S/X/Ka三頻饋源設(shè)計及實現(xiàn)

引 言

隨著對地觀測技術(shù)及遙感應(yīng)用需求的發(fā)展，對遙感衛(wèi)星地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的要求也日益提高，更寬頻段、更高頻率、雙頻或多頻共用技術(shù)已成為新的技術(shù)發(fā)展趨勢 [1]。饋源是地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接影響著整個地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的性能。

用于接收高碼速率、低軌遙感衛(wèi)星的饋源需具有較寬的工作帶寬、高增益、高極化鑒別率和高跟蹤精度等能力[2,3]。同時需具備多頻共用以滿足多星接收，提高地面接收系統(tǒng)利用率的需求[4]。高性能、多頻段、寬頻帶、低軸比的 S/X/Ka 三頻自跟蹤饋源研制的技術(shù)難度較大，如何保證饋源所有頻段滿足工程技術(shù)要求是一項關(guān)鍵技術(shù)。

依據(jù)實際工程任務(wù)的技術(shù)需求，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種具有高增益、高極化鑒別率、低旁瓣性能與單脈沖跟蹤功能的S/X/Ka 三頻段饋源。

1 S/X/Ka饋源設(shè)計

1.1 饋源結(jié)構(gòu)

饋源結(jié)構(gòu)采用三頻段五喇叭組合饋源體制，中間為X/Ka 雙頻段單噴口小張角波紋喇叭，S頻段饋源是分布在X/Ka雙頻段饋源外圍的四喇叭。

S頻段饋源由四個切角喇叭加切角補償段輸出，分別與各自的極化器相連，最后通過合成網(wǎng)絡(luò)形成S頻段的左、右旋圓極化的和路和差路信號。

X/Ka雙頻段饋源采用單噴口單槽深小張角波紋喇叭，由X/Ka波紋喇叭、跟蹤器、分波器、圓波導(dǎo)極化器、移相器、濾波器、正交器等組成。其中，X頻段饋源網(wǎng)絡(luò)采用單排八孔TE21模耦合器與組合魔 T 實現(xiàn)跟蹤功能，和路射頻信號由分波器分離之后再由正交接頭合成，在此過程中通過 45 波導(dǎo)移相器實現(xiàn)圓極化，然后采用圓波導(dǎo)正交器將左、右旋射頻信號分離；Ka 頻段饋源網(wǎng)絡(luò)采用八臂多孔跟蹤器跟蹤，和路射頻信號由圓波導(dǎo)極化器實現(xiàn)圓極化，然后采用圓波導(dǎo)正交器將兩正交的圓極化射頻信號分離出來。

這種組合饋源結(jié)構(gòu)有利于實現(xiàn) X/Ka 波段寬頻帶低軸比的技術(shù)要求，能夠設(shè)計出性能優(yōu)越的饋源。S/X/Ka 三頻段饋源組成框圖如圖 1 所示。

1.2 X/Ka頻段饋源部件設(shè)計

1.2.1 高性能波紋喇叭的設(shè)計

要在整個X/Ka 頻段內(nèi)實現(xiàn)低軸比，同時確保高增益、低旁瓣性能，饋源喇叭種類的選擇和優(yōu)化設(shè)計是關(guān)鍵。波紋喇叭因具有頻帶寬、交叉極化分量低、電壓駐波比好，且具有在整個使用帶寬內(nèi)近于不變的旋轉(zhuǎn)對稱的波束寬度等優(yōu)點而成為首選[5,6]。

一般設(shè)計的波紋喇叭其縱向和橫向尺寸均大于所采用的光壁圓錐喇叭，由于在它的外圍緊密排列著四個S 頻段的切角喇叭，如果尺寸變化較大，為避免二次遮擋效應(yīng)，勢必要減小外圍喇叭的尺寸，從而影響到 S 波段的整體性能。因此， X/Ka頻段饋源采用單槽深小張角波紋喇叭。

1.2.2 跟蹤器設(shè)計

X 頻段饋源網(wǎng)絡(luò)采用單排八孔TE21 模耦合器與組合魔 T 實現(xiàn)跟蹤功能。與多孔跟蹤器相比，單孔跟蹤器可非常方便的在跟蹤支路的耦合孔外添加低通濾波器，抑制 Ka 頻段的和、差信號進入X 頻段跟蹤器的差網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計可避免跟蹤器對Ka 頻段性能指標(biāo)產(chǎn)生不良影響。但對于X 頻段而言， 單孔跟蹤器僅有一個耦合孔，它對于X 頻段的主模和跟蹤模式的耦合度差距并不明顯，因此，在耦合主模信號的同時，必然耦合一定量的和模信號，從而產(chǎn)生較大的 X 頻段和模損失，增大了 X/Ka 頻段饋源的損耗與天線 X 頻段的噪聲溫度，同時也降低了天饋系統(tǒng)的 G/T 值。因此，必須采取合理的處理措施。

