Ka雙頻段微波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

Ku/Ka雙頻段微波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計 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重要開展方向，其可以擴大通信容量，實現(xiàn)一站多用，大大降低本錢?；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)計方案。通過分波器實現(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)的實測結(jié)果，測試結(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：TN820?34文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1004?373X202116?0023?03DesignofmicrowavenetworkoperatedinKu/Ka?bandZHANGBoThe54thResearchInstituteofCETC，Shijiazhuang050081，ChinaAbstract：Thedual?bandandmultibandsharingtechnologiesaretheimportantdevelopmentdirectionsofsatellitecommunicationantennaingroundstation，whichcanenlargethecommunicationcapacity，realizemulti?functionstationanddecreasecostdramatically.Basedonthetheoryofmicrowavenetwork，adesignschemeofKa/Kudual?bandmicrowavenetworkispresentedhere.Ithasafunctionoffrequencysharingwhichisimplementedbywaveseparator.ThenetworkoperatescircularpolarizationatKaband，andlinearpolarizationatKuband.Thedesignmethodofessentialcomponentswaveseparatorandlow?passfilterinKu/Kadual?bandsharingmicrowavenetworksystemiselaborated.Thisnetworkpossessesgoodmatching，highisolationbetweenports，radiationpatternwithgoodmaincircularityandaxialratio.Themeasuredresultsofthemicrowavenetworkaregiven.Themeasuredresultsmeetthetechniquerequirementverywell.Keywords：microwavenetwork；waveseparator；low?passfilter；dual?band0引言目前衛(wèi)星通信開展的瓶頸在于有限的頻譜資源，為了進(jìn)一步擴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800MHz，Ku收發(fā)各500MHz，Ka頻段等。隨著通信業(yè)務(wù)的開展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，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用1?3。為了實現(xiàn)一站多用降低本錢，頻率復(fù)用技術(shù)成為衛(wèi)星通信地球站天線開展的一個重要的方向。饋源網(wǎng)絡(luò)是地球站天線系統(tǒng)的核心，開展具有優(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)開展的重中之重。Ku/Ka雙頻段饋源網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，可以給衛(wèi)通系統(tǒng)提供更寬的頻段，更高的傳輸速率，用以支撐無人機、船載站等各種移動載體的衛(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)500MHz，現(xiàn)擴展為接收1.3GHz發(fā)射750MHz，Ka頻段保持不變。1系統(tǒng)方案和原理要實現(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)4?6。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，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，從耦合臂耦合出來后分別合成為正交的接收信號和發(fā)射信號；Ka頻段信號在經(jīng)過Ku/Ka分波器時，由于低通濾波器對其有抑制作用，所以可以無損耗的通過分波器；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)射信號和Ka接收信號，跟蹤信號與Ka波段TE21模耦合器別離出來。Ku/Ka雙頻段微波網(wǎng)絡(luò)的工作原理框圖見圖1。圖1Ku/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，其共同工作實現(xiàn)了雙頻網(wǎng)絡(luò)良好的電氣特性。2.1Ku/Ka分波器的設(shè)計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提供短路面，使高端頻率的信號可以通過。在主通道的過渡段上選取適宜的位置開四個豎槽耦合孔，耦合孔沿主通道軸心均勻分布，低頻信號可從耦合孔耦合出來。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，耦合孔的長度為L0，主通道過渡的錐角為，這幾個參數(shù)需要滿足【7】：2.62D1max3.41D112.62D2min3.41D22D3=min+max3.413min2max-min1.705sinL0=cmax-min1.705sin5式中：min為Ku工作頻帶最低頻率的波導(dǎo)波長；max為Ku工作頻帶最高頻率的波導(dǎo)波長；a為耦合孔連接的矩形波導(dǎo)的寬邊長度；c為取值介于12之間的常數(shù)。由此可得出需要設(shè)計的Ku/Ka分波器的關(guān)鍵尺寸：D1=20mm，D2=10mm，D3=16mm，=13，L0=15mm。2.2低通濾波器的設(shè)計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頻段信號以較小的損耗通過并為Ka頻段信號提供短路面。低通濾波器對系統(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到達(dá)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個倍頻左右就已出現(xiàn)8，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9。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=fm0.7，無限衰減頻率f=40GHz，那么可得ff1=2.16，并選Lb=1，由設(shè)計曲線10查得b1=0.35，可求得b=5.67mm，L=1.8mm。尺寸b1，L1由下式確定：tanL11=b1G-2ln1+0.21586=b1b7a=nL+L18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b1修正后得來：=?+2?tan-1b1L+b1ln1+Lb12L9式中=b0b1，?=LL+L1，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實測結(jié)果完成關(guān)鍵部件的設(shè)計并加工完成后，對Ku/Ka雙頻段微波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了主要電氣指標(biāo)的測試10，技術(shù)指標(biāo)和實測數(shù)據(jù)見表1。表1Ku/Ka雙頻段微波網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果從測試結(jié)果可以看出所有端口駐波都小于1.35，收發(fā)隔離大于85dB，線極化交叉極化大于35dB，圓極化軸比小于1.5dB，整個微波網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了低回波損耗，低軸比和高隔離度的設(shè)計要求。4結(jié)語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)M.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)計與性能J.無線電工程，19993：55?59.【3】張玉珍.Ku/Ka多頻段饋源的分析與設(shè)計D.成都：電子科技大學(xué)，2021.【4】齊述堂，田哲民.高性能C波段800MHz帶寬頻譜復(fù)用饋源網(wǎng)絡(luò)J.無線電工程，19988：1?5.【5】ROSPOPAYO，OVSIANYKYA，DUBROVKARF，etal.RecentprogressindevelopmentofmultibandfeedhornsJ.AntennaTheoryandTechniques，20216：44?50.【6】楊科.20/30GHz頻率選擇面技術(shù)研究J.空間電子技術(shù)，20044：34?36.【7】段斌，李紅衛(wèi).C/Ku雙波段饋源系統(tǒng)的研究J.微波學(xué)報，19983：227?232.8張曉峰.寬阻帶波導(dǎo)雙工器的研制D.成都：電子科技大學(xué)，2021工程測量技術(shù)M.北京：人民郵電出版社，2021.