的設計與計算，包括對TM01模式的分析，關節(jié)單模式工作方式以及對不需要的工作模式的抑制及消除方法。重點研究矩形波導TE10轉化成為圓波導TM01模式的方法。

扼流槽的選型，整體關節(jié)的電氣性能的計算，其中包括對關節(jié)駐波、損耗以及功率容量的計算。

1.2 設計方案

對于同時工作在S與X頻段的雙通道射頻信號旋轉關節(jié)，在通路的布局上使用兩通路同軸嵌套的形式，即將X頻段的旋轉關節(jié)布置于關節(jié)整體的軸心部分，其使用圓波導作為關節(jié)主體，關節(jié)示意圖如圖1所示。而S頻段的旋轉關節(jié)主體采用同軸線的形式[2]，其內導體就是X頻段的波導外壁如圖1。這樣就可以實現在一個關節(jié)中同時通過S與X頻段的信號。

圖1 旋轉關節(jié)示意圖

1.3 關鍵技術

1.3.1 S頻段關節(jié)

對于S頻段的旋轉關節(jié)，通過選取合適的耦合孔徑位置及尺寸，將矩形波導的輸模式(TE10模式)轉為同軸波導傳輸模式(TEM)，將其作為旋轉關節(jié)的信號傳輸模式；采用對稱激勵加魔T的方法來消除TE11模式[3]，通過計算耦合孔的耦合量以及魔T的工分性能，利用耦合處理的反相激勵，將TE11模式抵消，保證關節(jié)主體中只存在TEM模式；關節(jié)的接口形式是BJ22的矩形波導。

1.3.2 X頻段關節(jié)

X頻段關節(jié)主體是圓波導，通過選取合適的耦合孔徑位置及尺寸，將矩形波導的TE10模式轉為圓波導TM01模式，作為信號的傳輸模式；在圓波導中選擇合適的激勵位置，使圓波導中的TM01模激勵最大，同時基模激勵最小，再通過選取合適的圓波導短路位置，再次對基模加以抑制，使關節(jié)用TM01模式作為信號傳輸模式，且TM01模式不是圓波導傳輸的基模(基模為TE11)；關節(jié)接口采用BJ84矩形波導，盡量提高關節(jié)的功率容量。

2 主要組成部件仿真

2.1 X頻段關節(jié)模式激勵部分設計及仿真

X頻段關節(jié)的主要關鍵技術在于如何激勵TM01模式，同時避免激勵TE11模式。選擇在圓波導的合適位置開耦合孔以達到對TM01的激勵，同時選擇合適的短路桶高度以對TE11模式進行抑制。短路桶的高度決定了對TE11模式的抑制度以及對TM01模式的激勵程度。圖2為半個X頻段關節(jié)的組成仿真模型，其駐波曲線計算結果已降至-30 dB以下。因關節(jié)屬于上下對稱結構，計算好半個關節(jié)后，將關節(jié)整體組合起來的電氣性能不會改變，再經過進一步優(yōu)化計算，使整個關節(jié)的電氣性能處于優(yōu)良狀態(tài)。

圖2 X頻段關節(jié)部分仿真圖

2.2 S頻段關節(jié)設計及仿真

2.2.1 二功分器

S頻段關節(jié)需要采用對稱激勵的形式，這里需要同軸波導轉矩形波導的二功分器，使同軸線的基本模式可以被激勵出來，同時使得同軸線中第一個高次模式被抑制[4]。這種同軸波導轉矩形波導的二功分器的計算結果如圖3所示，單個部件反射損耗已降至-38 dB以下。

圖3 同軸波導轉矩形波導的二功分器仿真圖

2.2.2 魔T

當同軸線中的信號被分別耦合進矩形波導后，再利用魔T將分別耦合出來的信號合成并輸出，仿真結果如圖4所示，單個部件反射損耗已降至-27 dB以下。

圖4 魔T仿真駐波曲線

2.2.3 波導彎頭

同軸波導轉矩形波導的二功分器的矩形波導端口尺寸與魔T的矩形波導尺寸是不同的，因此需要矩形波導過渡將兩者連接起來，需要使用到波導彎頭，仿真計算結果如圖5所示，單個部件反射損耗已降至-34 dB以下。

