CN204741082U - 一种Ka频段小型化宽频带多模自跟踪馈源 - Google Patents

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CN204741082U CN201520369661.1U CN201520369661U CN204741082U CN 204741082 U CN204741082 U CN 204741082U CN 201520369661 U CN201520369661 U CN 201520369661U CN 204741082 U CN204741082 U CN 204741082U
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Abstract

一种Ka频段小型化宽频带多模自跟踪馈源,包括四臂反射式TE21耦合器、第一E形枝节、第二E形枝节、H形枝节、圆极化器、第一矩形波导、第二矩形波导,由于反射式TE21模耦合器特殊的工作原理,使纵向尺寸缩小,省略了吸收负载的使用,从而实现体积小、重量轻、可靠性高的性能;利用四个矩形波导耦合TE21模的两个简并模式,从而简化复杂性,实现馈源的小型化;通过以上改进,满足星载和动中通天馈系统等对于馈源尺寸、重量、可靠性有严格要求的自跟踪系统的需求,本实用新型解决星载和动中通天馈系统等对于馈源尺寸、重量、可靠性均有严格要求的自跟踪系统的难题,实现在满足馈源小型化的同时保证差模的耦合度及和模的抑制度。

Description

一种Ka频段小型化宽频带多模自跟踪馈源
技术领域
本发明属于天线馈源技术领域,特别涉及一种Ka频段小型化宽频带多模自跟踪馈源。
背景技术
随着卫星通信、无线通信技术的迅速发展和应用,星载或动中通自跟踪馈源需要在满足电性能指标的前提下体积更小、重量更轻、可靠性更高。
作为测控、通信、雷达天伺馈系统的核心部件自跟踪馈源网络常选择差模方式利用波导的特定高次模,通过耦合器将高次模耦合出来,再通过差网络合成差模方向图,从而简化馈源组成。
目前国外用得比较多的多模跟踪主要是TM01模与TE21模。鉴于TE21模跟踪精度高,耦合器结构紧凑,因而在卫星通信与星载雷达中得到越来越多的应用。
传统的TE21耦合器作为定向耦合器,由主副波导组成,主波导为圆波导,副波导为矩形波导,为四端口网络,在主波导中的端口为输入口、直通口;副波导中的端口为耦合口、隔离口。
从反射面天线入射的TE11信号,通过TE21耦合器的主通道,小损耗地以和信号形式输出。当天线电轴与来波方向重合时,没有误差信号输出;而当天线电轴偏离来波方向时,差波束将接收到信号,喇叭中将激励起TE21高次模。经过主通道的TE21高次模,经耦合孔耦合到差通道,模式转化为矩形波导中的TE10模。TE10模通过后面的合成网络合成一路信号。合成网络可分为线极化网络与圆极化网络。线极化网络对应于4个耦合臂的耦合器,该耦合器只耦合了TE21两个模式中的一个,没有将简并模式耦合出来。圆极化网络对应于8个耦合臂的耦合器,此类耦合器将TE21与其简并模都耦合出来,通过 合成器和90°电桥形成圆极化。这种网络既能跟踪线极化来波,又能跟踪圆极化来波,且对于圆极化来波,不存在极化损失,是比较好的方案,但是合成网络相当复杂,特别是在频率较高的情况。为了减少损耗,一般用波导作合成网络,其尺寸比较大,结构也很难布局。
发明内容
本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提供一种Ka频段小型化宽频带多模自跟踪馈源,解决了在满足馈源小型化的同时保证差模的耦合度及和模的抑制度。
