CN208862188U - 一种紧凑结构单通道单脉冲馈源 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种紧凑结构单通道单脉冲馈源，包括圆波导波纹喇叭、TE21模式耦合器、圆极化变换器以及差模有源和差运算网络；所述的圆波导波纹喇叭和圆极化变换器固定在所述的TE21模式耦合器两端；所述的TE21模式耦合器包括圆波导和均布在圆波导外壁上的与圆波导平行的八根矩形波导形成的八臂波导耦合结构，所述的差模有源和差运算网络为实现八臂波导叠加的和差运算网络。本实用新型选用圆极化器、TE21模耦合器和波纹喇叭三合一结构实现单通道单脉冲跟踪馈源；结构紧凑，体积小。

Description

一种紧凑结构单通道单脉冲馈源

技术领域

本实用新型涉及雷达领域，特别涉及一种紧凑结构单通道单脉冲馈源。

背景技术

精密跟踪天线广泛用于测控雷达、卫星信号地面接收、车载动中通等通信设备中，满足目标跟踪作用距离远、跟踪角度指示精度高等技术要求。具体到天线设计，要求跟踪天线具有和波束效率高和差波束灵敏度高双重优点。但对于传统的精密跟踪天线来说，这两个性能之间是相互矛盾的(称为和差矛盾)，不能同时达到最优。为了能够改善或解决和差矛盾、改善馈源方向图、提高天线效率、增加工作带宽，精密跟踪天线引入了差模跟踪技术，其馈源采用波纹喇叭，而差模跟踪天线技术设计的关键在于差波束形成和运算网络，其关键器件为差模耦合器。早在20世纪50年代就有国内外学者进行了关于波导耦合器以及TE21模耦合器等差模跟踪技术的研究，中国电科39所等单位陆续研发了基于差模跟踪技术的卫星天线。

目前，差模跟踪技术以及差模耦合器研究方向是小型化、宽带化设计，对于单脉冲雷达天线和卫星天线来说，设计的原则是使天线的和增益、差增益、差斜率达到最大。经过多年的发展，目前已实现多种喇叭单脉冲天线馈源形式。有的对馈源的和差矛盾折中较好，但和差矛盾依然存在，没有得到根本的解决。目前解决和差矛盾较好的方法是采用单喇叭(或多喇叭)多模馈源，其单脉冲天线的和差波束是通过单脉冲馈源技术来实现的。单通道多模喇叭馈源和多喇叭多模馈源具有和方向图等圆度好、馈电效率高、圆极化性能好、和差矛盾小等优点，但面临馈电网络结构复杂、功率容量不佳、工作频带较窄等问题。

单脉冲馈源技术是单脉冲天线的核心技术之一，常用单脉冲馈源有多喇叭馈源、单口多模喇叭馈源和多喇叭多模馈源等。多模馈源多采用圆波导馈电形式，一般以最低TE11为主模传输，形成和波束辐射，而差模采用TM01 模或TE21模实现。TM01模是圆波导中第一个高次模，该模式不易与其他高次模耦合，而且其耦合结构简单易实现，但它只适用于圆极化波跟踪。为同时满足线极化和圆极化跟踪，常采用TE21模式实现差波束，目前工程应用中，多模跟踪大多采用圆波导TE11主模传输和TE21模差模传输的单通道单脉冲跟踪体制。

