CN114361802B - 一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源 - Google Patents

一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源，包括：依次连接的馈源喇叭、双圆极化器、分路波导、双工器；所述馈源喇叭为带宽轴向槽波纹喇叭；所述双圆极化器为宽带波导隔板双圆极化器。本发明采用轴向槽波纹喇叭与波导隔板双圆极化器的组合设计方式，实现了k和ka两个频段的宽带双圆极化功能，然后再利用两个双工器实现k和ka频段信号的频率分离，并使得收发通道之间具备130dB以上的隔离度，形成四通道轴向旋转对称的圆极化初级辐射方向图。

Description

一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别地，涉及一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源。
背景技术
馈源是反射面天线的核心部件，馈源性能的优劣直接影响反射面天线的辐射性能。星载反射面天线一般安装在卫星外表面，随着卫星载荷和通信数据量的不断增加，星载天线的种类和数量也在不断增加。由于卫星平台空间布局能力和运载包络尺寸及发射能力的限制，每颗卫星上布局的天线数量也相应受到限制。为了更高效地利用有限的卫星布局空间，将不同用途的天线进行复用，即把多个频段、多个通道的天线复用，在未额外占用卫星布局空间的情况下，能够有效地提升系统通信容量，实现系统最优设计。
某型号卫星通信系统配置了4个射频通信信道，其中两个为下行发射通道，工作于k频段，对应天线极化分别为左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)。另外两个为上行接收通道，工作于ka频段，对应天线极化分别为左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)。该卫星通信系统对天线的增益要求为发射通道增益大于43dBi，接收通道增益大于46dBi。此外，由于发射通道输出功率较大，为了避免发射通道输出的大功率信号进入接收通道损坏接收机，要求发射通道与接收通道具有大于95dB的通道隔离度。该通信卫星工作于地球静止轨道，设计寿命10年，对产品的可靠性要求较高。
综合上述要求，反射面天线方案可以满足卫星通信系统对天线增益、隔离度、寿命和可靠性等相关指标的需求。同时，为了减少天线的数量和重量，从系统优化设计的角度考虑，将k和ka频段四个射频通道的天线进行一体化复用设计。双频段四通道天线设计的技术核心就是设计一套k和ka频段四通道一体化圆极化馈源。为了减小馈源对反射面的遮挡，要求馈源体积小巧。同时为了减小馈线部分的损耗，要求馈源结构简单紧凑。
现有的馈源系统的结构较复杂，重量、尺寸、损耗均较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源，通过采用宽带馈源喇叭、宽带双圆极化器和双工器的组合设计方案，具备高隔离度、低损耗、结构简单紧凑、体积小巧、易于加工装配等优良功能特点。
本发明提供的一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源，包括：馈源喇叭、双圆极化器、分路波导、双工器。
所述馈源喇叭为轴向槽波纹喇叭，用于形成轴向旋转对称的初级辐射方向图，由波纹辐射段、变径过渡匹配段、圆波导段和圆-方渐变波导转换段组成。喇叭的波纹辐射段包含若干个周期性分布的波纹槽，其作用是形成轴向旋转对称并具有优良交叉极化特性的辐射方向图。变径过渡匹配段是一段直径渐变的光壁圆波导，用于实现圆波导段与波纹辐射段之间的匹配。圆或方渐变波导转换段用于实现模式转换功能，中间内腔剖面曲线为圆或方渐变过渡曲线。
进一步的，馈源喇叭波纹辐射段的波纹槽数量为4个，但并不局限于4个，可以根据馈源方向图照射锥削要求自由选择。
进一步的，馈源喇叭的波纹槽宽为2.2～3.5mm，槽深为3.5～4.8mm。
进一步的，圆渐变波导转换段或方渐变波导转换段长度为15mm。
所述双圆极化器采用宽带波导隔板双圆极化器，用于实现线极化波到双圆极化波的转换功能。
所述分路波导包含两路独立的WR34标准矩形波导，用于连接双圆极化器和两个双工器，传输两路独立的k和ka频段宽带线极化信号。
进一步的，上述每路波导还包含两个E面90°转弯波导，在转弯波导长边处进行切角处理，以改善驻波性能，切角长度5.5～7mm；
所述双工器包含两个完全相同的双工器1和双工器2，用于实现k频段发射信号和ka频段接收信号的频率分离功能，每个双工器由公共腔体、k频段发射滤波器和ka频段接收滤波器组成；
进一步的，上述双工器的k频段发射滤波器为脊波导渐消模滤波器，ka频段接收滤波器为矩形波导H面膜片滤波器。双工器公共腔体端口为WR34标准矩形波导口，用于传输k和ka频段宽带信号；双工器1的k频段发射滤波器端口为WR34标准矩形波导口，对应馈源通道1，为左旋圆极化(LHCP)发射通道端口；双工器1的ka频段接收滤波器端口为WR28标准矩形波导口，对应馈源通道2，为左旋圆极化(LHCP)接收通道端口；双工器2的k频段发射滤波器端口为WR34标准矩形波导口，对应馈源通道3，为右旋圆极化(RHCP)发射通道端口；双工器2的ka频段接收滤波器端口为WR28标准矩形波导口，对应馈源通道4，为右旋圆极化(RHCP)接收通道端口。
