CN109687142B - 一种双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源 - Google Patents

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Abstract

一种双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，同时具备对卫星进行Ku频段上行发射、Ku频段下行单脉冲自跟踪、Ka频段上行发射、Ka频段下行单脉冲自跟踪功能。本发明馈源采用双频段喇叭(1)、Ku频段TE21模耦合器(2)、Ka频段TE21模耦合器(3)、六端口灯笼式分波器(4)、Ku频段正交模耦合器(5)、Ka频段圆极化器(6)；依次分离出Ku频段差模、Ka频段差模、ku频段和模、Ka频段和模，再利用波束合成网络实现和差波束的合成，满足动中通天馈双频、全同时单脉冲自跟踪的需求。

Description

一种双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源
技术领域
本发明涉及一种双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，应用在卫星通讯动中通反射面天馈系统中，属于天线技术领域。
背景技术
现有技术中卫星通讯动中通反射面天馈系统，其馈源采用是Ku/Ka双频双工程序跟踪或Ku/Ka双频双工分时切换单脉冲自跟踪，所需设备的种类和数量多，设备整体复杂度高，容易发生故障；但在效果上只能实现Ku频段单脉冲跟踪或者Ka频段单脉冲跟踪，而且必须需要通过开关网络切换自跟踪的通道，不具备全同时进行Ku频段和Ka频段同时单脉冲跟踪能力。此外，由于Ku频段单脉冲跟踪或者Ka频段单脉冲跟踪是独立工作的，因此，当正在工作的Ku或Ka自跟踪通道出现故障跟踪失效时，另一个通道也无法完成实时跟踪任务，所以整个设备容易丢失目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，能够满足动中通对于Ku/Ka双频双工全同时单脉冲自跟踪需求，同时具备对卫星进行Ku频段上行发射、Ku频段下行单脉冲自跟踪、Ka频段上行发射、Ka频段下行单脉冲自跟踪功能。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，该馈源同时工作在Ku和Ka频段；包括双频段喇叭、Ku频段TE21模耦合器、Ka频段TE21模耦合器、六端口灯笼式分波器、Ku频段正交模耦合器、Ka频段圆极化器；
所述双频段喇叭与所述Ku频段TE21模耦合器的一端连接，Ku频段TE21模耦合器的另一端与所述Ka频段TE21模耦合器的一端连接；Ka频段TE21模耦合器的另一端连接与所述六端口灯笼式分波器的第一端连接，六端口灯笼式分波器的第二端与所述Ku频段正交模耦合器连接，六端口灯笼式分波器的第三端与所述Ka频段圆极化器连接。
上述双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，所述双频段喇叭包括输入锥削段、模转换段、过渡段、喇叭张开段，所述输入锥削段、模转换段、过渡段、喇叭张开段依次连接；所述输入锥削段用于波导尺寸变换；所述模转换段用于将主模为TE11模的电磁波转换为主模为HE11模的电磁波；所述过渡段用于完成电磁波的频率变换和角度变换；所述喇叭张开段用于电磁波的辐射。
上述双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，所述输入锥削段的长度大于所述馈源工作频率范围所对应的最大波长；所述喇叭张开段的口面的相位差大于等于π。