圖5 波導彎頭過渡駐波仿真曲線

2.2.4 S頻段關節(jié)

當設計完單個部件后，將它們組合在一起，仿真結果如圖6所示，半個關節(jié)的反射損耗已降至-28 dB以下。

圖6 S頻段關節(jié)駐波仿真曲線

2.3 雙頻關節(jié)扼流槽

扼流槽是關節(jié)不可缺少的部分，扼流槽會改變關節(jié)的電氣性能，因此在S/X雙頻段旋轉關節(jié)的設計中，對扼流槽的排布是一個需要認真分析的問題，同時考察關節(jié)兩個通路在具備扼流槽后的電氣性能也是雙頻關節(jié)設計中的重點工作。

關節(jié)中使用的扼流槽有兩種，即S型扼流槽和L型扼流槽。該雙通道關節(jié)根據各個關節(jié)通路的排布形式，選擇不同的扼流槽，并在關節(jié)底部轉動處使用改進L型扼流槽[5]。

3 主要指標仿真結果

3.1 X頻段關節(jié)

X頻段關節(jié)功率容量仿真結果如圖7所示(輸入功率1 000 W)。

圖7 X頻段旋轉關節(jié)功率容量仿真結果

X頻段關節(jié)駐波仿真結果如圖8所示。

圖8 X頻段關節(jié)駐波仿真結果

X頻段關節(jié)損耗仿真結果如圖9所示。

圖9 X頻段關節(jié)損耗仿真結果

3.2 S頻段關節(jié)

S頻段關節(jié)功率容量仿真結果(輸入功率1 000 W)如圖10所示。

圖10 S頻段關節(jié)功率容量仿真結果

S頻段關節(jié)駐波仿真結果如圖11所示。

圖11 S頻段關節(jié)駐波仿真結果

S頻段關節(jié)損耗仿真結果如圖12所示。

圖12 S頻段關節(jié)損耗仿真結果

從上面的曲線與圖表可以看到，雙頻關節(jié)在S/X頻段電氣性能的計算仿真結果均能滿足指標要求。

4 結束語

S/X雙頻關節(jié)目前還沒有成熟產品，在結構實現與電氣設計上均存在技術上的難點。本文針對各技術難點提出了高質量的解決方案，并進行了初步方案設計。通過仿真計算和優(yōu)化設計，雙頻關節(jié)的電氣性能均優(yōu)于指標要求。在本方案的基礎上，通過進一步設計，可以產出滿足系統指標要求的雙頻旋轉關節(jié)。

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[2] 楊可忠.特殊波束面天線技術[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[3] Johansson J F.A Gauss-laguerre analysis the dual-mode Horn[A].Proc.Int.Symp.Space Thz Tech[C].UCLA,1993:134-138.

[4] Chen Y,Chen A X,Su D L.The optimization design of the pickett potter Horn antenna for KaBand[A].2008 Asia-Pacific Symposium on EMC&19th International Zurich Symposium on EMC[C].2008:19-22.

[5] MizusawaM,KitsuregawaT.A beam-waveguide feed having a symmetric beam for Cassegrain antennas[J].IEEE Trans.AP,1973,21(6):844-846.

Simulation and Design on S- and X-band Rotary Joint

Mao Nanping，Pan Gaofeng，Pan Guoping，Li Qifu

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department, Jiangyin 214431, China)

To resolve the technology problem that S- and X-band antenna in integrated construction couldn’t transmit upstream power at the same time, the antenna feed system was analyzed, including reflecting surface of the antenna, S- and X-band feed source, S- and X-band dual-band rotary joint and so on. The technology difficulties of the configuration implement and the electric design were presented, and the resolving scheme about the technology difficulties was designed. For the electric design, TM01 mode was the main transmitting mode for the X-band circular waveguides, and TEM mode was the transmitting mode for the S-band coaxial waveguides; for the configuration implement, dual-channel coaxial nested shape was used. The design on dual-band rotary joint was gained, and the simulation result was also satisfactory. By calculating, simulating and optimizing, the performance of the proposed dual-band rotary joint exceeds the product qualification. An application of the S- and X-band antenna in integrated construction proposed shows that S- and X-band antenna in integrated construction can transmit upstream power at the same time, and a space-ground TT&C loop is formed.

S- and X-band antenna in integrated construction； rotary joint； circular waveguide； electric performance

2016-07-03；

2016-07-18。

毛南平(1971-)，男，江蘇靖江人，高級工程師，主要從事航天測控總體技術方面的研究。

1671-4598(2016)12-0191-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.054

TN957

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