与现有的多通道圆极化馈源的实现形式相比，本发明的技术优势体现在：采用宽带馈源喇叭、宽带双圆极化器和双工器的组合设计方案，具有高隔离度、低损耗、结构简单紧凑、体积小巧、易于加工装配等特点，克服了现有的多频段圆极化馈源采用分立设计带来的结构复杂、体积庞大、损耗大等的缺点。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其他目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为本发明实施例的一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源的原理框图；
图3为本发明实施例的一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源的馈源喇叭结构示意图；
图4a为本发明实施例的一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源的分路波导的俯视结构示意图；
图4b为本发明实施例的一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源的分路波导的侧视结构示意图；
图5为本发明实施例的一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源的双工器结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源在发射频段的通道隔离度结果；
图7为本发明实施例提供的一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源在接收频段的通道隔离度结果；
图8为本发明实施例提供的一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源通道1对应的左旋圆极化波的归一化主极化方向图和交叉极化方向图；
图9为本发明实施例提供的一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源通道2对应的左旋圆极化波的归一化主极化方向图和交叉极化方向图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例为一种应用于卫星通信领域的四通道圆极化馈源，工作于k和ka频段。
如图1和图2所示，本实施例提供了一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源组件，包括：依次相连的馈源喇叭1、双圆极化器2、分路波导3、双工器4，材料属性均为铝合金。
如图3所示，实施例中馈源喇叭1为轴向槽波纹喇叭，用于形成轴向旋转对称的初级辐射方向图，馈源喇叭1由波纹辐射段101、变径过渡匹配段102、圆波导段103和圆或方渐变波导转换段104组成。本实施例中波纹辐射段101的波纹槽数量为4个，槽宽为2.2～3.5mm，槽深为3.5～4.8mm。圆-方渐变波导转换段104长度为15mm。
实施例中的双圆极化器2为宽带波导隔板双圆极化器，用于实现两路线极化波到双圆极化波的转换功能，中间隔板为阶梯形状，包含5级阶梯。
如图4a和4b所示，实施例中的分路波导3包含两路独立的WR34标准矩形波导301和302，用于实现双圆极化器2与两个双工器4的连接。每路波导还包含两个E面90°转弯波导，在转弯波导长边处进行切角处理，以改善驻波性能，切角长度5.5～7mm。
如图2和5所示，实施例中的双工器4包含两个完全相同的双工器1和双工器2，每个双工器由公共腔体401、k频段发射滤波器402和ka频段接收滤波器403组成，用于实现k频段发射信号和ka频段接收信号的频率分离功能。k频段发射滤波器402为脊波导渐消模滤波器，共包含6个脊404，高度为2～3.5mm。ka频段接收滤波器为矩形波导H面膜片滤波器，共包含6对膜片405，膜片厚度为0.5mm。公共腔体401对外端口为WR34标准矩形波导口，用于传输k和ka频段宽带信号；双工器1的k频段发射滤波器端口为WR34标准矩形波导口，对应馈源通道1，为左旋圆极化(LHCP)发射通道端口；双工器1的ka频段接收滤波器端口为WR28标准矩形波导口，对应馈源通道2，为左旋圆极化(LHCP)接收通道端口；双工器2的k频段发射滤波器端口为WR34标准矩形波导口，对应馈源通道3，为右旋圆极化(RHCP)发射通道端口；双工器2的ka频段接收滤波器端口为WR28标准矩形波导口，对应馈源通道4，为右旋圆极化(RHCP)接收通道端口。
图6为本发明实施例提供的一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源在发射频段的通道隔离度结果，收发通道隔离度优于130dB；
图7为本发明实施例提供的一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源在接收频段的通道隔离度结果，收发通道隔离度优于130dB；
图8为本发明实施例提供的一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源通道1对应的左旋圆极化波的归一化主极化方向图和交叉极化方向图，轴向极化隔离度优于35.2dB；
图9为本发明实施例提供的一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源通道2对应的左旋圆极化波的归一化主极化方向图和交叉极化方向图，轴向极化隔离度优于36.5dB。

