Ka雙頻段微波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模式行

Ku/Ka雙頻段微波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模式行摘 要： 雙頻共用和多頻共用技術(shù)是目前衛(wèi)星通信地球站天線的一個(gè)重要發(fā)展方向，其可以擴(kuò)大通信容量，實(shí)現(xiàn)一站多用，大大降低成本?；谖⒉ňW(wǎng)絡(luò)理論，提出一種Ku/Ka雙頻段微波網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案。通過分波器實(shí)現(xiàn)雙頻共用，在Ka波段工作于圓極化，Ku波段工作于線極化。Ku/Ka雙頻共用微波網(wǎng)絡(luò)的核心器件有：分波器、低通濾波器等。該網(wǎng)絡(luò)具有良好的駐波特性、較高的端口隔離度、旋轉(zhuǎn)對(duì)稱和良好的軸比特性的輻射方向圖。最后給出了微波網(wǎng)絡(luò)的實(shí)測(cè)結(jié)果，測(cè)試結(jié)果與技術(shù)要求吻合很好。關(guān)鍵詞： 微波網(wǎng)絡(luò)； 分波器； 低通濾波器； 雙頻段中圖分類號(hào)： TN820?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）16?0023?03Design of microwave network operated in Ku/Ka?bandZHANG Bo（The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050081， China ）Abstract： The dual?band and multiband sharing technologies are the important development directions of satellite communication antenna in ground station， which can enlarge the communication capacity， realize multi?function station and decrease cost dramatically. Based on the theory of microwave network， a design scheme of Ka/Ku dual?band microwave network is presented here. It has a function of frequency sharing which is implemented by wave separator. The network operates circular polarization at Ka band， and linear polarization at Ku band. The design method of essential components （wave separator and low?pass filter） in Ku/Ka dual?band sharing microwave network system is elaborated. This network possesses good matching， high isolation between ports， radiation pattern with good main circularity and axial ratio. The measured results of the microwave network are given. The measured results meet the technique requirement very well.Keywords： microwave network； wave separator； low?pass filter； dual?band0 引 言目前衛(wèi)星通信發(fā)展的瓶頸在于有限的頻譜資源，為了進(jìn)一步擴(kuò)大通信容量一般需要展寬現(xiàn)有的通信頻段或者開發(fā)新的通信頻段。當(dāng)前常用的通信頻段有C（收發(fā)各800 MHz），Ku（收發(fā)各500 MHz），Ka頻段等。隨著通信業(yè)務(wù)的發(fā)展C，Ku的頻道資源趨于飽和。而更高頻率的Ka頻段具有可用頻帶寬、干擾少等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)一站多用降低成本，頻率復(fù)用技術(shù)成為衛(wèi)星通信地球站天線發(fā)展的一個(gè)重要的方向。饋源網(wǎng)絡(luò)是地球站天線系統(tǒng)的核心，發(fā)展具有優(yōu)良性能的多頻帶、寬頻帶饋源網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是地球站天線系統(tǒng)發(fā)展的重中之重。Ku/Ka雙頻段饋源網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，可以給衛(wèi)通系統(tǒng)提供更寬的頻段，更高的傳輸速率，用以支撐無(wú)人機(jī)、船載站等各種移動(dòng)載體的衛(wèi)通系統(tǒng)鏈路更快的傳輸信息，既能保證常用Ku衛(wèi)通通信體制的要求，又可擴(kuò)展到Ka頻段高速率信息的傳輸。本文介紹的就是一種Ku頻帶經(jīng)過展寬的Ku/Ka雙頻段微波網(wǎng)絡(luò)，原有的Ku頻率為收發(fā)500 MHz，現(xiàn)擴(kuò)展為接收1.3 GHz發(fā)射750 MHz，Ka頻段保持不變。1 系統(tǒng)方案和原理要實(shí)現(xiàn)微波網(wǎng)絡(luò)的多頻段共用有多種方案，目前廣泛應(yīng)用的有同軸式饋源網(wǎng)絡(luò)、頻率選擇面式饋源網(wǎng)絡(luò)、波束波導(dǎo)式饋源網(wǎng)絡(luò)、共噴口分波器式饋源網(wǎng)絡(luò) 。經(jīng)過分析工程需求我們選取微波網(wǎng)絡(luò)的形式為共噴口分波器式，其具有適合雙反射面天線的照射角，有良好的交叉極化特性和較小的系統(tǒng)損耗等優(yōu)點(diǎn)，并且結(jié)構(gòu)緊湊能適合各種口徑天線。