Ka双频段微波网络设计口☆口口☆口

  Ku/Ka双频段微波网络设计

   张博

   (中国电子科技集团公司第五十四研究所□□☆☆,河北石家庄050081)

   摘要:双频共用和多频共用技术是目前卫星口口通信地球站天线的一个重要发展方向□☆□,其可以扩口大通信口口容量☆□□☆,实现一站多用☆□☆□☆,大大降低成本☆□☆。基于微口波网口络理论☆□□☆,提出一种Ku/Ka双频段微波网络的设口计方案☆□□☆。通过分波器实现双频共用☆☆☆,在Ka波段工作于圆极化☆□□☆□,Ku口波段工作于线极化☆□☆□□。Ku/Ka双频共用微波网络的核心器件有:分波器☆□□、低通滤波器等□☆□□。该网络具有良好的驻波特性☆□□、较高的端口隔离度☆☆□、旋转对称和口良好的轴比特性的辐射方向图☆☆☆□。最后给出了微波网络口的实测结果☆☆□□☆,测试结果与技术要求吻合很好□□□☆☆。

   教育口期刊网 http://口www.jyqkw.com关键词:微波网络;分波器;低通滤波器;双频段

  口 中口图口分类号:TN820?34 文献标识码:A 文章编口号:1004?373X(2015)16?0023?03

   收稿口口日期:2015?02?25

   0 引言

  口 口目前卫星通口信发展的瓶颈在于有限的频谱资源☆□☆,为了进一步扩大通信容量一般需要展宽现有的通信频段或者开发新的通信频段☆□□☆。当前常用的通信频段有C(收发各800 MHz)☆□□☆□,Ku(收发各口500 MHz)□☆□☆,Ka 口口频段等☆□□☆。随着通信业务的发展C☆☆□☆□,Ku的频道资源趋于饱和☆□□。而更高频率口的Ka频段具有可用频带宽□□□、干扰少口等优点☆□☆□,在国内外得到了广泛的应用[1?3]☆□□。

   为口了口实现口一站多用降低成口本□☆□□☆,频率复用技术成为卫星通信地球站天线发展口的一个重要的方向☆☆□。馈源口网络是地球站天线口系统的核心□□□□☆,发展具有优良性能的多频带☆□□☆□、宽频带馈源网口络技术是地球站天线系统发展的重口中之重☆□□☆☆。Ku/Ka双频段馈口源网络的设计☆□☆☆,可以给卫通系统提供更宽的频段☆□□□☆,更高的传输速率□☆☆,用以口支撑无口人机☆☆☆□☆、船载站等各种移动口载体的卫通系统链路更快的传输信息☆☆□,既能保证常用Ku卫通通信体制的要求□□□☆☆,又可扩展到口K口a频段高口速率信息的传输☆☆□□□。本文介绍的就是一种Ku频口带经过展宽的Ku/口Ka 双频段微口波网络□☆☆☆,原有的Ku 频率为收发500 MHz☆☆□□,现扩展为接收1.3 GHz发射750 MHz□□☆,Ka频段口保持不变☆□☆□□。

   1 系统方案和原理

   要实现微波网络的多频段共用口有多种方案☆☆☆□☆,目前广泛应用的有同轴口口式馈源网络□☆☆☆、频率选口口择面式馈口源网络□☆☆☆☆、波束波导式馈源网口口络□☆☆□、共喷口分口波器式馈源网络[4?6]☆□☆☆。经过分析工程需求我们选口取微波网络的形口式为共喷口分波器式□□☆,其具有适合双反射面天线的照射角☆☆☆□,有良好的交叉极化特口性和较小的系统损耗等口优点□☆□□,并且结构紧凑能适合各口种口径天线☆☆☆。

   Ku/Ka 双频段共喷口分波器式微波口网络由波纹喇叭式馈源和双频微波网络组成□□☆☆。其工作流程可以概括如下:Ku频段信号经口过Ka波段TE口21模耦合器的主通道到达Ku/Ka分波器☆☆☆□□,从耦合臂耦合出口来后分别合成为口正交的接收信号和发射信号;Ka频段信号在经过Ku口/口Ka分波器时☆☆☆,由于低通滤波器对其有抑制作用☆☆□☆☆,所以可以无损耗的通过分波器;其后经过Ka圆极化器和Ka收发正交模耦合器分别形成Ka发射信号和Ka接收信号☆☆□□☆,跟踪信号与Ka波段TE21模耦合器分离出来☆□□。Ku/Ka口双口频段微波网络的工作原理框图见图1☆□□☆。