設(shè)計時通過優(yōu)化設(shè)計耦合孔相關(guān)尺寸，降低了跟蹤器耦合孔對于X 頻段主模的耦合度，將耦合損失控制到系統(tǒng) G/T 值余量的容許范圍內(nèi)。在X 跟蹤器與魔 T 之間設(shè)置了群島式低通濾波器以抑制X 跟蹤器對Ka 頻段的影響。

Ka 頻段饋源網(wǎng)絡(luò)采用八臂多孔跟蹤器實現(xiàn)跟蹤，和路射頻信號由圓波導(dǎo)極化器實現(xiàn)圓極化，采用圓波導(dǎo)正交器將兩正交的圓極化射頻信號分離出來。

1.2.3 X/Ka分波器

X/Ka分波器是X/Ka雙頻饋源分波技術(shù)的核心器件，其設(shè)計形式和技術(shù)性能指標(biāo)直接決定了雙頻饋源的功能實現(xiàn)和技術(shù)性能。分波的優(yōu)化設(shè)計可使 X和Ka頻段得到有效分離， 兩頻段雖然處于同一個單噴口饋源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，但互不影響。

設(shè)計時采用四路對稱式分波器，并對波紋喇叭、分波器的張角及耦合孔、濾波器進行綜合優(yōu)化設(shè)計，控制 X、Ka頻段高次模式的影響，抑制有害高次模式，控制固有高次模式， 利用有利高次模式，大大降低了極化器前的交叉極化分量，使兩頻段的軸比，尤其Ka頻段的軸比性能得到有效提升。

1.2.4 高性能移相器的設(shè)計

要實現(xiàn)低的圓極化軸比，必須采用高性能的移相器件。微波器件的性能是設(shè)計、加工、安裝、調(diào)試等多個環(huán)節(jié)共同作用的結(jié)果。高性能移相器的設(shè)計在綜合分析技術(shù)需求、各類移相器的性能及加工、安裝、調(diào)試等因素后，X 頻段采用具有優(yōu)秀幅度- 相位- 頻率響應(yīng)且環(huán)境適應(yīng)性良好的 45波導(dǎo)移相器 ；Ka 頻段采用波紋波導(dǎo)和臺階組合式移相器，該移相器具有優(yōu)秀的幅度- 相位- 頻率響應(yīng)和環(huán)境適應(yīng)性。

1.2.5 正交器的設(shè)計

正交器完成公共端口中兩個相互正交的線極化信號的分離，并將它們傳給相互正交的兩個單一模式的信號端口。選用的正交器的駐波、隔離度實測結(jié)果為 7.95 ～8.95 GHz，反射系數(shù) < － 28.2 dB（ 電壓駐波比 1.081∶1）， 隔離度 < －53.11 dB。

1.3 S 頻段饋源部件設(shè)計

饋源采用四喇叭模式，四個喇叭分布在 X/Ka 雙頻段饋源外圍。四個切角喇叭加切角補償段輸出分別與各自的極化器相連，最后通過合成網(wǎng)絡(luò)形成S 頻段的左、右旋圓極化的和路與差路信號。

文中采用隔板式極化器。隔板極化器是一個三端口的波導(dǎo)器件，具備同時完成線極化到圓極化轉(zhuǎn)換以及左、右旋圓極化分離的雙重功能，可減小饋電系統(tǒng)尺寸，便于現(xiàn)場安裝。

合成網(wǎng)絡(luò)采用帶狀線形式，由寬帶魔 T 和 3 dB 電橋組合分別輸出和、差信號。帶狀線組合網(wǎng)絡(luò)的外殼設(shè)計成金屬盤， 帶狀線內(nèi)導(dǎo)體全部包含其中，大大縮小了合成網(wǎng)絡(luò)的物理尺寸， 也減少了不必要的電纜連接。S頻段饋源合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2所示。

圖 2 S 頻段饋源合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2 測試結(jié)果

設(shè)計的 S/X/Ka 饋源已用于實際工程項目中，饋源與 12米修正型卡氏天線組裝后的測試結(jié)果見表 1，表 2，表 3 所列。

測試結(jié)果表明，天饋系統(tǒng)的電氣和結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，性能指標(biāo)完全滿足頻率復(fù)用高碼速率遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的技術(shù)需求。

3 結(jié) 語

S/X/Ka 三頻段饋源采用 5 喇叭結(jié)構(gòu)，其中X/Ka 雙頻段饋源采用單噴口單槽深小張角波紋喇叭，S 頻段饋源是分布在X/Ka 雙頻段饋源外圍的四喇叭。該饋源具有高增益、高極化鑒別率、低旁瓣性能等特性，并具備單脈沖跟蹤功能。

該饋源已用于相關(guān)的工程項目中，測試結(jié)果滿足 S/X/Ka遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)的技術(shù)需求。