Ku/Ka雙頻段共噴口分波器式微波網(wǎng)絡(luò)由波紋喇叭式饋源和雙頻微波網(wǎng)絡(luò)組成。其工作流程可以概括如下： Ku頻段信號(hào)經(jīng)過Ka波段TE21模耦合器的主通道到達(dá)Ku/Ka分波器，從耦合臂耦合出來(lái)后分別合成為正交的接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)；Ka頻段信號(hào)在經(jīng)過Ku/Ka分波器時(shí)，由于低通濾波器對(duì)其有抑制作用，所以可以無(wú)損耗的通過分波器；其后經(jīng)過Ka圓極化器和Ka收發(fā)正交模耦合器分別形成Ka發(fā)射信號(hào)和Ka接收信號(hào)，跟蹤信號(hào)與Ka波段TE21模耦合器分離出來(lái)。Ku/Ka雙頻段微波網(wǎng)絡(luò)的工作原理框圖見圖1。圖1 Ku/Ka雙頻段微波網(wǎng)絡(luò)的工作原理框圖2 微波網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)Ku/Ka雙頻段微波網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部件有Ku/Ka分波器、低通濾波器等，其共同工作實(shí)現(xiàn)了雙頻網(wǎng)絡(luò)良好的電氣特性。2.1 Ku/Ka分波器的設(shè)計(jì)Ku/Ka分波器可以看作一種六端口網(wǎng)絡(luò)，主通道為一圓錐形過渡，前端為來(lái)波方向，一般連接波紋喇叭饋源，后端的尺寸逐漸變小直至能為低端頻率的信號(hào)提供短路面，使高端頻率的信號(hào)可以通過。在主通道的過渡段上選取合適的位置開四個(gè)豎槽耦合孔，耦合孔沿主通道軸心均勻分布，低頻信號(hào)可從耦合孔耦合出來(lái)。設(shè)分波器前端最大直徑為D1，后端最小直徑為D2，耦合孔中心處直徑為D3，耦合孔的長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，主通道過渡的錐角為，這幾個(gè)參數(shù)需要滿足【7】： （1） （2） （3） （5）式中：為Ku工作頻帶最低頻率的波導(dǎo)波長(zhǎng)；為Ku工作頻帶最高頻率的波導(dǎo)波長(zhǎng)；a為耦合孔連接的矩形波導(dǎo)的寬邊長(zhǎng)度；c為取值介于12之間的常數(shù)。由此可得出需要設(shè)計(jì)的Ku/Ka分波器的關(guān)鍵尺寸：D1=20 mm，D2=10 mm，D3=16 mm，α=13，L0=15 mm。2.2 低通濾波器的設(shè)計(jì)低通濾波器的通帶為Ku頻帶，阻帶為Ka頻帶，其安裝在分波器耦合孔外側(cè)，使Ku頻段信號(hào)以較小的損耗通過并為Ka頻段信號(hào)提供短路面。低通濾波器對(duì)系統(tǒng)的性能有著重大影響。Ku/Ka雙頻段微波網(wǎng)絡(luò)的最高工作頻率與最低工作頻率之比達(dá)到2.7，即需要低通濾波器的阻帶最高頻率與通帶最低頻率之比為2.7。一般濾波器的寄生通帶在2個(gè)倍頻左右就已出現(xiàn)，根據(jù)以上需求，把濾波器的形式選定為塊模式濾波器。塊模式濾波器是在許多縱向槽和橫向槽中間凸起一些金屬塊構(gòu)成，其具有匹配良好的寬通帶和高衰減的寬阻帶，可使許多高次模受到抑制。塊模式濾波器結(jié)構(gòu)外形見圖2。圖2 塊模式濾波器結(jié)構(gòu)外形圖設(shè)fm為通帶中心頻率，濾波器的截止頻率f1=，無(wú)限衰減頻率f∞=40 GHz，則可得=2.16，并選，由設(shè)計(jì)曲線 查得=0.35，可求得b=5.67 mm，L=1.8 mm。尺寸b1，L1由下式確定： （6） （7） （8）式中G=2.45，n=5，可解得b1，L1的值。由于波導(dǎo)縱向開槽的影響，使得低阻抗線的單位電容減小，故最終的開縫尺寸b0需根據(jù)式（9）對(duì)b1修正后得來(lái)： （9）式中，由此可求得b0。塊模式濾波器的電氣尺寸確定后，在全波仿真軟件CST里對(duì)其建模仿真，仿真結(jié)果見圖3。圖3 塊模式濾波器仿真結(jié)果3 實(shí)測(cè)結(jié)果完成關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)并加工完成后，對(duì)Ku/Ka雙頻段微波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了主要電氣指標(biāo)的測(cè)試，技術(shù)指標(biāo)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。表1 Ku/Ka雙頻段微波網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果從測(cè)試結(jié)果可以看出所有端口駐波都小于1.35，收發(fā)隔離大于85 dB，線極化交叉極化大于35 dB，圓極化軸比小于1.5 dB，整個(gè)微波網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了低回波損耗，低軸比和高隔離度的設(shè)計(jì)要求。4 結(jié) 語(yǔ)本文介紹了一種頻帶展寬的Ku/Ka雙頻段共噴口分波器式微波網(wǎng)絡(luò)，其具有良好的電氣性能，已廣泛應(yīng)用于各種口徑的衛(wèi)通地球站天線。參考文獻(xiàn)【1】 楊可忠.現(xiàn)代面天線新技術(shù).北京：人民郵電出版社，1993.【2】 田車輦.Ku波段13米衛(wèi)星通信天線設(shè)計(jì)與性能.無(wú)線電工程，1999（3）：55?59.【3】 張玉珍.Ku/Ka多頻段饋源的分析與設(shè)計(jì).成都：電子科技大學(xué)，2011.【4】 齊述堂，田哲民.高性能C波段800 MHz帶寬頻譜復(fù)用饋源網(wǎng)絡(luò).無(wú)線電工程，1998（8）：1?5.【5】 ROSPOPA Y O， OVSIANYK Y A， DUBROVKA R F， et al. 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