采用TE21模跟踪的单通道单脉冲技术可以解决天线的和差波束矛盾，由此设计的天线具有小型化、低成本、高灵活性等优点。文献【1】(赫英毅，李彪，佘川飞.毫米波段TE21模耦合器设计.信息与电子工程，2009,7(3)： 197-201)在经典的TE21模耦合器设计方法基础上，分析了毫米波孔壁结构厚度对TE21模耦合的影响，提出一种新的耦合孔径计算方法，其设计的TE21 模耦合器样机在毫米波波段2GHz带宽范围内，其耦合度优于-0.6dB，杂模抑制度大于40dB，优于预期的技术要求。文献【2】(许智，梁昌洪.TE21模耦合器研究.空间电子技术，2005,3:44-47)设计了一种Ka波段八臂耦合的TE21模圆极化卫星信号跟踪器，覆盖500MHz带宽。其多孔耦合强度采用中心对称的Bessel锥削分布，每个耦合臂均采用20个耦合孔，耦合孔采用等间距分布，中心间距约1/6波长，耦合孔壁厚0.3mm。耦合器总长60mm，其差波束零深可达40dB，满足对目标精确跟踪的要求。文献【3】(陈慰，李岱昀. 紧凑型Ka频段TE21模圆极化合成网络研究设计.火控雷达技术，2016,45 (4)：81-85)提出一种小型化和轻量化结构的圆极化差模耦合器设计。该设计基差模跟踪器理论和定向耦合器合成原理，在传统波导差模圆极化合成网络基础上结合空气带状线差模圆极化合成网络的分层设计思路，设计了一种 Ka波段紧凑型波导TE21模圆极化合成网络。其结构直径为60mm，长度为250mm，尺寸较传统设计有一定比例的缩减。设计样品在常温和超低温环境中测试，电压驻波比小于1.5、端口隔离度大于19dB、差模方向图零深大于35dB。文献【4】(王光辉.用于精密跟踪天线的TE21模耦合器研究.南京理工大学硕士学位论文，2013)研究了精密跟踪天线的TE21模耦合器设计技术，文中对器件尺寸的耦合分布进行了讨论并选择了较优的耦合分布参数，给出了 TE21模耦合器详细的理论计算和设计步骤，并设计了24孔、32孔和48孔的TE21模耦合器。其测试结果表明，在选用了适当的耦合分布函数后，使用较少数量的耦合孔也能满足技术指标的要求，具有很强的工程实用性。文献【5】 (卢绍鹏，万继响.两种和差TE21模兼载波纹喇叭的设计及应用.空间电子技术，2015,5:18-22)介绍了一种适合多频带工作的单通道单脉冲跟踪馈源的设计。该文献指出若跟踪频带位于低频带，宜采用圆锥环加载波纹喇叭的馈源形式，若跟踪频带位于高频带，宜采用圆锥直齿波纹喇叭形式。文中给出了这两种和差模兼载波纹喇叭的组成和设计原则，并设计了原理样机，测试结果表明样机的交叉极化电平低于-41dB。

总之目前多通道单脉冲跟踪馈源具有体积大、重量大、和差矛盾大的不足。

实用新型内容

针对目前多通道单脉冲跟踪馈源具有体积大、重量大、和差矛盾大的不足。本实用新型提供一种紧凑结构单通道单脉冲馈源。

本实用新型实现其技术目的技术方案是：一种紧凑结构单通道单脉冲馈源，包括圆波导波纹喇叭、TE21模式耦合器、圆极化变换器以及差模有源和差运算网络；所述的圆波导波纹喇叭和圆极化变换器固定在所述的TE21模式耦合器两端；所述的TE21模式耦合器包括圆波导和均布在圆波导外壁上的与圆波导平行的八根矩形波导形成的八臂波导耦合结构，所述的差模有源和差运算网络为实现八臂波导叠加的和差运算网络。

本实用新型选用圆极化器、TE21模耦合器和波纹喇叭三合一结构实现单通道单脉冲跟踪馈源；结构紧凑，体积小。

进一步的，上述的紧凑结构单通道单脉冲馈源中：所述的TE21模式耦合器中，圆波导和每根矩形波导的共用外壁上的耦合孔包括均布的20个孔。

进一步的，上述的紧凑结构单通道单脉冲馈源中：在所述的矩形波导的盖板采用矩形波导丝盖紧固螺固定。

进一步的，上述的紧凑结构单通道单脉冲馈源中：所述的圆波导波纹喇叭具有旋转对称的辐射方向图、各辐射面均具有重合的相位中心；波纹的深度为λ/4，λ为波长。

进一步的，上述的紧凑结构单通道单脉冲馈源中：所述的圆极化变换器实现将矩形波导中的TE10模线性极化波转换为圆波导中右旋或左旋的圆极化 TE11模式，由半圆柱体面的第一变换器结构和第二变换器结构拼合而成；

所述的第一变换器结构的一端设置有矩形波导输入口和与矩形波导对接法兰面，另一端是与TE21耦合器对接的法兰面；在所述的第一变换器结构半圆柱体内从与矩形波导对接法兰面开始依次设置阶梯变换结构和方波导转圆波导变换结构；

