Ka宽频带卫星通信馈源系统

Ka宽频带卫星通信馈源系统
袁朝晖;杜彪;金超
【摘要】作为下一代Ka频段卫星通信系统的关键天馈设备,新研制了一种高性能Ka宽频带卫星通信地球站四端口圆极化馈源系统,文章介绍.了该馈源系统的方案特点及关键部件的选取原则,并给出实测结果.测试结果表明馈源系统在19.2～21.2 GHz的接收频带、29.0～31.0 GHz的发射频带内具有优良的性能,轴比小于0.5 dB、回波损失小于-21 dB,整体技术指标达到了国际先进水平.
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2008(031)015
【总页数】3页(P163-165)
【关键词】Ka频段;圆极化;轴比;同轴滤渡器;隔板移相器
【作者】袁朝晖;杜彪;金超
【作者单位】中国电子科技集团公司第54研究所,河北,石家庄,050081;中国电子科技集团公司第54研究所,河北,石家庄,050081;中国电子科技集团公司第54研究所,河北,石家庄,050081
【正文语种】中文
【中图分类】TN927+21
1 引言
目前,多数商用卫星固定业务使用C波段(4/6 GHz)和Ku波段(12/14 GHz)。

随着
卫星通信业务种类日益繁多，经过缩小轨位间距、采用正交极化复用和空间复用等手段充分开发后的C和Ku频段，频道资源愈来愈拥挤且日渐饱和。

70年代，国外一些空间研究机构就开始致力于新一代大容量卫星通信系统的研制。

就使用带宽而言，Ka频段远大于C、Ku频段，因此是的新一代大容量卫星通信系统的首选频段。

经过20多年的研究与试验，国外Ka频段卫星通信系统已进入实用化阶段。

近年，我国也正在开展Ka频段卫星通信系统的研制。

本文介绍了我单位新研制的一种Ka宽频带卫星通信馈源系统，其收发频带分别为19.2～21.2 GHz,29.0～31.0 GHz，接收频带及发射频带内回波损失小于-20 dB，轴比小于0.5 dB。

2 系统方案
Ka宽频带卫星通信馈源系统由波纹喇叭、同轴滤波器、分波器、发射频段隔板移相器及接收频段90°电桥与多弯波导组成。

馈源系统原理图及外形图分别如图1,图2所示。

图1 Ka宽频带卫星通信馈源系统原理图
图2 Ka宽频带卫星通信馈源系统外形图
由原理图可知，馈源系统收发频段信号由同轴滤波器分开,同轴滤波器通带为接收频段，对发射信号有几十分贝的抑制。

发射信号经隔板移相器、方圆过渡从同轴内导体中间的圆波导进入分波部分，由于滤波器的抑制不能进入同轴线及与之相接的接收通路，通过喇叭辐射出去。

接收信号波长大于圆波导截止波长，不能从同轴内导体中间的圆波导传输，因此只能从外侧同轴滤波器中通过，由分波器正交耦合及合成两路信号。

接收圆极化器信号时，这两路信号幅度相等，相位差为90°。

再由90°电桥将两路信号合成到电桥的输出端口1或输出端口2，即馈源系统的两个接收端口。

3 关键件设计
同轴滤波器与分波器实现收发信号的分离，对发射频带信号有80 dB的抑制度，接收频带回波损失小于-25 dB。

通过选取合适的圆波导口径使发射频段TE10可以传输，考虑加工的因素，以此确定同轴内导体直径。

由于同轴外导体与馈源喇叭口部圆波导口径是一样的，要保证接收频段信号在口部圆波导的主模传输，同时也要保证同轴线中接收信号以TE11模的形式传输，通过这几个条件综合考虑可选定同轴外导体的直径。