本发明的技术解决方案是:一种Ka频段小型化宽频带多模自跟踪馈源,包括四臂反射式TE21耦合器(1)、第一E形枝节(2)、第二E形枝节(3)、H形枝节(4)、圆极化器(5)、圆方过渡波导(19)、两个第一矩形波导(6)、两个第二矩形波导(7);第一E形枝节(2)与第二E形枝节(3)结构完全相同;两个第一矩形波导(6)结构完全相同;两个第二矩形波导(7)结构完全相同;
四臂反射式TE21耦合器(1)包括四个矩形波导,分别是第三矩形波导(8)、第四矩形波导(9)、第五矩形波导(10)、第六矩形波导(11)和中心圆波导(12)、圆方过渡波导(19);第三矩形波导(8)、第四矩形波导(9)、第五矩形波导(10)、第六矩形波导(11)结构完全相同;
第三矩形波导(8)和第五矩形波导(10)与原点对称分布在中心圆波导(12)的输入端,第四矩形波导(9)和第六矩形波导(11)与原点对称分布在中心圆波导(12)的输入端,第三矩形波导(8)和第五矩形波导(10)组成的第一组矩形波导所在的直线、与第四矩形波导(9)和第六矩形波导(11)组成的第二组矩形波导所在的直线,夹角为45°;
圆方过渡波导(19)的圆口一侧连接在中心圆波导(12)的直通端,圆方过渡波导(19)的方口一侧连接圆极化器(5);;
第四矩形波导(9)、第六矩形波导(11)上设置有分别连接两个第一矩形 波导(6)的接口;
第三矩形波导(8)、第五矩形波导(10)上设置有分别连接两个第二矩形波导(7)的接口;
第三矩形波导(8)、第四矩形波导(9)、第五矩形波导(10)、第六矩形波导(11)上的窄边设置有多个耦合孔,使能量从四臂反射式TE21耦合器(1)耦合至第三矩形波导(8)、第四矩形波导(9)、第五矩形波导(10)、第六矩形波导(11);
第四矩形波导(9)和第六矩形波导(11),通过第四矩形波导(9)、第六矩形波导(11)上设置的分别连接两个第一矩形波导(6)的接口,分别与两个第一矩形波导(6)的一端连接,两个第一矩形波导(6)的另一端分别连接第一E形枝节(2)的第一等分端口(13)和第二等分端口(15);
第三矩形波导(8)和第五矩形波导(10),通过第三矩形波导(8)、第五矩形波导(10)上设置的分别连接两个第二矩形波导(7)的接口,分别与两个第二矩形波导(7)的一端连接,两个第二矩形波导(7)的另一端连接第二E形枝节(3)的第一等分端口(13)和第二等分端口(15),第一E形枝节(2)的合路端口(14)连接H形枝节(4)的第一等分端口(17),第二E形枝节(3)的合路端口(14)连接H形枝节(4)的第二等分端口(16),H形枝节(4)的合路端口(18)作为差信号的输出端。
所述两个第一矩形波导(6)与两个第二矩形波导(7)平行。
所述第一矩形波导(6)比第二矩形波导(7)长度长半波导波长,使信号经过第一矩形波导(6)滞后第二矩形波导(7)相差90°相位,从第一E形枝节(2)、和第二E形枝节(3)的合路端口(14)输出的两路信号分别进入H形枝节(4)的第一等分端口(17)与第二等分端口(16),形成右旋圆极化波。
所述第二矩形波导(7)比第一矩形波导(6)长度长半波导波长,使信号经过第二矩形波导(7)滞后第一矩形波导(6)相差90°相位,从第一E形 枝节(2)、和第二E形枝节(3)的输出的两路信号进入H形枝节(4)的第一等分端口17与第二等分端口16,形成左旋圆极化波。
如图5a和5b所示,圆极化器(5)包括五个矩形台阶,分别为第一级矩形级台阶、第二级矩形台阶、第三级矩形台阶、第四级矩形台阶、第五级矩形台阶,这五个矩形台阶的一端对齐,另一端形成五级台阶,第一级矩形级台阶的长度为2.87波长,宽度为0.162波长;第二级矩形台阶的长度为0.162波长,宽度为0.108波长;第三级矩形台阶的长度为0.27波长,宽度为0.108波长;第四级矩形台阶的长度为0.306波长,宽度为0.117波长;第五级矩形台阶的长度为0.324波长,宽度为0.105波长。
