一种宽频带20/30GHz波纹馈源分析及设计

本文介绍用于跟踪数据中继卫星系统（TDRSS）地面测控天线的20/30GHz波纹圆锥馈源,给出了设计性能与试验件测试结果。辐射方向图等化＜1dB,交叉极化优于-26dB；在18.1～20.2GHz，VSWR＜1.12，在28.5～30GHz，VSWR＜1.05。
　　关键词：TDRSS　Ka波段　波纹馈源

一、 20/30GHz波纹馈源设计

　　对于L、S、C、X、Ku等较低频段而言,波纹馈源设计及制造方法都已有成熟的技术,而作为TDRSS系统Ka波段测控天线［1］的初级馈源,则其设计与工艺制造方法均有待于研究和探索。一方面由于工作频率很高,波纹喇叭及其输入模转换过渡段的波纹槽结构尺寸很小(0.1～2mm)，另一方面电气设计指标对外形尺寸的加工公差要求很高（±0.02mm）,给机械加工带来较大的难度，主要的难度在于环加载过渡段的保精度加工方法,因此必须采用高精度工艺制造技术或者新的设计方法。
　　一种办法是采用其他形式的馈源,不用波纹喇叭,另一种办法是采用按单频段设计，过渡段为变槽深的波纹馈源。由于工作频带宽(1:1.65),这两种办法都对天线系统的整体性能影响较大。文献［2］中采用变槽深过渡段的波纹喇叭在20GHz和30GHz照射电平分别为-10dB和-27dB，差异很大，如果用它作馈源，天线系统在20GHz和30GHz性能差异大，尤其20GHz旁瓣难以达到(29-25lgθ)dBi的强制性包络要求。其他形式的馈源也存在类似的情况以及方向图等化和交叉极化问题。经过方案论证,我们采用环加载展宽频带技术,在波纹喇叭输入模转换过渡段设计时,特意将前几个波纹齿适当加宽,适当减小加工难度,我们采用了单个波纹片精密加工,然后再由高精度工装将二十个波纹片固定,最后电铸成型工艺,实际达到的加工精度已通过电气性能测试,这种波纹馈源的测量性能完全满足天线系统的要求,这也表明了设计方法和制造工艺非常成功和有效。
　　设计的波纹喇叭外形尺寸为,口面半径a=59mm,相位中心d=177.5mm,喇叭半张角α=12.56°，长度L=264.96mm。考虑到用TE21模跟踪，取输入端直径为17.8mm，波纹槽深度3～4mm,最小加载宽度0.1mm，w=2mm，P=3mm，环加载厚度为相应波纹槽深度的0.3倍，设计方法可参考文献［3］～［5］。波纹馈源结构如图 1所示。波纹模转换过渡段半径a采用{Aexp（Bx2）-A+a0}曲线形式，以实现宽频带匹配。

图 1　20/30GHz波纹馈源结构

二、 Ka波段馈源设计性能与测量结果

　　波纹馈源HE11模辐射特性设计结果如图 2所示，计算公式为［4,5］：

图 2　计算的波纹馈源辐射方向图

其中：Q±=∫10J0(xat)J0(ut)μ11j2(xat)J2(ut)exp(-jφmt2)tdt

S=∫10J0(xat)exp(-jφmt2)tdt

　　HE21模的计算方向图也示于图 2中［5］。设计的波纹喇叭HE11模电压驻波比在18.1～20.2GHz频带内小于1.06；28.5～30GHz小于1.02，计算式如下［4，5］：

式中,xa0为TE11模特征值,xa为HEmn模的特征值。测量的20～30GHz波纹馈源试验件HE11模性能如图 3所示。关于HE21跟踪模的性能待试验完成后将另文发表。

图 3(a)　　　　　　　　　　　　图 3(b)

图 3(c)　　　　　　　　　　　　　　图 3(d)

图 3　测量的20～30GHz波纹馈源性能

三、 结　论

　　波纹馈源是高性能Ka波段TDRSS测控天线的核心部件之一，本文介绍了设计方法和计算结果，并示出了测量的试验件性能，实验结果表明这种20/30GHz波纹馈源HE11模辐射性能满足天线系统的要求，达到了预期的研制目的。