CN102136631B - 一种s/x双频段圆极化馈源 - Google Patents

Abstract

一种S/X双频段圆极化馈源，采用同轴腔结构，包括S频段喇叭、口径变换段、S频段耦合枢纽、S频段圆极化形成网络、X频段喇叭、X频段圆极化器、电缆组件和波导组件，同轴腔的外腔由S频段喇叭、口径变换段和S频段耦合枢纽的外腔构成，同轴腔的内腔由X频段喇叭和S频段耦合枢纽的内腔构成。本发明采用同轴馈源设计方案，同轴腔实现S频段圆极化电磁波的辐射，而同轴结构内芯中嵌入X频段多模喇叭作为馈源，实现X频段圆极化电磁波的辐射；根据高增益S/X双频段圆极化馈源的设计思路，通过对S频段耦合枢纽进行针对高增益的特殊设计，并巧妙的结合了X馈源设计，进行馈源整体设计，使本发明成为一种覆盖深空探测测控通信应用频段的新型高增益S/X双频段圆极化馈源，具有良好的辐射特性。

Description

一种S/X双频段圆极化馈源

技术领域

本发明涉及一种高增益(S频段约16dBi，X频段约18dBi)S/X双频段圆极化馈源，特别是涉及一种对同轴双频馈源进行高增益设计方法，属于天线技术领域。 

背景技术

随着深空探测技术应用的不断发展，相关空间科学探索不断广泛和深入，飞行器的飞行距离越来越远，这就要求飞行器的测控通信能力也随之提高，仅仅实施S频段的测控与通信已经无法满足越来越复杂的深空探测任务要求，而发展X频段深空测控与通信技术是应对该难题的一种办法。由于S频段的测控与通信具有自身的特点，在深空测控任务中经常回将S频段测控通信与X频段测控通信结合起来使用，用以提高天线指向的跟踪能力和通信畅通的保障能力，同时提供在不同飞行阶段选择不同的通信方式，具有工作方式灵活性。这样，就需要深空飞行器具有能够在S频段和X频段的天线，而在原有的单个频段天线基础上增加一副天线对于深空测控任务是绝对无法忍受的，这就需要在一副天线实现双频工作，使天线具有在S频段和X频段同时工作的能力，即进行S/X双频段天线设计，满足S/X双频段深空测控通信的应用要求。对于用于远程测控通信应用中的高增益定向天线，常使用反射面天线方案，这就需要S/X双频馈源。而由于卡塞格伦双反射面天线具有较高的口面效率，结构紧凑，馈源位置较低，在基于反射面天线方案的高增益定向天线设计中常会选用卡塞格伦双反射面结构，这样就要求馈源具有较低的边沿照射电平，可以降低馈源照射副反射器的漏射以提高天线效率，馈源对副反射器激励的边沿照射电平的降低将使馈源的辐射方向图变窄，随之馈源增益会增大。这样，进行满足较低边沿照射电平的馈源设计将得到一个高增益馈源，天线需要进行双频工作常使用 双频馈源设计方法，用双频馈源对反射面天线进行激励，得到两个频段的波束性能，在深空测控通信由于飞行器姿态多样，一般需要天线进行圆极化工作，随之馈源也必须是圆极化馈电工作方式。综合以上，进行S/X双频段深空测控通信的应用中的远程测控通信高增益定向天线研制需要高增益S/X双频段圆极化馈源的设计。 

在空间天线设计中，通过对天线馈源进行双频或多频设计来实现原本需要多个天线才能完成的功能，是缓解天线布设空间紧张的一个途径，也是增添新的频率应用、增加新的功能应用实现单星高载荷集成度的迫切需要。在深空应用中，降低天线数目和天线重量对深空探测任务意义重大，天线数目的降低和天线轻型化将可以减小飞行器的重量，这有利于节约飞行器燃料和提高飞行能力。降低深空探测飞行器的天线数目以及天线轻型化的实现方式中提高天线结构利用律，在一副天线上进行多个频率应用是一个重要手段，对于更为苛刻的深空探测应用，该基于馈源双频设计的天线设计方法显得更为重要和有效，而具有更高增益的S/X双频段圆极化馈源设计在该高增益定向天线应用中将能够提高天线效率，有利于提高数据传输速度和扩展飞行器飞行通信作用距离。 

