s頻段同軸饋源設(shè)計(jì)及波束寬度調(diào)整

s頻段同軸饋源設(shè)計(jì)及波束寬度調(diào)整

0同饋源的種類50m反射望遠(yuǎn)鏡采用前傳輸表面天線，天線間距直徑比為0.35。天線采用30m容量，30m50m容量內(nèi)采用金屬網(wǎng)。工作頻段包括VHF、UHF、L、S、X、Ku等,采用一個(gè)饋源組饋電,每個(gè)饋源工作在一個(gè)頻段或兩個(gè)頻段,其中S、X頻段共用一個(gè)饋源,饋源在S頻段(2070～2530MHz)照射50m口徑,照射角為142°,在X頻段(7600～9200MHz)照射30m口徑,照射角為92.8°,采用同軸饋源可以實(shí)現(xiàn)在S和X兩個(gè)頻段具有不同的照射角。采用內(nèi)外導(dǎo)體嵌套的辦法,同軸饋源可以用作雙頻饋源,同軸饋源工作在低頻段,同軸饋源的內(nèi)導(dǎo)體為圓波導(dǎo)饋源,工作在高頻段。同軸饋源和圓波導(dǎo)饋源均工作在主模TE11模狀態(tài),所以對于同軸饋源,其輻射方向圖波束等化只有在合適的饋源口面尺寸和外-內(nèi)導(dǎo)體直徑比(a/b)的情況下才能實(shí)現(xiàn),然而波束等化的頻率范圍很窄,饋源輻射方向圖的第一旁瓣、后瓣和交叉極化電平很高。所以通常在同軸饋源的口面和圓波導(dǎo)口面加軛流槽,可以在一定程度上改善上述特性,但對同軸饋源來說,遠(yuǎn)不能達(dá)到對波束等化、工作頻帶寬度、電壓駐波比和軸比等電氣性能的要求。1饋源的選擇原則同軸饋源和圓波導(dǎo)饋源的口面直徑?jīng)Q定了饋源輻射方向圖波束寬度,口徑越大,波束寬度越窄。對于X頻段波導(dǎo)饋源,盡量使其口徑增大,使其對天線在30m口徑的照射電平接近于-10dB。但波導(dǎo)饋源口徑加大受到S頻段同軸饋源的限制,通常同軸饋源外-內(nèi)導(dǎo)體直徑比(a/b)的值選擇在2.5以上,若a/b的值太小,則電壓駐波比太差;另一方面,a/b的值一定,內(nèi)導(dǎo)體直徑越大,則同軸饋源的口徑越大,導(dǎo)致S頻段同軸饋源對50m口徑的照射電平太低。經(jīng)綜合考慮,選擇X頻段圓波導(dǎo)饋源的內(nèi)徑為0.47λmax～0.57λmin,外徑為Φ44mm,波導(dǎo)饋源口面帶一個(gè)軛流槽,槽寬1.5mm,槽深9mm。饋源照射電平為-6～-10dB。保持同軸饋源內(nèi)導(dǎo)體不變,外導(dǎo)體口面直徑選擇兩種,一種口面直徑為105mm,命外為coax1,另一種口面直徑為116mm,命名為coax2,兩種饋源的外-內(nèi)導(dǎo)體直徑比(a/b)的值分別為2.39和2.64,無論在同軸饋源口面是否有軛流槽,在S頻段的高端,兩種饋源輻射方向圖的波束等化均很差,且照射錐消電平太低,E面方向圖錐消電平達(dá)到-16～-18dB,H面方向圖錐消電平達(dá)到-11～-14dB,所以必須采用另外的技術(shù)措施,來展寬同軸饋源方向圖-10dB點(diǎn)的波束寬度,使其接近142°,且使同軸饋源方向圖波束等化。2同軸饋源方向圖的等化工作在主模TE11模的同軸饋源的一個(gè)特點(diǎn)就是波束等化頻帶窄,寬頻帶工作時(shí)頻帶高端波束等化差。為了改善頻帶高端的方向圖波束等化特性且展寬波束,在同軸饋源口面加一個(gè)與內(nèi)外導(dǎo)體同心的金屬圓環(huán),金屬環(huán)緊貼外導(dǎo)體內(nèi)徑表面,可以展寬饋源在E面、H面方向圖的波束寬度,且使饋源E面、H面方向圖等化。