由于中心圆波导(12)在满足一定中心圆波导内径条件下能够传输高次模式中的TE21模式,该TE21模式的两个极化简并模式对应的两个极化简并模式电场的最大值夹角为45°,将第三矩形波导(8)和第五矩形波导(10)对称原点且夹角呈180°分布在中心圆波导(12)的输入端TE21模式的一个极化简并模式电场最大值处,第四矩形波导(9)和第六矩形波导(11)对称原点且夹角呈180°分布在中心圆波导(12)的输入端TE21模式的另一个极化简并模式电场最大值处。
所述中心圆波导(12)能够传输高次模式中的TE21模式需满足的圆波导内径为0.486倍设定的最高频率对应的波长到0.61倍设定的最低频率对应的波长。
所述第三矩形波导(8)、第四矩形波导(9)、第五矩形波导(10)、第六矩形波导(11)上的窄边设置有多个耦合孔,中心圆波导上也设有多个与第三矩形波导(8)、第四矩形波导(9)、第五矩形波导(10)、第六矩形波导(11)上的窄边设置有多个耦合孔相对应的耦合孔,耦合孔的大小和个数依据耦合强度满足贝塞尔Bessel分布。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明由于采用反射式圆极化TE21耦合器,可以为同频率下传统 TE21耦合器的一半。使耦合器的长度减小一半,从而具有体积小、重量轻的优点。由于短路器的引入代替了耦合端口的吸波负载,从而也提高了可靠性。
(2)本发明由于采用四臂圆极化TE21耦合器,而传统的一般都采用8臂或16臂,这样就需要采用7到12个魔T,势必造成横向和纵向尺寸庞大,馈源网络的结构复杂,从而使加工和安装在现有的条件下都不易实现。而采用4臂的TE21耦合器,只需采用两个魔T,从而实现馈源网络的小型化,不仅简化了馈源网络的组成,减小了整个设备的体积和重量,还减小了网络的造价并节约了馈源成本。
(3)本发明由于采用了两路长度不等的传输波导,在差网络中形成90°相位差从而使两路极化正交的差信号通过H型枝节后产生左旋或者右旋单极化,进而避免90°电桥的使用,简化了差网络,降低了经济成本。
附图说明
图1a为本发明馈源网络正面的示意图;
图1b为本发明馈源后视的示意图;
图1c为本发明馈源差网络的示意图;
图2a为四臂圆极化反射式TE21耦合器示意图;
图2b为四臂圆极化反射式TE21耦合原理示意图;
图3a为第一E形枝节或第二E形枝节的外形示意图;
图3b为第一E形枝节或第二E形枝节的剖面示意图;
图4a为H形枝节外形示意图;
图4b为H形枝节剖面示意图;
图5a为圆极化器外形示意图;
图5b为圆极化器剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明的基本思路为:本发明通过采用四臂反射式TE21耦合器1实现馈 源整体小型化问题,采用非均匀分布的四个耦合臂而非传统的8臂耦合形式,从而简化差网络。
作为馈源核心部件的四臂反射式TE21耦合器1包括四个矩形波导,分别是第三矩形波导8、第四矩形波导9、第五矩形波导10、第六矩形波导11和中心圆波导12。中心圆波导12通过多个耦合孔与第三矩形波导8、第四矩形波导9、第五矩形波导10、第六矩形波导11连通,通过合理设计耦合孔的个数、尺寸和分布间距满足一定的差模耦合度及和模抑制度。
四臂反射式TE21耦合器1由主副波导组成,中心圆波导12为主波导,第三矩形波导8、第四矩形波导9、第五矩形波导10、第六矩形波导11为副波导。不同于传统的TE21耦合器的是四臂反射式TE21耦合器1为三端口器件,将传统的TE21中副波导的耦合口短路,形成反射壁,能量经过反射壁反射,经传统的TE21中副波导的隔离口输出,因此四臂反射式TE21耦合器1的副波导仅有一个端口——耦合口。在主波导口中与副波导出口方向一致的口为输入口,另一个端口为直通口。后连接圆方过渡波导19的圆口,圆方过渡起到了模式选择器的作用。