上述双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，所述Ku频段TE21模耦合器采用Ku频段八臂单孔TE21模耦合器，Ku频段八臂单孔TE21模耦合器的侧面设有8个间隔45°分布的矩形耦合臂，所述矩形耦合臂用于将Ku频段八臂单孔TE21模耦合器中心圆波导内的Ku频段TE21模及其简并模耦合出来。
上述双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，所述Ka频段圆极化器为介质片加金属脊圆极化器，所述金属脊与介质片的两端的采用锥削结构。
上述双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，所述双频段喇叭为赋形渐变槽深宽频带波纹喇叭或环加载宽频带波纹喇叭。
上述双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，所述Ka频段TE21模耦合器为Ka频段四臂多孔TE21模耦合器或Ka频段八臂单孔TE21模耦合器。
上述双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，所述Ku频段TE21模耦合器为Ku频段八臂单孔TE21模耦合器或Ku频段四臂多孔TE21模耦合器。
上述双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，所述馈源的工作频率范围为12.25GHz～12.75GHz、14.0GHz～14.50GHz、19.6GHz～21.2GHz、29.4GHz～31.0GHz共四个频段。
上述双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，所述馈源能够用于Ku频段上行发射、Ku频段下行单脉冲自跟踪、Ka频段上行发射、Ka频段下行单脉冲自跟踪。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明馈源能够用于Ku频段上行发射、Ku频段下行单脉冲自跟踪、Ka频段上行发射、Ka频段下行单脉冲自跟踪；
(2)本发明馈源可同时实现对Ku频段和Ka频段的单脉冲自跟踪；
(3)当其中一个自跟踪通道失效时，另外一个自跟踪通道可保证对目标的有效跟踪，有利于增强系统的健壮性。
附图说明
图1为本发明双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源结构示意图；
图2为本发明双频段喇叭结构示意图；
图3为本发明Ku频段TE21模耦合器结构示意图；
图4为本发明Ka频段TE21模耦合器结构示意图；
图5为本发明六端口灯笼式分波器结构示意图；
图6为本发明Ku频段正交模耦合器结构示意图；
图7为本发明Ka频段圆极化器结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，该馈源同时工作在Ku和Ka频段；包括双频段喇叭1、Ku频段TE21模耦合器2、Ka频段TE21模耦合器3、六端口灯笼式分波器4、Ku频段正交模耦合器5、Ka频段圆极化器6；如图1所示。
所述双频段喇叭1与所述Ku频段TE21模耦合器2的一端连接，Ku频段TE21模耦合器2的另一端与所述Ka频段TE21模耦合器3的一端连接；Ka频段TE21模耦合器3的另一端连接与所述六端口灯笼式分波器4的第一端连接，六端口灯笼式分波器4的第二端与所述Ku频段正交模耦合器5连接，六端口灯笼式分波器4的第三端与所述Ka频段圆极化器6连接。
所述双频段喇叭1包括输入锥削段、模转换段、过渡段、喇叭张开段，所述输入锥削段、模转换段、过渡段、喇叭张开段依次连接；所述输入锥削段用于波导尺寸变换，输入锥削段的长度大于所述馈源工作频率范围所对应的最大波长；所述模转换段用于将主模为TE11模的电磁波转换为主模为HE11模的电磁波；所述过渡段用于完成电磁波的频率变换和角度变换；所述喇叭张开段用于电磁波的辐射，喇叭张开段的口面的相位差大于等于π。