所述的第二变换器结构的两端分别是矩形波导对接法兰面和与TE21耦合器对接的法兰面，在所述的第二变换器结构半圆柱体内从与TE21耦合器对接的法兰面开始依次设置圆波导转方波导变换结构和短路矩形波导)。

进一步的，上述的紧凑结构单通道单脉冲馈源中：所述的差模有源和差运算网络包括一组6个180°电桥和一个90°电桥；所述的八臂波导耦合结构的八根矩形波导的输出转换为SMA接头同轴输出，通过8根等相电缆连接于4个180°电桥的输入端，4个180°电桥分别接两个180°电桥的输入端，两个180°电桥的输出端接90°电桥的输入端。

进一步的，上述的紧凑结构单通道单脉冲馈源中：在所述的SMA接头与 180°电桥的输入端之间设置有低噪放大器。

进一步的，上述的紧凑结构单通道单脉冲馈源中：180°电桥和90°电桥均为微带形式。

以下将结合附图和实施例，对本实用新型进行较为详细的说明。

附图说明

图1为本实用新型实施例1单通道单脉冲馈源整体结构。

图2为本实用新型实施例1单通道单脉冲馈源整体结构(二)a是立体图、 b是正视图，c是另外一个方向立体图。

图3为本实用新型实施例1TE21模式耦合器结构图，左图为立体图、中间图为正视图、右边是截面图。

图4为本实用新型实施例1波纹喇叭结构，a是侧视图、b是立体图、c 是截面图、d是正视图。

图5为本实用新型实施例1圆极化变换器结构示意图上下图分别为不同方向的立体图。

图6为本实用新型实施例1圆极化变换器第一变换器结构示意图，a、b 两个不同方向的立体图，c为俯视图，d为正视图。

图7为本实用新型实施例1圆极化变换器第二变换器结构示意图，a、b 两个不同方向的立体图，c为俯视图，d为正视图。

图8为本实用新型实施例1差模有源和差运算网络拓扑图。

图9为本实用新型实施例1单通道单脉冲馈源回波反射曲线。

图10为本实用新型实施例1单通道单脉冲馈源辐射方向图。

图11为本实用新型实施例1单通道单脉冲馈源轴比性能图。

图12为本实用新型实施例1单通道单脉冲馈源差模零深图。

具体实施方式

本实施例是一种紧凑结构单通道单脉冲馈源，如图1和图2所示：包括圆波导波纹喇叭10、TE21模式耦合器20、圆极化变换器30以及差模有源和差运算网络四个主要部分；圆波导波纹喇叭10和圆极化变换器30固定在TE21 模式耦合器20两端；TE21模式耦合器20包括圆波导25和均布在圆波导25 外壁27上的与圆波导25平行的八根矩形波导26形成的八臂波导耦合结构，所述的差模有源和差运算网络为实现八臂波导叠加的和差运算网络。如图3所示：左图为立体图、中间图为正视图、右边是截面图。TE21模式耦合器20 中，圆波导25和每根矩形波导26的共用外壁27上的耦合孔24包括均布的 20个孔。在矩形波导26的盖板23采用矩形波导丝盖紧固螺28固定。在圆波导25和每根矩形波导26的两端分别设置与其它部件相连的螺丝29。

圆波导波纹喇叭10具有旋转对称的辐射方向图、各辐射面均具有重合的相位中心；如图4所示，a是侧视图、b是立体图、c是截面图、d是正视图。具有一个波纹喇叭10，两端分别是圆波导喇叭辐射口面11和圆波导馈电口面13，在波纹喇叭10内是波纹12变换结构，这里波纹12的深度为λ/4，λ为波长。

本实施例中，圆波导波纹喇叭10具有旋转对称的辐射方向图，并且各辐射面均具有几乎重合的相位中心，波纹喇叭具有较低的交叉极化电平和副瓣电平。波纹喇叭的波纹槽深度约为λ/4，可以有效抑制波纹喇叭内的纵向电流，并且电场和磁场的横向分量为零，使得横电波和横磁波的边界条件是恒等的。另外由于波纹槽的存在，喇叭中的TE11模变为HE11模，其中TE分量和TM分量具有相同的截止频率和相速，并且与频率无关，因此波纹喇叭具有比多模喇叭更宽的工作带宽。