信号从输入口进入,圆波导中的TE21模耦合至矩形波导的TE10模,本应从耦合端口输出的能量由于反射壁的作用,被反射至耦合口输出。此外,调整圆方过渡波导19的纵向尺寸,抑制TM11模等高次模继续传输,造成圆波导中尚未被耦合的TE21模由于被截止,在直通口处产生反射,能量向输入口方向传输,在这个传输过程中能量又通过耦合孔耦合至矩形波导中,从隔离口输出。因此,能量的反射在反射式TE21耦合器的主副波导中均发生,产生了两次耦合,这提高了耦合效率。
这种独特的工作方式也使反射式TE21耦合器需要的耦合孔数可以为同频率下传统TE21耦合器的一半。使耦合器的长度减小近一半,从而具有体积小、重量轻的优点。由于短路器的引入代替了耦合端口的吸波负载,从而也提高了可靠性。
通过合理设计中心圆波导12壁上满足Bessel分布的一系列耦合孔,实现TE21模准0dB耦合至四个矩形波导臂中,即将圆波导中的TE21模能量全部耦合到矩形副波导中。其中,每两个180°方向对称分布的矩形耦合臂耦合一个极化简并模并逐渐转换成矩形波导中的主模TE10模。对称的矩形波导臂与第一E形枝节2与第二E形枝节(3)连接,将两路信号合成输出一个简化模信号。第一矩形波导6比第二矩形波导7长度长半波导波长,使信号经过第一矩形波导6滞后第二矩形波导7相差90°相位,从第一E形枝节2、和第二E形枝节3的合路端口14输出的两路信号分别进入H形枝节4的第一等分端口17与第二等分端口16,形成右旋圆极化波。
第二矩形波导7比第一矩形波导6长度长半波导波长,使信号经过第二矩形波导7滞后第一矩形波导6相差90°相位,从第一E形枝节2、和第二E形枝节3的输出的两路信号进入H形枝节4的第一等分端口17与第二等分端口16,形成左旋圆极化波。
中心圆波导12在产生TE21模的同时会产生TE11模,该模式也存在两个极化简并模式。通过合理设计圆极化TE21耦合器的耦合孔,TE11模大部分能量不会通过耦合孔耦合至矩形波导,而通过中心圆波导12传输至圆极化器5。圆极化器5内有一台阶形金属薄壁膜片。通过设计各级台阶长度和高度,使TE11模的一个极化简并模式相较另一个模式超前或滞后相位90°,从而形成左旋或右旋和信号,分别从圆极化器5的两个端口输出。
该馈源网络可同时产生双圆极化和信号与单旋向的差信号,从而实现自跟踪功能。
如图1a所示,本发明的Ka频段小型化宽频带多模自跟踪馈源网络,包括四臂反射式TE21耦合器1、第一E形枝节2、第二E形枝节3、H形枝节4、圆极化器5、圆方过渡波导19、两个第一矩形波导6、两个第二矩形波导7;第一E形枝节2与第二E形枝节3结构完全相同;两个第一矩形波导6结构完全相同;两个第二矩形波导7结构完全相同;其后视图如图1b。
如图1c所示,若中心圆波导12输入端连接的喇叭接收到来波信号,则信号传至中心波导12中会激励起TE21模,TE21模通过耦合孔经四个矩形波导8、9、10、11的端口输出。其中极化相同、相位相反的差信号从第三矩形波导8和第五矩形波导10端口输出,分别第二矩形波导7,输入第一E形枝节2的13、15端口,如图3a所示。两路信号在E形枝节内同相叠加合成一路信号通过14输出,汇合成一路差信号。同理,极化相同、相位相反的另一路差信号从第四矩形波导9和第六矩形波导11端口输出,分别通过第一矩形波导6,输入第二E形枝节3。两路信号在H形枝节4内同相叠加汇合成一路差信号。
第一矩形波导6与第二矩形波导7长度相差半波导波长,使一路滞后另一路90°相位,从第一E形枝节2、第二E形枝节3的和路口输出的两路信号进入H形枝节4的端口17与16,形成左旋或者右旋圆极化波。
如图2a所示,四臂反射式TE21耦合器1由第三矩形波导8和第五矩形波导10、第四矩形波导9和第六矩形波导11和中心圆波导12构成。中心圆波导12在在满足一定中心圆波导内径条件下可以传输高次模TE21模,该模式具有两个极化简并模,如图2b所示,虚线和实线分别代表TE21的两个极化简并模式电场。将四个矩形波导每两个一组,对称180°分布在一个极化简并模式电场最大值处。由于两个极化简并模式最大值夹角为45°,两组矩形波导也呈夹角45°放置。通过在矩形波导窄边设置一系列耦合孔,使耦合强度满足Bessel分布,如图2c,实现TE21模的准0dB耦合至矩形波导,并以矩形波导的主模TE10的形式输出。
