一種寬頻帶20/30GHz波紋饋源分析及設(shè)計(jì)

本文介紹用于跟蹤數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）地面測控天線的20/30GHz波紋圓錐饋源,給出了設(shè)計(jì)性能與試驗(yàn)件測試結(jié)果。輻射方向圖等化＜1dB,交叉極化優(yōu)于-26dB；在18.1～20.2GHz，VSWR＜1.12，在28.5～30GHz，VSWR＜1.05。
　　關(guān)鍵詞：TDRSS　Ka波段　波紋饋源

一、 20/30GHz波紋饋源設(shè)計(jì)

　　對于L、S、C、X、Ku等較低頻段而言,波紋饋源設(shè)計(jì)及制造方法都已有成熟的技術(shù),而作為TDRSS系統(tǒng)Ka波段測控天線［1］的初級饋源,則其設(shè)計(jì)與工藝制造方法均有待于研究和探索。一方面由于工作頻率很高,波紋喇叭及其輸入模轉(zhuǎn)換過渡段的波紋槽結(jié)構(gòu)尺寸很小(0.1～2mm)，另一方面電氣設(shè)計(jì)指標(biāo)對外形尺寸的加工公差要求很高（±0.02mm）,給機(jī)械加工帶來較大的難度，主要的難度在于環(huán)加載過渡段的保精度加工方法,因此必須采用高精度工藝制造技術(shù)或者新的設(shè)計(jì)方法。
　　一種辦法是采用其他形式的饋源,不用波紋喇叭,另一種辦法是采用按單頻段設(shè)計(jì)，過渡段為變槽深的波紋饋源。由于工作頻帶寬(1:1.65),這兩種辦法都對天線系統(tǒng)的整體性能影響較大。文獻(xiàn)［2］中采用變槽深過渡段的波紋喇叭在20GHz和30GHz照射電平分別為-10dB和-27dB，差異很大，如果用它作饋源，天線系統(tǒng)在20GHz和30GHz性能差異大，尤其20GHz旁瓣難以達(dá)到(29-25lgθ)dBi的強(qiáng)制性包絡(luò)要求。其他形式的饋源也存在類似的情況以及方向圖等化和交叉極化問題。經(jīng)過方案論證,我們采用環(huán)加載展寬頻帶技術(shù),在波紋喇叭輸入模轉(zhuǎn)換過渡段設(shè)計(jì)時(shí),特意將前幾個(gè)波紋齒適當(dāng)加寬,適當(dāng)減小加工難度,我們采用了單個(gè)波紋片精密加工,然后再由高精度工裝將二十個(gè)波紋片固定,最后電鑄成型工藝,實(shí)際達(dá)到的加工精度已通過電氣性能測試,這種波紋饋源的測量性能完全滿足天線系統(tǒng)的要求,這也表明了設(shè)計(jì)方法和制造工藝非常成功和有效。
　　設(shè)計(jì)的波紋喇叭外形尺寸為,口面半徑a=59mm,相位中心d=177.5mm,喇叭半張角α=12.56°，長度L=264.96mm?？紤]到用TE21模跟蹤，取輸入端直徑為17.8mm，波紋槽深度3～4mm,最小加載寬度0.1mm，w=2mm，P=3mm，環(huán)加載厚度為相應(yīng)波紋槽深度的0.3倍，設(shè)計(jì)方法可參考文獻(xiàn)［3］～［5］。波紋饋源結(jié)構(gòu)如圖 1所示。波紋模轉(zhuǎn)換過渡段半徑a采用{Aexp（Bx2）-A+a0}曲線形式，以實(shí)現(xiàn)寬頻帶匹配。

圖 1　20/30GHz波紋饋源結(jié)構(gòu)

二、 Ka波段饋源設(shè)計(jì)性能與測量結(jié)果

　　波紋饋源HE11模輻射特性設(shè)計(jì)結(jié)果如圖 2所示，計(jì)算公式為［4,5］：

圖 2　計(jì)算的波紋饋源輻射方向圖

其中：Q±=∫10J0(xat)J0(ut)μ11j2(xat)J2(ut)exp(-jφmt2)tdt

S=∫10J0(xat)exp(-jφmt2)tdt

　　HE21模的計(jì)算方向圖也示于圖 2中［5］。設(shè)計(jì)的波紋喇叭HE11模電壓駐波比在18.1～20.2GHz頻帶內(nèi)小于1.06；28.5～30GHz小于1.02，計(jì)算式如下［4，5］：

式中,xa0為TE11模特征值,xa為HEmn模的特征值。測量的20～30GHz波紋饋源試驗(yàn)件HE11模性能如圖 3所示。關(guān)于HE21跟蹤模的性能待試驗(yàn)完成后將另文發(fā)表。

圖 3(a)　　　　　　　　　　　　圖 3(b)

圖 3(c)　　　　　　　　　　　　　　圖 3(d)

圖 3　測量的20～30GHz波紋饋源性能

三、 結(jié)　論

　　波紋饋源是高性能Ka波段TDRSS測控天線的核心部件之一，本文介紹了設(shè)計(jì)方法和計(jì)算結(jié)果，并示出了測量的試驗(yàn)件性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種20/30GHz波紋饋源HE11模輻射性能滿足天線系統(tǒng)的要求，達(dá)到了預(yù)期的研制目的。