所述Ku频段TE21模耦合器2采用Ku频段八臂单孔TE21模耦合器，Ku频段八臂单孔TE21模耦合器的侧面设有8个间隔45°分布的矩形耦合臂，所述矩形耦合臂用于将Ku频段八臂单孔TE21模耦合器中心圆波导内的Ku频段TE21模及其简并模耦合出来。
所述Ka频段圆极化器6为介质片加金属脊圆极化器，所述金属脊与介质片的两端的采用锥削结构。
实施例：
一种双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，可覆盖12.25GHz～12.75GHz、14.0GHz～14.50GHz、19.6GHz～21.2GHz、29.4GHz～31.0GHz四个频段，同时具备对卫星进行Ku频段上行发射、Ku频段下行单脉冲自跟踪、Ka频段上行发射、Ka频段下行单脉冲自跟踪功能。馈源采用Ku/Ka双槽深波纹喇叭、Ku八臂单孔TE21模耦合器(或四臂多孔TE21模耦合器)、Ka四臂多孔TE21模耦合器(或八臂单孔TE21模耦合器)、Ku/Ka六端口灯笼式分波器、圆极化器逐级串联，依次分离出Ku频段差模、Ka频段差模、ku频段和模、Ka频段和模，再利用波束合成网络实现和差波束的合成，满足动中通天馈双频、全同时单脉冲自跟踪的需求。对反射面口径较小、带宽较窄的系统，馈源可选择串联八臂单孔TE21模耦合器；对反射面口径较大、带宽较宽的系统，馈源可选择串联四臂或八臂多孔TE21模耦合器。
整体设计思路如下：
其中，采用了照射器采用Ku/Ka双频段双槽深波纹设计思路，即每个周期有两种不同深度的波纹槽，每种深度对应一个工作频段，如图2所示，从而使得两个大跨度频段都可以工作在HE11模式，获得优良的电性能，经过数值计算仿真，得到了满意的仿真结果。照射器采用四段式结构设计方案可满足倍频程内具有较好的电气性能，四段结构设计依次是输入锥削段、模转换段、过渡段、喇叭张开段。本方案照射器也可使用赋形渐变槽深宽频带波纹喇叭与环加载宽频带波纹喇叭，波纹喇叭的工作带宽覆盖设计频率便可实现相同的性能。
利用Ku八臂单孔TE21模耦合器圆波导半径的收缩形成Ku波段TE21模的短路截止面，如图3所示，通过侧面8个矩形耦合缝隙将Ku频段TE21差模耦合出来，而Ku频段和模以及Ka频段的和差模可以沿着中心圆波导直通路继续向下传播。
利用Ka四臂多孔TE21模耦合器，通过选择合适大小的耦合孔及孔间距，可以把Ka频段差模耦合到侧面的四个Ka频段TE21模矩形波导耦合臂中，如图4所示，而Ku频段及Ka频段的和模则可以继续沿中心圆波导向下传播。
利用Ku/Ka六端口灯笼式分波器中心圆波导直径的收缩形成Ku频段和模的短路截止面，在侧面选择合适大小的耦合缝隙，可以把Ku频段和模耦合到侧面的四个矩形波导中，如图5所示，而Ka频段和模则可以继续沿中心圆波导向下传播。
在Ku/Ka六端口灯笼式分波器后端的Ku和模输出口连接正交模耦合器OMT，如图6所示，实现Ku频段双线极化收发双工；在Ku/Ka六端口灯笼式分波器后端的Ka和模输出口连接Ka频段圆极化器，如图7所示，实现Ka频段双圆极化收发双工。
具体设计为：
照射器采用双槽深波纹喇叭方案，采用了四段结构设计方案，四段式结构设计方案可满足倍频程内具有较好的电气性能。四段结构设计方案依次是输入锥削段、模转换段、过渡段、喇叭张开段。喇叭张开段决定了波纹喇叭主模HE11模的主极化辐射特性。为满足整个Ku\Ka频段内喇叭具有近似不变的方向图波束宽度，喇叭的口面相差要大于等于π。在整个喇叭张开段，没有槽深和张角的变化，只有喇叭槽半径依次逐渐增大，区别于常规波纹喇叭的是在每个周期内有两种不同深度的槽，分别对应于两个工作频段的HE11模；模转换段的主要功能是把光壁圆波导的TE11模转换为波纹波导的HE11模，而不会引起显著的失配也不会造成不需要模的显著激励。模转换段的设计思路是通过结构参数选取，使得在两个频段内，模转换器的入口导纳尽可能大，而出口导纳尽可能小。入口导纳大，有利于输入锥削段与模转段的匹配，避免连接处产生较大的反射，而出口导纳趋于0可使得两个频带都工作于HE11区，在通过过渡段、喇叭张开段后获得良好的方向图。