這個(gè)圓環(huán)在徑向的厚度越厚,饋源方向圖波束展寬越多。E面比H面方向圖波束展寬更多,這是因?yàn)樵陴佋纯诿婕訄A環(huán)以后,一方面使同軸饋源的輻射口徑減小,使饋源E面、H面方向圖波束寬度變寬;另一方面,這個(gè)圓環(huán)相當(dāng)于在同軸波導(dǎo)中引入了一個(gè)臺階,會(huì)產(chǎn)生高次模TM11模,使饋源的E面方向圖波束展寬,而對H面方向圖波束寬度沒有影響。在同軸饋源口面采用矢量模法進(jìn)行計(jì)算也得出了相同的結(jié)論。當(dāng)圓環(huán)在徑向的厚度增加到某一個(gè)值時(shí),可以實(shí)現(xiàn)同軸饋源E面、H面方向圖的基本等化,此時(shí)饋源的旁瓣電平與后瓣電平也顯著降低,但方向圖波束等化的頻帶比較窄。饋源的電壓駐波比對這個(gè)圓環(huán)非常敏感,引起了同軸饋源電壓駐波比的升高,圓環(huán)在徑向的厚度越厚,同軸饋源的電壓駐波比越大,所以不能單純依靠增加圓環(huán)徑向厚度來改善同軸饋源方向圖的等化,還必須采用其它的技術(shù)途徑來改善同軸饋源的波束等化特性。已經(jīng)知道,90°波紋喇叭的方向圖具有很好的波束等化,將90°波紋槽從圓波導(dǎo)口徑后移一定距離,可以使饋源的E面、H面方向圖波束展寬,同時(shí)仍保持饋源方向圖的波束等化特性,波束等化的頻帶寬度可以達(dá)到20%以上。同理,在同軸饋源的口徑外壁增加一組波紋槽(一組四個(gè)槽,如coax1)或幾組波紋槽(三組九個(gè)槽,如coax2),且波紋槽從同軸饋源口徑后移一定距離,也可以實(shí)現(xiàn)同軸饋源方向圖的寬頻帶波束展寬和波束等化。圖1、圖2為同軸饋源coax1和coax2結(jié)構(gòu)圖,圖1中,t=6;Φ1=74;Φ2=65.6;Φ3=47;L1=44.4;L2=73.1;L3=87.9。圖2中,t=6;Φ1=71;Φ2=58;L1=55;L2=151。表1是兩種饋源方向圖-10dB點(diǎn)波束寬度對照表,表中:a1—coax1口面沒有環(huán),外壁沒有波紋槽時(shí)的仿真結(jié)果;a2—coax1口面有環(huán),外壁沒有波紋槽時(shí)的仿真結(jié)果;a3—coax1口面有環(huán),外壁有波紋槽時(shí)的仿真結(jié)果;a4—coax1口面有環(huán),外壁有波紋槽時(shí)的測試結(jié)果。b1、b2、b3、b4的含義對應(yīng)表示coax2在上述幾種情況下的仿真與測試結(jié)果。圖3、圖4是兩種饋源在口面加金屬圓環(huán)且饋源外壁加波紋槽的仿真與實(shí)測方向圖。從表1看出,同軸饋源口面加金屬環(huán)和饋源外壁加波紋槽,均可以使同軸饋源方向圖的-10dB點(diǎn)波束展寬,并使其E面和H面方向圖趨于等化。從圖3、圖4看出,仿真與測試結(jié)果符合性較好。通過選擇同軸饋源的口徑大小、口面金屬環(huán)在徑向的厚度、波紋槽的半張角(即波紋槽與同軸饋源軸線的夾角)以及調(diào)整波紋槽距同軸饋源口面的距離,可以改變同軸饋源E面、H面方向圖的波束寬度并使E面、H面方向圖趨于等化。所以同軸饋源適合于用作焦距直徑比(F/D)大于0.3的前饋拋物面天線的單頻或雙頻共用饋源,當(dāng)波紋槽半張角小于50°且同軸饋源內(nèi)導(dǎo)體端面與外導(dǎo)體口面保持平齊時(shí),也可以用作環(huán)焦天線的單頻或雙頻共用饋源,此時(shí)同軸饋源在兩頻段的相位中心不一致,在使用時(shí)要加以注意。