鉴于应用背景的深空探测任务特点对S/X频段高增益定向天线的特殊要求，该S/X双频段圆极化馈源作为天线系统的关键组成，要使该高增益定向天线既保留了原有的S频段性能要求，还要能够在X频段进行工作，作到兼容性的功能升级和技术发展，具有技术应用先进性。深空探测中高增益定向天线的S/X双频段圆极化馈源不仅要能够实现相关的对反射面的激励性能，实现其馈源性能使天线性能良好，还要能够承受平台运动过程中的冲击与振动，以及各种机械扰动，满足空间适应性要求，具有一定技术难度。在该应用背景下，实现S/X双频段测控通信对该馈源性能、结构刚度与强度、空间抗辐照特性等要求很高，设计难度很大，同时需求迫切。现有公开的或已知的S/X双频段圆极化馈源很难满足应用需求，很难实现在S与X两个频段同时实现满足应用要求的高增益性能。 

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高增益的S/X双频段圆极化馈源。 

本发明的技术解决方案是：一种S/X双频段圆极化馈源，采用同轴腔结构，包括S频段喇叭、口径变换段、S频段耦合枢纽、S频段圆极化形成网络、X频段喇叭、X频段圆极化器、电缆组件和波导组件，同轴腔的外腔由S频段喇叭、口径变换段和S频段耦合枢纽的外腔构成，同轴腔的内腔由X频段喇叭和S频段耦合枢纽的内腔构成。 

所述的口径变换段为光滑过渡的圆台型结构，其锥角为65±5°。 

所述的S频段耦合枢纽的同轴腔只能传输TEM模、两个简并的TE₁₁模和两个简并的TE₂₁模共5个最低模式。 

所述的S频段耦合枢纽的同轴腔内外腔尺寸利用TEM模、两个简并的TE₁₁模和两个简并的TE₂₁模的截止频率计算公式确定。 

所述的X频段喇叭采用变张角多模喇叭。 

所述的S频段喇叭采用纵向槽波纹喇叭。 

本发明的设计原理： 

本发明根据高增益馈源应用需求进行的S/X双频段馈源中的S频段耦合枢纽设计，并具有创新性地增加了明显的口径变换段，通过双频段性能兼容性设计，进行匹配于口径变换段输出口的对应馈源喇叭口的纵向槽波纹喇叭设计，即实现满足整体天线应用要求的S频段馈源波束，又不恶化同轴结构内芯所嵌X频段馈源的性能，获得了满足馈源应用要求的S/X双频段圆极化馈源，实现了应用该馈源的基于卡塞格伦双反射面方案的定向天线进行双频应用。 

本发明根据应用特点提供一种通过对S频段耦合枢纽进行针对实现双频同轴馈源高增益的特殊设计，巧妙地结合X馈源设计进行馈源整体设计，并在作为辐射体的馈源喇叭口与S频段耦合枢纽之间增加了口径变换段，使该馈源成为一种覆盖深空探测测控通信应用频段的新型高增益S/X双频段圆极化馈源， 具有良好的辐射特性。 

应用S/X双频段圆极化馈源的高增益定向天线工作于X/S双频段，并且都要求天线具有较高的口面效率，采用卡塞格伦双反射面天线是合适的选择，天线的主反反射面为抛物面，副反反射面为双曲面，要求馈源为具有较低边沿照射电平的S/X频段双频馈源，馈源照射副反射器，然后电磁波经过副反射器反射对主反射器进行激励，实现S/X频段的电磁辐射以及所要求的高增益天线波束。本发明采用同轴馈源设计方案，同轴腔实现S频段相应的圆极化电磁波的辐射，而同轴结构内芯中嵌入X频段多模喇叭作为馈源，实现X频段相应的圆极化电磁波的辐射，实现了S/X双频段圆极化馈源的高增益性能。 