过渡段的功能主要是完成频率变换和角度变换。所谓频率变换指从模变换段的频率过渡到喇叭张开段的频率，对应着槽深的变化，而角度变化指从模变换段的张角过渡到喇叭张开段的张角。因为模变换段要保证输入匹配和抑制交叉极化，防止EH11模和EH12模的出现，输入张角一般都是小张角，而喇叭张开段用于能量辐射，为保证通频段方向图波束宽度近似不变，喇叭的口面相差ΦM一般要大于等于π，意味着喇叭张角要大，为保证模变换段的小张角与喇叭张开段的大张角能够平滑过渡，设计了变角过渡段。输入锥削段的功能是使模转换器与光壁波导之间实现良好的匹配。输入锥削段设计比较简单，实现从小口径圆波导到大口径圆波导的圆圆过渡，过渡的长度要大于一个波长，过渡曲线可以是线性过渡或曲线过渡。
Ku八臂单孔TE21模耦合器用于将Ku频段差模耦合出来，其原理和设计方法是利用圆波导半径的收缩形成Ku波段TE21模的短路截止面，通过侧面8个矩形耦合缝隙将Ku频段TE21差模耦合出来，而Ku频段和模以及Ka频段的和差模可以沿着中心圆波导直通路继续向下传播；对于耦合出来的8个矩形臂再可通过6个魔T和1个90°桥形成Ku左旋差和Ku右旋差；
Ka四臂多孔TE21模耦合器用于将Ka频段差模耦合出来，其原理和设计方法是通过选择合适大小的耦合孔及孔间距，可以把Ka频段差模耦合到侧面的四个矩形波导中，而Ku频段及Ka频段的和模则可以继续沿中心圆波导向下传播。Ka四臂多孔TE21模耦合器上侧四个矩形波导口接四个波导匹配负载。下侧四个矩形波导口通过2个魔T和1个90°桥形成Ku左旋差和Ku右旋差；
Ku/Ka六端口灯笼式分波器用于分离Ku频段和模及Ka频段差模，中心圆波导直径的收缩形成Ku频段和模的短路截止面，在侧面选择合适大小的耦合缝隙，可以把Ku频段和模耦合到侧面的四个矩形波导中，而Ka频段和模则可以继续沿中心圆波导向下传播。Ku/Ka六端口灯笼式分波器设计思路为首先选取合适的大圆波导直径R，在该直径R下允许低频段的基模可以传播，而低频段和高频段高次模尽可能被截止，再选取小圆波导的直径r，在该直径r下，允许高频段的基模可以传播，而高频段的高次模被截止。通过设计锥变结构或者阶梯阻抗变换结构，实现大圆波导到小圆波导的过渡。计算耦合口的位置，从而使得耦合口处的入射波与反射波同相叠加，达到最大输出。另外耦合臂中设计有波纹波导滤波器，使得低频段的信号可以通过，而高频段的信号被反射，反射回去的信号继续传播到直通端。波纹波导滤波器在耦合臂的位置确定了截止反射面的位置，而截止反射面的位置决定了直通的高频信号与被截止反射的高频信号能否在直通端同相叠加，达到最大输出。
Ku频段正交模耦合器OMT用于实现Ku频段两个正交模式的分离，OMT在同一频率上可使用极化方向不同且相互隔离的信道，这样可容纳最大的信道数量。普通的OMT一般只表现为三个物理端口，但在电气上是四端口器件，公共端口与馈电喇叭接口为方波导或圆波导，它提供了两个电气端口，分别分配给两个独立的正交模。其余两个端口(单一信号接口)由标准的波导端口或同轴端口构成，只传输各自的基模。
Ka频段圆极化器是圆极化天线系统中实现极化变化的关键部件。圆波导中的主模TE11模或方波导中的主模TE10模经过圆极化器以后分解为两路正交的、幅度相等，相位差90度的主模信号，从而构成圆极化的信号传输，经过喇叭辐射出去后，得到圆极化的辐射信号。这里的发射频段约为接收频段的1.55倍左右，常用的圆极化器的形式无法覆盖如此宽的频带，包括隔板圆极化器，膜片圆极化器，销钉圆极化器，介质片圆极化器都无法满足带宽要求。
为了实现双频段良好的圆极化性能，设计了介质片加脊圆极化器，它的几何结构如图6所示。在金属脊与介质片的两端的采用锥削结构，可以使圆极化器具有良好的宽带匹配特性。相比与隔片圆极化器、隔板圆极化器更容易加工。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，该馈源同时工作在Ku和Ka频段；其特征在于：包括双频段喇叭(1)、Ku频段TE21模耦合器(2)、Ka频段TE21模耦合器(3)、六端口灯笼式分波器(4)、Ku频段正交模耦合器(5)、Ka频段圆极化器(6)；