圆极化变换器30实现将矩形波导中的TE10模线性极化波转换为圆波导中右旋或左旋的圆极化TE11模式，由半圆柱体面的第一变换器结构31和第二变换器结构32拼合而成；如图5所示：上下图分别为不同方向的立体图，它的一端是圆波导口面324，另一端接方形波导。

第一变换器结构31如图6所示，它的一端设置有矩形波导输入口310和与矩形波导对接法兰面319，另一端是与TE21耦合器对接的法兰面316；在第一变换器结构31半圆柱体内从与矩形波导对接法兰面319开始依次设置阶梯变换结构311和方波导转圆波导变换结构312；如图6所示：a、b两个不同方向的立体图，c为俯视图，d为正视图。313为紧固螺钉孔；314为与TE21 耦合器连接的紧固螺钉孔；315为TE21模输出SMA的紧固螺钉孔；317为水密槽；318是矩形波导法兰紧固螺钉孔。

第二变换器结构32如图7所示，它的两端分别是矩形波导对接法兰面319 和与TE21耦合器对接的法兰面316，在所述的第二变换器结构32半圆柱体内从与TE21耦合器对接的法兰面316开始依次设置圆波导转方波导变换结构 322和短路矩形波导腔320。如图7所示，a、b两个不同方向的立体图，c为俯视图，d为正视图。323是变换器结构紧固螺钉孔。

圆极化变换器的作用是将矩形波导中的TE10模线性极化波转换为圆波导中右旋或左旋的圆极化TE11模式。本实施例中采用阶梯阻抗变换器首先将矩形波导中的TE10模转化为方波导简并TE10模和TE01模，采用合适的阻抗阶梯变换使得TE10模相位落后或超前TE01模90度，以此实现方波导中的右旋或左旋圆极化TE模式电磁波。本发明的圆极化变换器结构分为两部分加工组装而成。

差模有源和差运算网络如图8所示，包括一组6个180°电桥和一个90 °电桥；所述的八臂波导耦合结构的八根矩形波导26的输出转换为SMA接头 321同轴输出，通过8根等相电缆连接于4个180°电桥的输入端，4个180 °电桥分别接两个180°电桥的输入端，两个180°电桥的输出端接90°电桥的输入端。在SMA接头321与180°电桥的输入端之间设置有低噪放大器。180 °电桥和90°电桥均为微带形式。

本实施例中差模有源和差运算网络采用有源合成网络，首先将八臂差模波导的输出转换为SMA同轴输出，通过8根等相电缆连接于有源合成网络。为提高差模接收的灵敏度，本发明在有源合成网络前端加有低噪声放大器，后端运算网络采用常规微带形式的180度电桥和90度电桥实现。

本实施例的单通道单脉冲馈源回波反射如图9所示，在12～15GHz范围内回波反射优于-18dB。单通道单脉冲馈源辐射方向图如图10所示，主瓣增益9.5dB，副瓣抑制为-22.6dBc，半功率角为61.7°。单通道单脉冲馈源圆极化性能如图11所示，轴比在半功率角范围内均小于3dB，性能良好。差模通道零深测试结果如图12所示，差模零深达43dBc。

本实施例的关键点：

·本实施例选用圆极化器、TE21模耦合器和波纹喇叭三合一结构实现单通道单脉冲跟踪馈源；

·本实施例采用TE21模式耦合器实现信源跟踪器，差模采用矩形波导耦合，末端转为同轴线输出；

·本实施例采用有源和差运算网络实现八臂波导多路合成，前置有源低噪声放大器，提高差模接收的灵敏度；

·本实施例采用有源和差运算网络包含左旋和右旋双输出，可同时跟踪左旋圆极化波和右旋圆极化波；

·本实施例实现的TE21耦合器结构简单，可兼容多种喇叭天线和极化转换结构，使用灵活；

该关键技术与现有技术不同之处

·本实施例选用圆极化器、TE21模耦合器和波纹喇叭三合一结构实现单通道单脉冲跟踪馈源，每种组件均可以形成系列化产品，组件可根据需要灵活选取、配置，目前现有技术没有类似产品；