本发明为高增益定向天线的关键部件，由于X频段的工作带宽相对较窄，使用多模喇叭作为馈源即可，馈源圆波导输入口接圆极化器，使该喇叭实现相应的圆极化电磁波对副反射面的照射。S频段馈源的获得是通过四臂耦合对同轴腔对称馈电来实现的，如图3、图4、图5所示，四臂分别进行等幅度相位差90°的馈电方式，通过连接四臂端口(I、II、III、IV端口)与S频段圆极化形成网络连接即可以实现。通过本馈电方式，在同轴腔内实现了圆极化波，并对S频段同轴喇叭进行激励，就可以S频段圆极化电磁波的辐射，通过调整同轴喇叭结构获得满足要求的馈源辐射方向图，而S频段耦合枢纽为本发明的核心部件，为同轴腔的主要部分。本发明辐射相应的圆极化电磁波照射副反射面，经副反射面反射对主反射面进行照射，最后辐射出去，来自馈源的相应的圆极化电磁波经过两次反射，使得整体天线获得对应的圆极化的极化特性。 

此前该类高增益定向天线设计多采用基于FSS技术应用双色副反射器的双反射面的设计方案，很少使用单个馈源进行类似应用的设计，而在个别类似的使用单个馈源实现S/X双频高增益定向天线设计的S/X双频馈源具有宽波束特性，峰值增益较低，多用于宽照射角激励的小焦径比配置的单反射面天线结构，对于双反射面应用的馈源设计，要求馈源具有较窄的波束，实现满足应用要求的较低的边沿照射电平，实现良好的辐射效率。现有常用的S/X双频馈源 的峰值增益约为12dBi左右，半张角为20°处的相对照射电平不到-3dB。该结构S/X双频馈源作为卡塞格伦双反射面天线的馈源将引起很大的漏射损失，致使天线增益下降，辐射效率降低。要实现较低边沿照射电平的高增益S/X双频馈源，现有的属于国外专利的高增益的S/X双频馈源结构为，通过对X频段波纹喇叭在合理位置增加4个S频段的带有低通滤波器的耦合缝隙，将S频段电磁波耦合进行波纹喇叭内来实现S/X双频共用，设计合适的波纹喇叭结构就可以获得高增益S/X双频馈源性能。但该属于国外专利的高增益S/X双频馈源结构复杂，设计困难，而且需要4个低通滤波器，加工难度大，成本高；S/X频段间无法作到自隔离，依赖于滤波器性能，同时由于S频段使用缝隙耦合，将极大地限制其功率容量。 

本发明通过选择合适的耦合枢纽的同轴结构(同轴结构由外部导体与同轴内芯组成，内芯半径与同轴外部导体内腔口径决定同轴结构尺度)，即确保了S频段圆极化波的形成也获得了嵌入X频段多模喇叭的空间，为便于向大口径的辐射喇叭口进行过渡增加了口径变换段，结合S频段圆极化波激励方式和X频段多模喇叭结构特点进行辐射喇叭综合设计，实现了S/X双频高增益馈源性能。而此前设计或专利没有明显的口径变换段，馈源增益较低，同轴结构内芯所能内嵌的口径与空间有限。 

本发明的内嵌置X频段馈源可以单独使用，具有高增益低边沿照射电平特性，因此本发明可以用于对一般的单频段馈源进行改造，不改变原有馈源结构而增加新的频率应用，在不增加新的天线布局空间下，增加新的频率应用。 

