橢圓函數(shù)低通濾波器在機載天線中的應(yīng)用

摘" 要： 以橢圓函數(shù)低通濾波器為原型，建立不同形式的寬帶低通濾波器，通過HFSS軟件對濾波器進行仿真分析。采用不同切向形式工藝降低裝配誤差對高次模的影響，并通過實際測試數(shù)據(jù)驗證仿真結(jié)果的一致性。最終將兩種不同形式的濾波器應(yīng)用于機載天線系統(tǒng)進行業(yè)務(wù)測試，通過性能及數(shù)據(jù)對比，選擇了一種更適合機載天線系統(tǒng)的寬帶低通濾波器，收發(fā)隔離度達90 dB以上，為驗證濾波器在機載天線中的應(yīng)用提供了一些思路。

關(guān)鍵詞： 橢圓函數(shù)； 機載天線； 低通濾波器； 收發(fā)隔離度； HFSS； 皺折型

中圖分類號： TN82?34" " " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）13?0066?05

Application of elliptical function low?pass filter in airborne antenna

GUO Gangtao， ZHANG Lin， Lü Yana， YANG Yang， WANG Shuping

（Xian Aerospace Remote Sensing Data Technology Co.， Ltd.， Xi’an 710100， China）

Abstract： Different forms of broadband low?pass filters are established based on elliptic function low?pass filter. The filters are simulated and analyzed with HFSS. Different tangential processes are adopted to reduce the impact of assembly errors on higher?order modes. The consistency of simulation results are verified by actual test data. Two different forms of filters are finally applied to airborne antenna systems for business testing. After the performance and data comparison， a broadband low?pass filter that is more suitable for airborne antenna systems is selected， and its transmission and reception isolation degree is more than 90 dB， which provides some ideas for verifying the application of filters in airborne antennas.

Keywords： elliptic function; airborne antenna; low?pass filter; transmission and reception isolation degree; HFSS; buckling type

0" 引" 言

近年來，我國立足新的發(fā)展階段，在領(lǐng)空、領(lǐng)海、領(lǐng)陸等區(qū)域的戰(zhàn)略需求與日俱增，直升機在反恐、搶險救災(zāi)、處置突發(fā)事件等活動中起到越來越關(guān)鍵的作用[1?2]。然而在機載天線的研制過程中，由于電磁兼容的限制，對天線發(fā)射和接收的隔離度有一定的技術(shù)指標要求。因飛機本身形狀復(fù)雜，且空間有限，容易導(dǎo)致天線由于任務(wù)系統(tǒng)自身收發(fā)之間的相互耦合，對整個任務(wù)系統(tǒng)的指標和性能產(chǎn)生影響，嚴重的甚至?xí)谷蝿?wù)系統(tǒng)不能正常工作[3?4]。

濾波器作為影響天線收發(fā)隔離度的關(guān)鍵器件，在天線的天饋組件中起著至關(guān)重要的作用[5]。本文以橢圓函數(shù)低通濾波器為原型，對濾波器內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化仿真，采用合適的塊模式低通濾波器，并采取兩種不同形式的濾波器設(shè)計，通過仿真及實物驗證其收發(fā)隔離度的差異，選擇一種更適合的寬帶低通濾波器，最終將產(chǎn)品成功應(yīng)用于機載天線之中。

1" 機載天線系統(tǒng)

本文介紹的Ka頻段機載天線[6?9]主要由拋物面天線、饋電網(wǎng)絡(luò)組件、高速電源數(shù)據(jù)滑環(huán)、方位組件、俯仰組件以及極化組件等部件組成，可以實現(xiàn)天線轉(zhuǎn)動準確對準Ka頻段衛(wèi)星并可以發(fā)射和接收Ka衛(wèi)星信號，與衛(wèi)星保持雙向通信等功能。機載天線實物圖如圖1所示。