通过调整耦合孔的个数,来改变TE21耦合器的带宽。但是一味的增加耦合孔个数会使整个网络的纵向尺寸增加,这需要对带宽和空间尺寸做一个权衡。本发明中,采用10孔的四臂圆极化TE21耦合器可以实现10%的频带内耦合损耗<0.5dB,对TE11模式的抑制度>40dB。
如图3a所示,第一E形枝节2、第二E形枝节3是三端口网络,实现两个幅度相同,相位相反的输入信号相互叠加后通过输出端口输出。通过调整三 波导的连接处的结构突变,如图3b,实现10%的频带内VSWR<1.2,幅度不平衡度<0.3dB,相位不平衡度<0.1°
如图4a所示,H形枝节4是三端口网络,两个幅度相同,相位相同的输入信号相互叠加后通过输出端口输出。通过调整三波导的连接处的结构突变,如图4b,实现10%的频带内VSWR<1.2,幅度不平衡度<0.3dB,相位不平衡度<0.1°
TE21耦合器的中心圆波导12在产生TE21模的同时也会产生TE11模,该模式也存在两个极化简并模式。由于合理设计四臂圆极化TE21耦合器1的耦合孔,TE11模大部分能量不会通过耦合孔耦合至矩形波导,而通过中心圆波导12传输至圆极化器5。圆极化器5内有一台阶形金属薄壁膜片20。通过设计各级台阶长度和高度,使TE11模的一个极化简并模式相较另一个模式超前或滞后相位90°,从而形成左旋或右旋和信号,分别从极化器的两个端口输出。
采用本发明的馈源网络,可在ka频段内实现自跟踪任务,且馈源结构紧凑,体积小、重量轻、可靠性高、构成简单。
当然,对本发明的各组成部件、位置关系及连接方式在不改变其功能的情况下,进行的等效变换或替代,也落入本发明的保护范围。
本发明说明书未公开的技术属本领域公知。

Claims (8)

1.一种Ka频段小型化宽频带多模自跟踪馈源,其特征在于:包括四臂反射式TE21耦合器(1)、第一E形枝节(2)、第二E形枝节(3)、H形枝节(4)、圆极化器(5)、圆方过渡波导(19)、两个第一矩形波导(6)、两个第二矩形波导(7);第一E形枝节(2)与第二E形枝节(3)结构完全相同;两个第一矩形波导(6)结构完全相同;两个第二矩形波导(7)结构完全相同;
四臂反射式TE21耦合器(1)包括四个矩形波导,分别是第三矩形波导(8)、第四矩形波导(9)、第五矩形波导(10)、第六矩形波导(11)和中心圆波导(12)、圆方过渡波导(19);第三矩形波导(8)、第四矩形波导(9)、第五矩形波导(10)、第六矩形波导(11)结构完全相同;
第三矩形波导(8)和第五矩形波导(10)与原点对称分布在中心圆波导(12)的输入端,第四矩形波导(9)和第六矩形波导(11)与原点对称分布在中心圆波导(12)的输入端,第三矩形波导(8)和第五矩形波导(10)组成的第一组矩形波导所在的直线、与第四矩形波导(9)和第六矩形波导(11)组成的第二组矩形波导所在的直线,夹角为45°;
圆方过渡波导(19)的圆口一侧连接在中心圆波导(12)的直通端,圆方过渡波导(19)的方口一侧连接圆极化器(5);
第四矩形波导(9)、第六矩形波导(11)上设置有分别连接两个第一矩形波导(6)的接口;
第三矩形波导(8)、第五矩形波导(10)上设置有分别连接两个第二矩形波导(7)的接口;
第三矩形波导(8)、第四矩形波导(9)、第五矩形波导(10)、第六矩形波导(11)上的窄边设置有多个耦合孔,使能量从四臂反射式TE21耦合器(1)耦合至第三矩形波导(8)、第四矩形波导(9)、第五矩形波导(10)、第六矩形波导(11);
第四矩形波导(9)和第六矩形波导(11),通过第四矩形波导(9)、第六 矩形波导(11)上设置的分别连接两个第一矩形波导(6)的接口,分别与两个第一矩形波导(6)的一端连接,两个第一矩形波导(6)的另一端分别连接第一E形枝节(2)的第一等分端口(13)和第二等分端口(15);