通过增加口径变换段，本发明具有比已有S/X双频馈源更高增益。本发明圆极化性能良好，满足作为卡塞格伦双反射面天线的馈源的要求，而且该设计方法可以应用到对单频段馈源的改造来增加新的工作频率进行功能扩展应用，不会对天线布局提出新的要求，缓解了应用平台的天线布设空间的紧张，有利于天线紧凑性设计，不需增加新的天线布局空间，实现了原本需要多个单频馈源才能完成的功能，在天线技术上也具有一定的进步性。 

本发明与现有技术相比有益效果为： 

(1)本发明采用同轴馈源设计方案，同轴腔实现S频段圆极化电磁波的辐射，而同轴结构内芯中嵌入X频段多模喇叭作为馈源，实现X频段圆极化电磁波的辐射；根据高增益S/X双频段圆极化馈源的设计思路，通过对对S频段耦合枢纽进行针对高增益的特殊设计，并巧妙的结合了X馈源设计，进行馈源整体设计，使本发明成为一种覆盖深空探测测控通信应用频段的新型高增益S/X双频段圆极化馈源，具有良好的辐射特性；本发明能够在S/X频段具有了高增益性能，满足反射面天线对低边沿照射电平的要求； 

(2)本发明通过增加口径变换段以及相应的S频段耦合枢纽设计，使本发明具有比已有S/X双频馈源更优的性能，本发明具有更高增益，边沿照射电平低，圆极化性能良好，满足作为卡塞格伦双反射面天线的馈源的要求； 

(3)本发明提出了一种针对S/X双频段圆极化馈源高增益进行的相应的S频段耦合枢纽设计，在S频段耦合枢纽设计中，使对应的同轴耦合腔的进行了满足耦合应用要求的口径最大化设计，保证了口径向喇叭辐射口变换的容易实现和口径变换段的较短长度，同时在S频段耦合枢纽中可以实现良好的圆极化波以及TNC接头激励方式； 

(4)本发明增加了口径变换段，以实现馈源的高增益、较低边沿照射电平设计，口径变换段还支持了S频段喇叭辐射口的设计； 

(5)本发明S频段耦合枢纽同轴结构具有较大的同轴外腔和同轴内芯，便于S频段高增益性能的实现和满足高增益性能要求的较大口径X频段馈源在同轴内芯的嵌入放置； 

(6)本发明基于自身方案特点，具有原理简单、成本低、结构紧凑、应用方便等特点，具有很强的竞争力；简化了定向天线的设计方案，无需双色副反射器，原理简单，应用方便，具有明显的实用性； 

(7)本发明增加了新的频段应用而不增加天线数目和改变天线基本结构，不会明显增加天线的重量，方便对深空探测任务中承担多种科学任务和探测器 功能升级，其设计思路具有重要借鉴作用； 

(8)本发明基于自身同轴结构特点，各工作频段之间电磁兼容较好，S/X频段间的自隔离特性，无需配置滤波器，同时该馈源结构具有大功率容量特性，适合作为远程通信应用； 

(9)本发明设计思路不仅可以用于作为S/X双频馈源的设计，也可以用于其它双频段馈源或天线设计。 

附图说明

图1为本发明结构示意图； 

图2为本发明外形结构示意图； 

图3为本发明在定位天线中应用原理示意图； 

图4为本发明电气原理示意图； 

图5为本发明S/X频段圆极化形成原理示意图； 

图6为本发明S频段端口有源回波损耗曲线图； 

图7为本发明S频段馈源辐射方位图； 

图8为本发明X频段馈源端口电压驻波比曲线图； 

图9为本发明X频段馈源辐射方位图。 

具体实施方式

本发明采用对双频同轴馈源进行高增益，结构如图1、2、3所示，包括S频段喇叭1、口径变换段2、S频段耦合枢纽3、S频段圆极化形成网络、X频段喇叭4、X频段圆极化器5、电缆组件和波导组件，同轴腔的外腔由S频段喇叭1、口径变换段2和S频段耦合枢纽3的外腔构成，同轴腔的内腔由X频段喇叭4和S频段耦合枢纽3的内腔构成。 