所述双频段喇叭(1)与所述Ku频段TE21模耦合器(2)的一端连接，Ku频段TE21模耦合器(2)的另一端与所述Ka频段TE21模耦合器(3)的一端连接；Ka频段TE21模耦合器(3)的另一端连接与所述六端口灯笼式分波器(4)的第一端连接，六端口灯笼式分波器(4)的第二端与所述Ku频段正交模耦合器(5)连接，六端口灯笼式分波器(4)的第三端与所述Ka频段圆极化器(6)连接；
所述Ka频段TE21模耦合器(3)为Ka频段四臂多孔TE21模耦合器或Ka频段八臂单孔TE21模耦合器；
所述Ku频段TE21模耦合器(2)为Ku频段八臂单孔TE21模耦合器或Ku频段四臂多孔TE21模耦合器；
其中，利用Ku频段TE21模耦合器(2)将Ku频段TE21差模耦合出来；利用Ka频段TE21模耦合器(3)将Ka频段差模耦合出来；利用六端口灯笼式分波器(4)中心圆波导直径的收缩形成Ku频段和模的短路截止面，将Ku频段和模耦合到侧面的四个矩形波导中，将六端口灯笼式分波器(4)后端的Ka频段和模输出给Ka频段圆极化器(6)。
2.根据权利要求1所述的一种双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，其特征在于：所述双频段喇叭(1)包括输入锥削段、模转换段、过渡段、喇叭张开段，所述输入锥削段、模转换段、过渡段、喇叭张开段依次连接；所述输入锥削段用于波导尺寸变换；所述模转换段用于将主模为TE11模的电磁波转换为主模为HE11模的电磁波；所述过渡段用于完成电磁波的频率变换和角度变换；所述喇叭张开段用于电磁波的辐射。
3.根据权利要求2所述的一种双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，其特征在于：所述输入锥削段的长度大于所述馈源工作频率范围所对应的最大波长；所述喇叭张开段的口面的相位差大于等于π。
4.根据权利要求1所述的一种双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，其特征在于：所述Ku频段TE21模耦合器(2)采用Ku频段八臂单孔TE21模耦合器，Ku频段八臂单孔TE21模耦合器的侧面设有8个间隔45°分布的矩形耦合臂，所述矩形耦合臂用于将Ku频段八臂单孔TE21模耦合器中心圆波导内的Ku频段TE21模及其简并模耦合出来。
5.根据权利要求1所述的一种双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，其特征在于：所述Ka频段圆极化器(6)为介质片加金属脊圆极化器，所述金属脊与介质片的两端的采用锥削结构。
6.根据权利要求1所述的一种双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，其特征在于：所述双频段喇叭(1)为赋形渐变槽深宽频带波纹喇叭或环加载宽频带波纹喇叭。
7.根据权利要求1所述的一种双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，其特征在于：所述馈源的工作频率范围为12.25GHz～12.75GHz、14.0GHz～14.50GHz、19.6GHz～21.2GHz、29.4GHz～31.0GHz共四个频段。
8.根据权利要求1所述的一种双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源，其特征在于：所述馈源能够用于Ku频段上行发射、Ku频段下行单脉冲自跟踪、Ka频段上行发射、Ka频段下行单脉冲自跟踪。
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