Claims (4)

1.一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源，其特征在于：包括依次相连的馈源喇叭、双圆极化器、分路波导和双工器；
所述双工器包括两个完全相同的第一双工器和第二双工器，每个双工器由公共腔体、k频段发射滤波器和ka频段接收滤波器组成，用于实现k频段发射信号和ka频段接收信号的频率分离功能；
所述双圆极化器为波导隔板双圆极化器，用于实现两路线极化波到圆极化波的转换功能；
所述分路波导用于实现双圆极化器分别与第一双工器和第二双工器的连接，所述分路波导包含两路独立的WR34标准矩形波导，用于实现双圆极化器与两个双工器的连接；每路WR34标准矩形波导包含两个E面90°转弯波导，所述E面90°转弯波导在转弯处切角以改善驻波比和插损特性；
所述k频段发射滤波器为脊波导渐消模滤波器；所述ka频段接收滤波器为矩形波导H面膜片滤波器；所述公共腔体的端口为WR34标准矩形波导口，用于传输k或ka频段宽带信号；所述第一双工器的k频段发射滤波器的端口为WR34标准矩形波导口，对应第一馈源通道，为左旋圆极化发射通道端口；第一双工器的ka频段接收滤波器的端口为WR28标准矩形波导口，对应第二馈源通道，为左旋圆极化接收通道端口；所述第二双工器的k频段发射滤波器的端口为WR34标准矩形波导口，对应第三馈源通道，为右旋圆极化发射通道端口；所述第二双工器的ka频段接收滤波器端口为WR28标准矩形波导口，对应第四馈源通道，为右旋圆极化接收通道端口。
2.根据权利要求1所述的一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源，其特征在于，所述馈源喇叭为轴向槽波纹喇叭，用于形成轴向旋转对称的初级辐射方向图，所述馈源喇叭由波纹辐射段、变径过渡匹配段、圆波导段和渐变波导转换段组成，所述渐变波导转换段包括：圆渐变波导转换段或方渐变波导转换段。
3.根据权利要求2所述的一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源，其特征在于，所述变径过渡匹配段是一段直径渐变的光壁圆波导，用于实现圆波导段与波纹辐射段之间的匹配。
4.根据权利要求2所述的一种用于卫星通信天线的k和ka频段四通道圆极化馈源，其特征在于，所述圆渐变波导转换段用于实现模式转换功能，中间内腔剖面曲线为圆渐变过渡曲线；所述方渐变波导转换段用于实现模式转换功能，中间内腔剖面曲线为方渐变过渡曲线。
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