高增益定向天线是一种结构紧凑的双反射面形式，具较高辐射效率等优点。高增益定向天线需要使用具有较高增益的S/X双频段馈源进行激励，以实现天线合理的边沿照射电平，而对于S/X双频段馈源设计，采用传统双频馈源设计方法存在困难和限制，比如若使用单端口激励的馈源喇叭进行覆盖S频段、X 频段的宽频段设计，由于S频段与X频段之间间隔关系，将导致喇叭设计困难或喇叭长度极长无法满足使用要求，而且很难设计出对应的圆极化器；与同是深空应用的S/Ka双频馈源相比，采用传统的基于同轴馈源的设计，同轴结构内芯无法提供满足嵌置高增益X频段较大口径馈源的空间，或者大口径的X频段馈源将严重影响S馈源性能，很难实现对两个频段馈源的高增益性能的兼顾，需要进行创新性改造与设计。为了在S频段与X频段都实现高增益馈源性能，需要根据技术指标在S耦合枢纽设计中要选择合适的同轴结构(内芯直径与外腔内径)，采用四个TNC接头进行馈电耦合(也可以使用波导方式进行馈电耦合已提高功率容量，但将增加馈源重量)，并在作为辐射体的馈源喇叭口与旋杆枢纽枝节之间增加了口径变换段，进行匹配于口径变换段输出口的对应馈源喇叭口的纵向槽波纹喇叭设计，即实现满足整体天线应用要求的S频段馈源波束，又不恶化同轴结构内芯所嵌X频段馈源的性能。 

在S耦合枢纽同轴结构设计，要确保其同轴结构只能传输最低的5个模式(TEM模(横电磁波模式)、两个简并的TE₁₁模(横电₁₁模式)和两个简并的TE₂₁模(横电₂₁模式))，其它高次模在该同轴传输线中截止。S频段耦合枢纽3的同轴腔结构即内外腔尺寸根据同轴腔只能传输TEM模、两个简并的TE₁₁模和两个简并的TE₂₁模共5个最低模式确定，根据同轴传输线的各个模式的截止频率计算公式就可以获得满足要求的同轴腔结构。 

根据这个原则确定了S耦合枢纽的同轴结构后再进行端口匹配设计就可以将该S耦合枢纽用于本S/X双频段馈源的圆极化波形成。由该S耦合枢纽对来自圆极化形成网络的4个TNC接口馈电的电磁波进行合成就得到S频段圆极化波，该圆极化波通过具有一定张角的没有不连续截面的口径变换段，其圆极化特性得到了保持，并对辐射喇叭口进行激励得到对应圆极化馈源性能。口径变换段2为光滑过渡的圆台型结构，其锥角为65±5°。 

为了实现旋转对称的初级方向图，同时满足馈源尺寸小于副面尺寸的馈源遮挡要求，S/X频段馈源选择使用同轴腔馈源方案来实现S馈源性能，使用同 轴腔中嵌入的变张角多模喇叭来实现X馈源波束，可以在工作频段内很好的满足要求，性能仿真结果如图6～9所示。 

从本发明的性能仿真结果可以发现，馈源在S和X频段工作良好，端口特性满足应用要求，同时馈源具有满足作为卡塞格伦双反射面天线馈源应用要求的辐射特性：双频相位中心重合较好，作为馈源应用辐射效率较高，与一般的S/X双频馈源相比，本发明具有高增益(S频段约16dBi，X频段约18dBi)、低边沿照射电平(半张角为20°处的相对照射电平约-10dB)特性，以及由于自身同轴结构而获得的S/X频段间的自隔离特性，无需配置滤波器，同时该馈源结构具有大功率容量特性，适合作为远程通信应用。 