第三矩形波导(8)和第五矩形波导(10),通过第三矩形波导(8)、第五矩形波导(10)上设置的分别连接两个第二矩形波导(7)的接口,分别与两个第二矩形波导(7)的一端连接,两个第二矩形波导(7)的另一端连接第二E形枝节(3)的第一等分端口(13)和第二等分端口(15),第一E形枝节(2)的合路端口(14)连接H形枝节(4)的第一等分端口(17),第二E形枝节(3)的合路端口(14)连接H形枝节(4)的第二等分端口(16),H形枝节(4)的合路端口(18)作为差信号的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种Ka频段小型化宽频带多模自跟踪馈源,其特征在于:所述两个第一矩形波导(6)与两个第二矩形波导(7)平行。
3.根据权利要求1所述的一种Ka频段小型化宽频带多模自跟踪馈源,其特征在于:所述第一矩形波导(6)比第二矩形波导(7)长度长半波导波长,使信号经过第一矩形波导(6)滞后第二矩形波导(7)相差90°相位,从第一E形枝节(2)、和第二E形枝节(3)的合路端口(14)输出的两路信号分别进入H形枝节(4)的第一等分端口(17)与第二等分端口(16),形成右旋圆极化波。
4.根据权利要求1所述的一种Ka频段小型化宽频带多模自跟踪馈源,其特征在于:所述第二矩形波导(7)比第一矩形波导(6)长度长半波导波长,使信号经过第二矩形波导(7)滞后第一矩形波导(6)相差90°相位,从第一E形枝节(2)、和第二E形枝节(3)的输出的两路信号进入H形枝节(4)的第一等分端口(17)与第二等分端口(16),形成左旋圆极化波。
5.根据权利要求1所述的一种Ka频段小型化宽频带多模自跟踪馈源,其特征在于:所述圆极化器(5)包括五个矩形台阶,分别为第一级矩形级台阶、第二级矩形台阶、第三级矩形台阶、第四级矩形台阶、第五级矩形台阶,这五 个矩形台阶的一端对齐,另一端形成五级台阶,第一级矩形级台阶的长度为2.87波长,宽度为0.162波长;第二级矩形台阶的长度为0.162波长,宽度为0.108波长;第三级矩形台阶的长度为0.27波长,宽度为0.108波长;第四级矩形台阶的长度为0.306波长,宽度为0.117波长;第五级矩形台阶的长度为0.324波长,宽度为0.105波长。
6.根据权利要求1所述的一种Ka频段小型化宽频带多模自跟踪馈源,其特征在于:由于中心圆波导(12)在满足一定中心圆波导内径条件下能够传输高次模式中的TE21模式,该TE21模式的两个极化简并模式对应的两个极化简并模式电场的最大值夹角为45°,将第三矩形波导(8)和第五矩形波导(10)对称原点且夹角呈180°分布在中心圆波导(12)的输入端TE21模式的一个极化简并模式电场最大值处,第四矩形波导(9)和第六矩形波导(11)对称原点且夹角呈180°分布在中心圆波导(12)的输入端TE21模式的另一个极化简并模式电场最大值处。
7.根据权利要求6所述的一种Ka频段小型化宽频带多模自跟踪馈源,其特征在于:所述中心圆波导(12)能够传输高次模式中的TE21模式需满足的圆波导内径为0.486倍设定的最高频率对应的波长到0.61倍设定的最低频率对应的波长。
8.根据权利要求1所述的一种Ka频段小型化宽频带多模自跟踪馈源,其特征在于:所述第三矩形波导(8)、第四矩形波导(9)、第五矩形波导(10)、第六矩形波导(11)上的窄边设置有多个耦合孔,中心圆波导上也设有多个与第三矩形波导(8)、第四矩形波导(9)、第五矩形波导(10)、第六矩形波导(11)上的窄边设置有多个耦合孔相对应的耦合孔,耦合孔的大小和个数依据耦合强度满足贝塞尔Bessel分布。
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