同軸饋源口面金屬環(huán)使X頻段圓波導(dǎo)饋源方向圖的波束寬度變窄,對應(yīng)于92.8°照射角的照射電平降低了1dB,而同軸饋源外壁波紋槽對X頻段圓波導(dǎo)饋源方向圖幾乎沒有影響。3同方分法匹配金屬環(huán)影響同軸饋源電壓駐波比與軸比特性的器件主要是同軸饋源的同軸輻射器和矩形波導(dǎo)—同軸波導(dǎo)信號耦合器。同軸輻射器的電壓駐波比取決于外-內(nèi)導(dǎo)體直徑比(a/b),a/b越小,同軸饋源TE11模的特征阻抗與自由空間的匹配越差。采用在同軸饋源內(nèi)導(dǎo)體上,與內(nèi)導(dǎo)體同軸排列一組金屬環(huán),通過調(diào)整金屬環(huán)的大小和相對位置,可以改善同軸輻射器的匹配。在同軸輻射器口面加了波束展寬和等化金屬環(huán)以后,同軸饋源的電壓駐波比變得更差了。采用相同的方法仍可以改善同軸輻射器的匹配,但匹配環(huán)的大小與排列位置關(guān)系與同軸輻射器口面未加金屬環(huán)時(shí)相比有所不同。coax1使用了三個(gè)匹配環(huán),coax2使用了兩個(gè)匹配環(huán)。對coax1與coax2同軸輻射器電壓駐波比的仿真結(jié)果如表2。矩形波導(dǎo)-同軸波導(dǎo)信號耦合器就是在同軸波導(dǎo)側(cè)壁對稱開四個(gè)耦合縫隙,四個(gè)耦合縫隙外接矩列波導(dǎo),實(shí)現(xiàn)由同軸波導(dǎo)向矩形波導(dǎo)信號耦合。四路矩形波導(dǎo)分別連接±45°移相器、合路器、正交模耦合器,實(shí)現(xiàn)了線圓極化轉(zhuǎn)換和兩端口輸出。矩形波導(dǎo)—同軸波導(dǎo)信號耦合器的匹配,通常在同軸波導(dǎo)耦合縫周圍采用螺桿來進(jìn)行匹配調(diào)整,但采用螺桿調(diào)整很難保證螺桿分布的對稱性和進(jìn)入同軸波導(dǎo)內(nèi)深度的一致性,從而導(dǎo)致饋源正交輸出端口隔離度劣化,造成天線的效率損失和極化干擾,所以在耦合縫隙前端也采用一個(gè)匹配調(diào)整金屬環(huán),金屬環(huán)內(nèi)徑為Φ100mm,外徑為Φ80mm,厚度為10mm。采用螺桿調(diào)整匹配的端口隔離度最差為8dB,采用金屬環(huán)調(diào)整匹配的端口隔離度最差為15dB。對于同軸饋源coax1和coax2,同軸波導(dǎo)信號耦合器是相同的。同軸波導(dǎo)信號耦合器前端連接同軸匹配負(fù)載,從正交模耦合器輸出端口測得的電壓駐波比線極化時(shí)<1.43∶1,圓極化時(shí)<1.28∶1。同軸波導(dǎo)信號耦合器前端連接同軸輻射器,組成coax1饋源時(shí),測得的電壓駐波比線極化時(shí)<1.72∶1,圓極化時(shí)<1.34∶1,軸比<1.22∶1;組成coax2饋源時(shí),電壓駐波比線極化時(shí)<1.78∶1,圓極化時(shí)<1.30∶1,軸比<1.21∶1。從對coax1與coax2電壓駐波比的測試結(jié)果可知,依據(jù)對同軸輻射器匹配仿真結(jié)果確定的匹配調(diào)整金屬環(huán)的大小和位置與實(shí)際調(diào)試結(jié)果是基本一致的,所以對于同軸饋源的同軸輻射器匹配調(diào)整,可以依據(jù)仿真來確定金屬環(huán)的大小和位置。4仿真結(jié)果分析同軸饋源輻射方向圖波束展寬和波束等化可以通過在同軸饋源口面加金屬環(huán)和在同軸饋源外壁加波紋槽來實(shí)