同轴线中TE11模传输的条件为：
a+b>λmin/π
(1)
式中：a,b分别为同轴内外导体半径。

极化正交的线极化接收信号经过同轴滤波器进入分波器，被短路面截止后从侧臂四个对称的耦合孔耦合，经外围波导及魔T合成，生成正交的输出信号。

接收频段的圆极化器选用90°电桥，因为分波器正交耦合出来的两路接收信号，如采用波纹波导移相器、隔板式移相器实现圆极化须先将两路信号合成，结构复杂。

而电桥输入、输出均为两端口结构，可直接通过两根多弯波导与分波器相接，结构简单。

90°电桥由两个并列放置的波导管通过窄壁长为L的耦合区相连通构成。

通过耦合部分切窄防止TE30模的影响，采用多级阶梯过渡匹配波导的不连续性，可实现很好的电性能。

接收频段的轴比性能，主要由90°电桥决定。

经CST Studio仿真，90°电桥两端口幅度相差0.2 dB，相位差89.8°～91.5°即相位误差不大于1.5°，回波损失优于-25 dB。

由式(2)可得，系统接收频段轴比(AR：单位 dB)优于0.31 dB。

(2)
式中：Ae为幅度误差，单位：dB；φc为相位误差，单位：(°)。

与90°电桥连接的两根多弯连接波导形状复杂，相对电长度不一致将严重影响馈源系统接收频段的圆极化轴比性能。

在接收频段所用R220波导中，接收频段中心频率20.2 GHz时的波导波长20.66 mm，如长度误差0.1 mm，则有1.74°的相位差，此相移与90°电桥相位误差相加，则最坏的情况是两路正交信号相差4.2°，由式(2)可知此时的接收频段轴比变为0.67 dB，考虑弯波导相移与相互抵消的情况，实际加工时两根波导长度差0.2 mm是可接受的。

但对于连续多弯波导，达到这
样的要求是有难度的，加工时须有专门的工艺及工装。

发射频段圆极化轴比是Ka宽频带卫星通信馈源系统另一个关键指标，它直接决定系统发射频带交叉极化隔离度的大小。

在Ka频段，由于波导口径小，螺钉伸入波导内部的长度较短，调试困难，很难实现很好的性能。

方波导波纹移相器带宽很宽，轴比及回波损失都很好，可实现很好的电气性能。

要实现极化复用须与正交模耦合器及方圆过渡或45°扭波导一起使用，结构较复杂。

隔板式移相器本身即两端口结构，可同时实现圆极化器和正交模耦合器的功能，结构简单，长度短，电气性能也很好。

设计了一种隔板移相器，经CST Studio仿真，在29.0～31.0 GHz的发射频带内，移相器输出口TE10模与TE01模相位差
89.7°～90.7°，即相位误差最大0.7°，幅度相差0.04 dB，由式(2)可得，馈源系统发射频段轴比小于0.12 dB。

两个极化方向回波损失均小于-27 dB。

4 实测结果
用HP8722ES矢量网络分析仪在暗室实测Ka宽频段卫星通信馈源系统方向图E、H面等化很好，如图3所示为接收频段20.2 GHz馈源方向图。

图3 馈源系统辐射方向图
馈源系统各端口回波损失、轴比、端口隔离及插入损耗等关键指标测试结果如图4～图6所示。

图4 接收频段端口隔离
图6为在初始位置测试系统定标后，线极化发射喇叭在-22.5°～202.5°范围内每隔22.5°旋转一次，馈源系统接收端口1接收信号曲线，其包络即系统该端口轴比。

图5 发射频带回波损失
图6 接收端口1 轴比
限于篇幅，不能将各实测曲线一一列出，馈源系统详细指标如表1所示。

插损为去除波纹喇叭后馈源系统测试插入损耗。

表1 馈源系统电气性能测试结果测试项目及端口测试频率测试结果回波损失
Rx1Rx2Tx1Tx219.2～21.2 GHz19.2～21.2 GHz29.0～31.0 GHz29.0～31.0 GHz-23.1 dB-24.2 dB-22.66 dB-21.90 dB端口隔离Rx1/Rx2Tx1/Tx219.2～21.2 GHz29.0～31.0 GHz19.24 dB22.46 dB轴比Rx1Rx2Tx1Tx219.2～21.2 GHz19.2～21.2 GHz29.0～31.0 GHz29.0～31.0 GHz0.42 dB0.35 dB0.46
dB0.40 dB插入损耗RxTx19.2～21.2 GHz29.0～31.0 GHz0.95 dB1.0 dB收发隔离Rx/Tx29.0～31.0 GHz80 dB
5 结语
本文介绍了一种新研制的Ka频段宽带双圆极化四端口卫星通信馈源系统，具有很好的电气性能，实测辐射方向图等化很好，接收及发射频带轴比小于0.5 dB,回波损失小于-21 dB,端口隔离大于19 dB等，馈源系统整体电气指标已达到国际先进水平。

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