   2 微波网络的设计

   Ku/Ka 双频段微波网络的关键部件有Ku/Ka 分波器☆□☆、低通滤波器等□☆☆□□,其共同工作实现了双频网络良好口的电气特性☆□□☆☆。

   2.1 Ku/Ka分波器的设计

  口 K口u/Ka分波器可以看作一种六端口网络☆□☆☆,主通道为一圆锥形过口渡□□☆,前端为来波方向□☆□☆□,一般连接口波纹喇叭口馈源□□☆☆☆,后端的尺寸逐渐变小口直至能为低端频率的信号提供短路面□□☆☆,使高端频率的信号口可口以通过☆□□□☆。

   在口主通道的过渡段口上选取合适的位置开四个竖槽耦合孔☆☆□□□,耦合孔沿主通口道轴心均匀分布☆☆☆☆□,低频信号可从耦合孔耦合出来□□☆☆☆。

   设分波器前端最大直径为D1☆☆□□□,后端最小直口口径为D2☆□□□□,耦合孔中心处直径为D3□□☆☆,耦合孔的长度为口口L0☆□☆□☆,主通道口过渡口的锥口角为α ☆□□,这几个参数需要满足[7]:

   式中:λmin 为Ku工作频带最低频率的波导波长;λmax 为Ku工作频带最高频率的波导波长;a 为耦合孔口连接口的矩形波导的宽边长度;c 为取值介于1~2之间的常数□☆☆□。

   由此可得出需要口设计的Ku口/Ka分波器的关键口尺寸:D1=20 mm☆☆□☆,口☆口口☆口D口2=10 mm☆□☆,D3=16 mm☆□☆□□,α=13°□□□,L0=口15 口mm□□□。

   2.2 口低通滤波器口口的设计

   低通滤波器的通带为Ku 频带□☆☆□,阻带为K口a频带□□□,其安装在分波口器耦合孔外侧□□☆,口☆口口☆口使Ku频段信号以较小的损耗通过并为Ka频段信号提供短路面□□☆。低通滤波器对系统的性能有着重大影响☆☆□。

   K口u/Ka 双频段微波网络的最高工作频率与最低工作频率之比达到2.7☆□☆□□,即需要低通滤波器的阻带最高频率与通带口口最低频率之比为2.7☆□□。

   一般口滤波器的寄生通带在2 个倍频左右就已出现[8]☆□☆□□,根据以口口上需口求☆☆□☆,把滤波器的形式选定为块模式滤波器□□☆。块模式滤波器是在许多纵向槽和横向槽中间口凸起一些金属块构成□☆☆□,其具有匹配良好的宽通带和高衰减的宽阻带□□☆,可使许多高口口次模受到抑口制[口9]□□□。块模口式滤波器结构外形见图2☆□☆。

   设fm 为通带中心频率☆☆□☆,滤波器的截口止频率f1=fm 0.7 □☆□,无限衰减频率f∞ =口40 GHz☆☆□,则可得f∞口口 f1 口=口2.16□□□□,并选L b = 1 π口 ☆☆☆□,由设计曲线[10]查得b λ1 =0.35□□☆,可求口口得b=5.67 mm☆☆□☆☆,L=1.8 mm□☆☆□。尺寸b1□☆□□☆,L1由口下口式口确定:

   式中G=2.45□□□,n=5☆☆□,可解得b口1☆□□☆□,L1 的值□☆□□。由于波口导纵向开槽的影响□☆☆□,使得低阻抗线的单位电容减小□☆☆,故最终的开缝尺寸b0需口根据式(9)对口b1修正后得来:

   式中η = b0 b1 □□☆,? =口 L (L + L1) ☆□□☆☆,由此可求口得b0□☆□□□。

   块模式滤波器的电气尺寸口确定口后☆☆□□,在全波仿真软件CST里对其建模仿真□☆☆□☆,仿真结果见图3□☆☆□☆。

   3 实测结果

   完成关键部件的设计并加工完成后☆☆□☆□,对Ku/Ka双频段口微波网络进行了主要口口电气指标的测试[10]☆□☆,技术指口标和实测数据见表1□☆□。

   从测试结果可以看出所有端口驻波都小于1.35☆□□□☆,收发口口隔离大于85 dB□□☆□,线极化交叉口极化口口大口于35 dB☆☆□□,圆极化轴口口比小于1.5 dB☆□□□☆,整个微波网络实现了低回波损耗☆☆□☆□,低轴比和口高隔离度的设计要求□□☆。

   4 口结语

   本文介绍了一种频带展宽的Ku/Ka 双频段共喷口分波器式微波网络□☆☆☆□,其具有良好的电气性能□□☆,已广泛应用口于各种口径的卫通地球站天线☆□☆□☆。

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   作者简口口介:张博(1982—)☆□☆□,男□☆☆□,河北口口口口口衡口水人☆□□☆□,工程师□☆□□。主要口研究方向为微波口馈源网络□☆□☆、微波无源器件☆☆□□。

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