1.1" 機載天線天饋部分

機載天線天饋部分主要由主反射面、副反射面、饋源喇叭及其后饋電網(wǎng)絡(luò)組成。饋源喇叭采用波紋喇叭形式實現(xiàn)，后接圓極化器、正交模耦合器、濾波器等組成的饋電網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)接收/發(fā)射左右旋圓極化可調(diào)整且極化正交工作。

機載天線天饋結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2" 機載天線轉(zhuǎn)臺部分

機載天線伺服轉(zhuǎn)臺采用成熟的A?E座架，主要由方位傳動機構(gòu)、俯仰傳動機構(gòu)、方位底座等組成。轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)天線方位360°無限旋轉(zhuǎn)、俯仰10°～90°轉(zhuǎn)動范圍。該轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)緊湊，主要部件均置于轉(zhuǎn)臺上，并且有電限位器及機械限位等限位措施，滿足轉(zhuǎn)動范圍，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2" 電模型仿真

2.1" 橢圓函數(shù)低通原型濾波器

橢圓函數(shù)低通原型濾波器的通帶和阻帶都具有切比雪夫波紋，它的參數(shù)需用橢圓函數(shù)進行計算，故稱為“橢圓函數(shù)濾波器”，也稱為“考爾（Cauer）濾波器” [10?12]。圖4為這種濾波器的頻率響應(yīng)。

由圖4可見，由于這種濾波器的阻帶衰減極點不全在無限遠處，因而用這種濾波器可得到很陡的截止率。圖中[LAr]是通帶最大衰減，[LAs]是阻帶最小衰減，[ωc]是通帶帶邊頻率，[ωs]是阻帶帶邊頻率，[ω∞1]、[ω∞2]是阻帶中無限衰減的頻率。

這種橢圓函數(shù)低通濾波器的阻帶最小衰減可近似表示為：

[LAs=10lg10LAr10-1-nlgq（k）-1.2，]

[" " " "q（k）=k2161+2k42+15k44+…4]

式中[n]是濾波器網(wǎng)絡(luò)的支路數(shù)目。式中有三個自變量[LAs]、[n]、[k]和一個因變量[LAs]，已知三個，就可求得另外一個。

2.2" 雙邊皺折型低通濾波器仿真

雙邊皺折型低通濾波器是由高度不同、寬度相同的矩形波導(dǎo)構(gòu)成，高度高的波導(dǎo)模擬串聯(lián)電感，高度低的波導(dǎo)模擬并聯(lián)電容，采用仿真軟件HFSS（High Frequency Structure Simulator）對濾波器電模型進行建模，選擇模式驅(qū)動（Driven Modal）、快速法掃頻，[S]參數(shù)的差值設(shè)置為0.02，收斂2次。雙邊皺折型低通濾波器電模型如圖5所示。

采用建模軟件UG在濾波器電模型基礎(chǔ)上進行三維設(shè)計，該濾波器結(jié)構(gòu)皺折腔體采用對稱結(jié)構(gòu)，寬帶頻段內(nèi)收發(fā)隔離度達-99.06 dB以上，仿真結(jié)果如圖6所示。

2.3" 單邊皺折型低通濾波器仿真

單邊皺折型低通濾波器則是由高度相同、寬度相同的矩形波導(dǎo)構(gòu)成，采用仿真軟件HFSS對濾波器電模型進行建模，選擇模式驅(qū)動、快速法掃頻，[S]參數(shù)的差值設(shè)置為0.02，收斂2次。

單邊皺折型低通濾波器電模型如圖7所示。

采用建模軟件UG在濾波器電模型基礎(chǔ)上進行三維設(shè)計，該濾波器采用單邊皺折腔體結(jié)構(gòu)，對TE20、TE30等高次?？商峁┧p小的通帶，寬帶頻段內(nèi)收發(fā)隔離度達-108.64 dB以上，仿真結(jié)果如圖8所示。

3" 濾波器在機載天線中的應(yīng)用

3.1" 濾波器隔離度測試

為抑制高次模，減小結(jié)構(gòu)裝配縫隙對仿真結(jié)果的影響，雙邊皺折型低通濾波器采用橫切模型對濾波器進行分體加工，單邊皺折型低通濾波器采用縱切模型對濾波器進行分體加工，實物圖如圖9所示。