·本实施例采用TE21模式耦合器实现信源跟踪器，差模采用矩形波导耦合，末端转为同轴线输出，现有技术均采用矩形波导输出；

·本实施例采用有源和差运算网络实现八臂波导多路合成，前置有源低噪声放大器，提高差模接收的灵敏度，现有技术采用矩形波导输出，后端合成网络复杂，体积重量大；

·本实施例采用有源和差运算网络包含左旋和右旋双输出，可同时跟踪左旋圆极化波和右旋圆极化波，现有技术仅能够跟踪一种圆极化波；

·本实施例实现的TE21耦合器结构简单，可兼容多种喇叭天线和极化转换结构，使用灵活。

本实施例实现了一种三合一结构的单通道单脉冲跟踪馈源，包含圆极化器、TE21模耦合器和波纹喇叭等组件，每种组件均可以形成系列化产品，组件可根据需要灵活选取、配置。本发明采用的TE21模式耦合器使用矩形波导耦合，末端转为八路同轴SMA接头输出。本发明八路差模输出采用有源和差运算网络实现合成，前置有源低噪声放大器，提高差模接收的灵敏度。本发明采用有源和差运算网络可同时跟踪左旋和右旋极化波。产品实测结果表明，单通道单脉冲馈源回波反射在12～15GHz范围内优于-18dB，馈源主瓣增益 9.5dB，副瓣抑制为-22.6dBc，半功率角为61.7°，轴比在半功率角范围内均小于3dB，差模零深达43dBc。

Claims (8)

1.一种紧凑结构单通道单脉冲馈源，其特征在于：包括圆波导波纹喇叭(10)、TE21模式耦合器(20)、圆极化变换器(30)以及差模有源和差运算网络；所述的圆波导波纹喇叭(10)和圆极化变换器(30)固定在所述的TE21模式耦合器(20)两端；所述的TE21模式耦合器(20)包括圆波导(25)和均布在圆波导(25)外壁(27)上的与圆波导(25)平行的八根矩形波导(26)形成的八臂波导耦合结构，所述的差模有源和差运算网络为实现八臂波导叠加的和差运算网络。

2.根据权利要求1所述的紧凑结构单通道单脉冲馈源，其特征在于：所述的TE21模式耦合器(20)中，圆波导(25)和每根矩形波导(26)的共用外壁(27)上的耦合孔(24)包括均布的20个孔。

3.根据权利要求2所述的紧凑结构单通道单脉冲馈源，其特征在于：在所述的矩形波导(26)的盖板(23)采用矩形波导丝盖紧固螺(28)固定。

4.根据权利要求1所述的紧凑结构单通道单脉冲馈源，其特征在于：所述的圆波导波纹喇叭(10)具有旋转对称的辐射方向图、各辐射面均具有重合的相位中心；波纹(12)的深度为λ/4，λ为波长。

5.根据权利要求1所述的紧凑结构单通道单脉冲馈源，其特征在于：所述的圆极化变换器(30)实现将矩形波导中的TE10模线性极化波转换为圆波导中右旋或左旋的圆极化TE11模式，由半圆柱体面的第一变换器结构(31)和第二变换器结构(32)拼合而成；

所述的第一变换器结构(31)的一端设置有矩形波导输入口(310)和与矩形波导对接法兰面(319)，另一端是与TE21耦合器对接的法兰面(316)；在所述的第一变换器结构(31)半圆柱体内从与矩形波导对接法兰面(319)开始依次设置阶梯变换结构(311)和方波导转圆波导变换结构(312)；

所述的第二变换器结构(32)的两端分别是矩形波导对接法兰面(319)和与TE21耦合器对接的法兰面(316)，在所述的第二变换器结构(32)半圆柱体内从与TE21耦合器对接的法兰面(316)开始依次设置圆波导转方波导变换结构(322)和短路矩形波导腔(320)。

6.根据权利要求1所述的紧凑结构单通道单脉冲馈源，其特征在于：所述的差模有源和差运算网络包括一组6个180°电桥和一个90°电桥；所述的八臂波导耦合结构的八根矩形波导(26)的输出转换为SMA接头(321)同轴输出，通过8根等相电缆连接于4个180°电桥的输入端，4个180°电桥分别接两个180°电桥的输入端，两个180°电桥的输出端接90°电桥的输入端。

7.根据权利要求6所述的紧凑结构单通道单脉冲馈源，其特征在于：在所述的SMA接头(321)与180°电桥的输入端之间设置有低噪放大器。

8.根据权利要求6所述的紧凑结构单通道单脉冲馈源，其特征在于：180°电桥和90°电桥均为微带形式。