本发明通过对S频段同轴耦合枢纽结构进行针对性，并增加必要的口径变换段，进行辐射喇叭口综合设计，将同轴结构的S频段馈源与X频段多模喇叭结合在一起，得到了高增益S/X双频段圆极化馈源，实现了满足在基于卡塞格伦双反射面结构的高增益定向天线中应用的较低边沿照射电平性能，同时其辐射相位特性良好，满足应用要求。 

本发明可以应用到多种系统中，特别是推动和开拓了相关应用。本发明不仅可以用于作为深空探测应用的测控通信高增益天线的馈源进行应用，也能够用于作为中、低轨卫星跟踪通信天线的馈源进行应用。本发明结构简单、功能强大，对于应用相近、指标类似的其它频段馈源设计，具有借鉴意义。 

本发明对于其它应用平台在不增加布局空间的前提下实现增加频段应用具有重要借鉴作用，而且其特殊的设计思路和结构特点使得该馈源具有广泛的应用前景。 

本发明是一个新型具有较高增益的双频段圆极化馈源，在本发明设计中，对S频段耦合枢纽进行针对高增益的特殊设计，并巧妙的结合了X馈源设计，实现馈源整体设计，使该馈源成为一种覆盖深空探测测控通信应用频段的新型高增益S/X双频段圆极化馈源，具有良好的辐射特性。 

该结构的馈源所要实现的性能是实现高性能的S/X双频段馈源以满足在卡 塞格伦双反射面方案定向天线中的应用，要求馈源在S/X频段圆极化工作，具有合理的边沿照射电平以及对应的馈源增益，并能够使所应用的定向天线具有较高的辐射效率和优异整体性能，满足深空应用要求。 

本发明具有对双频同轴馈源进行高增益设计、针对馈源高增益的S频段耦合枢纽特殊设计、高增益X频段馈源的同轴腔嵌入设计、高辐射效率、同轴结构中的S/X频段间的自隔离特性等特点。该高增益S/X双频段圆极化馈源基于自身方案特点，具有原理简单、功能强大、应用方便、整体性能优良、具有明显的实用性等优点，该馈源成本低、结构紧凑、性能优良，具有很强的竞争力。 

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。 

Claims (5)

1.一种S/X双频段圆极化馈源，其特征在于：采用同轴腔结构，包括S频段喇叭(1)、口径变换段(2)、S频段耦合枢纽(3)、S频段圆极化形成网络、X频段喇叭(4)、X频段圆极化器(5)、电缆组件和波导组件，同轴腔的外腔由S频段喇叭(1)、口径变换段(2)和S频段耦合枢纽(3)的外腔构成，同轴腔的内腔由X频段喇叭(4)和S频段耦合枢纽(3)的内腔构成；口径变换段(2)连接于S频段喇叭(1)和S频段耦合枢纽(3)之间，X频段喇叭(4)嵌入同轴结构内芯中作为X频段馈源，馈源圆波导输入口接X频段圆极化器(5)；S频段圆极化形成网络的四个端口连接于S频段耦合枢纽(3)的四臂端口；

所述的口径变换段(2)，其特征在于：为光滑过渡的圆台型结构，其锥角为65±5°。

2.根据权利要求1所述的一种S/X双频段圆极化馈源，其特征在于：所述的S频段耦合枢纽(3)的同轴腔只能传输TEM模、两个简并的TE₁₁模和两个简并的TE₂₁模共5个最低模式。

3.根据权利要求1或2所述的一种S/X双频段圆极化馈源，其特征在于：所述的S频段耦合枢纽(3)的同轴腔内外腔尺寸利用TEM模、两个简并的TE₁₁模和两个简并的TE₂₁模的截止频率计算公式确定。

4.根据权利要求1所述的一种S/X双频段圆极化馈源，其特征在于：所述的X频段喇叭(4)采用变张角多模喇叭。

5.根据权利要求1所述的一种S/X双频段圆极化馈源，其特征在于：所述的S频段喇叭(1)采用纵向槽波纹喇叭。

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