用矢網(wǎng)分析儀分別對其隔離度進行測試，濾波器隔離度如圖10、圖11所示。

通過實物測試可知，兩種不同形式的濾波器在收發(fā)隔離度上存在一定的差異，雙邊皺折型低通濾波器收發(fā)隔離度在29 GHz后出現(xiàn)惡化現(xiàn)象，到31 GHz處收發(fā)隔離度僅-49.52 dB，單邊皺折型低通濾波器收發(fā)隔離度全頻帶比較穩(wěn)定，均保持在-90 dB以上。其收發(fā)隔離度數(shù)據(jù)如表1所示。

3.2" 整機測試

為驗證濾波器隔離度對天線整機性能的影響，分別將不同形式的濾波器安于機載系統(tǒng)中進行對星測試，目標衛(wèi)星為中星16號衛(wèi)星，天線參數(shù)設(shè)置如表2所示。

將機載天線對準衛(wèi)星并建立衛(wèi)星通信系統(tǒng)[13]，對天線基本業(yè)務(wù)進行測試，測試原理圖如圖12所示。

通過測試發(fā)現(xiàn)，天線在安裝雙邊皺折型低通濾波器時，天線接收信噪比會出現(xiàn)較大跳動，具體如圖13所示。與此同時，接收數(shù)據(jù)會出現(xiàn)頻繁丟包現(xiàn)象，濾波器的收發(fā)隔離度過低會導(dǎo)致天線業(yè)務(wù)受到較大影響。

3.3" 故障分析

雙邊皺折型濾波器雖然已經(jīng)采用橫切模型對濾波器進行分體加工，最大程度上減小了由于加工誤差引起的高次模問題，但由于電模型本身對TE20、TE30等高次模較為敏感，在分體加工裝配后，從28 GHz后隔離度開始明顯惡化；而單邊皺折型濾波器對TE20、TE30等高次?？商峁┧p小的通帶，對高次模不太敏感，實物測試結(jié)果與仿真結(jié)果一致，濾波器性能較好，適用于寬帶濾波器場景。

為驗證裝配縫隙對電模型的敏感程度及隔離度的影響，在兩種電模型中分別加入0.005 mm的縫隙，仿真結(jié)果如圖14～圖17所示。

由圖14～圖17看出，開縫0.005 mm后，兩種濾波器回波損耗變化不大，但雙邊皺折型低通濾波器隔離度惡化到-50 dB，單邊皺折型低通濾波器隔離度雖略有惡化，但隔離度仍維持在-90 dB以上，單邊低通濾波器受縫隙影響較小，仿真結(jié)果與實測結(jié)果一致，最終將單邊皺折型低通濾波器應(yīng)用于機載天線系統(tǒng)之中。

4" 結(jié)" 論

隨著我國通信事業(yè)的快速發(fā)展，直升機在應(yīng)急救災(zāi)中的地位越來越重要，而收發(fā)隔離度作為機載天線最重要的指標之一，其性能好壞直接決定天線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕桓咄啃l(wèi)星的快速發(fā)展及工作帶寬的不斷增大也為機載接收設(shè)備的帶寬接收帶來挑戰(zhàn)，而寬帶濾波器作為決定天線系統(tǒng)收發(fā)隔離度的重要組件，在國內(nèi)相關(guān)文獻中研究較少。本文以橢圓函數(shù)低通濾波器為原型，設(shè)計了兩種不同形式的寬帶低通濾波器，并通過測試數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)驗證對兩種濾波器進行比較，選擇一種性能參數(shù)更優(yōu)且更利于加工實現(xiàn)的寬帶濾波器應(yīng)用于機載天線系統(tǒng)中，為橢圓函數(shù)低通濾波器在寬帶工作頻段的實際應(yīng)用提供了一些參考。

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