S/X/Ka三频馈源设计及实现

引 言

随着对地观测技术及遥感应用需求的发展，对遥感卫星地面数据接收系统的要求也日益提高，更宽频段、更高频率、双频或多频共用技术已成为新的技术发展趋势 [1]。馈源是地面数据接收系统的重要组成部分，其性能直接影响着整个地面数据接收系统的性能。

用于接收高码速率、低轨遥感卫星的馈源需具有较宽的工作带宽、高增益、高极化鉴别率和高跟踪精度等能力[2,3]。同时需具备多频共用以满足多星接收，提高地面接收系统利用率的需求[4]。高性能、多频段、宽频带、低轴比的 S/X/Ka 三频自跟踪馈源研制的技术难度较大，如何保证馈源所有频段满足工程技术要求是一项关键技术。

依据实际工程任务的技术需求，本文设计并实现了一种具有高增益、高极化鉴别率、低旁瓣性能与单脉冲跟踪功能的S/X/Ka 三频段馈源。

1 S/X/Ka馈源设计

1.1 馈源结构

馈源结构采用三频段五喇叭组合馈源体制，中间为X/Ka 双频段单喷口小张角波纹喇叭，S频段馈源是分布在X/Ka双频段馈源外围的四喇叭。

S频段馈源由四个切角喇叭加切角补偿段输出，分别与各自的极化器相连，最后通过合成网络形成S频段的左、右旋圆极化的和路和差路信号。

X/Ka双频段馈源采用单喷口单槽深小张角波纹喇叭，由X/Ka波纹喇叭、跟踪器、分波器、圆波导极化器、移相器、滤波器、正交器等组成。其中，X频段馈源网络采用单排八孔TE21模耦合器与组合魔 T 实现跟踪功能，和路射频信号由分波器分离之后再由正交接头合成，在此过程中通过 45 波导移相器实现圆极化，然后采用圆波导正交器将左、右旋射频信号分离；Ka 频段馈源网络采用八臂多孔跟踪器跟踪，和路射频信号由圆波导极化器实现圆极化，然后采用圆波导正交器将两正交的圆极化射频信号分离出来。

这种组合馈源结构有利于实现 X/Ka 波段宽频带低轴比的技术要求，能够设计出性能优越的馈源。S/X/Ka 三频段馈源组成框图如图 1 所示。

1.2 X/Ka频段馈源部件设计

1.2.1 高性能波纹喇叭的设计

要在整个X/Ka 频段内实现低轴比，同时确保高增益、低旁瓣性能，馈源喇叭种类的选择和优化设计是关键。波纹喇叭因具有频带宽、交叉极化分量低、电压驻波比好，且具有在整个使用带宽内近于不变的旋转对称的波束宽度等优点而成为首选[5,6]。

一般设计的波纹喇叭其纵向和横向尺寸均大于所采用的光壁圆锥喇叭，由于在它的外围紧密排列着四个S 频段的切角喇叭，如果尺寸变化较大，为避免二次遮挡效应，势必要减小外围喇叭的尺寸，从而影响到 S 波段的整体性能。因此， X/Ka频段馈源采用单槽深小张角波纹喇叭。

1.2.2 跟踪器设计

X 频段馈源网络采用单排八孔TE21 模耦合器与组合魔 T 实现跟踪功能。与多孔跟踪器相比，单孔跟踪器可非常方便的在跟踪支路的耦合孔外添加低通滤波器，抑制 Ka 频段的和、差信号进入X 频段跟踪器的差网络内，经优化设计可避免跟踪器对Ka 频段性能指标产生不良影响。但对于X 频段而言， 单孔跟踪器仅有一个耦合孔，它对于X 频段的主模和跟踪模式的耦合度差距并不明显，因此，在耦合主模信号的同时，必然耦合一定量的和模信号，从而产生较大的 X 频段和模损失，增大了 X/Ka 频段馈源的损耗与天线 X 频段的噪声温度，同时也降低了天馈系统的 G/T 值。因此，必须采取合理的处理措施。

设计时通过优化设计耦合孔相关尺寸，降低了跟踪器耦合孔对于X 频段主模的耦合度，将耦合损失控制到系统 G/T 值余量的容许范围内。在X 跟踪器与魔 T 之间设置了群岛式低通滤波器以抑制X 跟踪器对Ka 频段的影响。

Ka 频段馈源网络采用八臂多孔跟踪器实现跟踪，和路射频信号由圆波导极化器实现圆极化，采用圆波导正交器将两正交的圆极化射频信号分离出来。

1.2.3 X/Ka分波器

X/Ka分波器是X/Ka双频馈源分波技术的核心器件，其设计形式和技术性能指标直接决定了双频馈源的功能实现和技术性能。分波的优化设计可使 X和Ka频段得到有效分离， 两频段虽然处于同一个单喷口馈源网络内，但互不影响。

设计时采用四路对称式分波器，并对波纹喇叭、分波器的张角及耦合孔、滤波器进行综合优化设计，控制 X、Ka频段高次模式的影响，抑制有害高次模式，控制固有高次模式， 利用有利高次模式，大大降低了极化器前的交叉极化分量，使两频段的轴比，尤其Ka频段的轴比性能得到有效提升。

1.2.4 高性能移相器的设计

要实现低的圆极化轴比，必须采用高性能的移相器件。微波器件的性能是设计、加工、安装、调试等多个环节共同作用的结果。高性能移相器的设计在综合分析技术需求、各类移相器的性能及加工、安装、调试等因素后，X 频段采用具有优秀幅度- 相位- 频率响应且环境适应性良好的 45波导移相器 ；Ka 频段采用波纹波导和台阶组合式移相器，该移相器具有优秀的幅度- 相位- 频率响应和环境适应性。

1.2.5 正交器的设计

正交器完成公共端口中两个相互正交的线极化信号的分离，并将它们传给相互正交的两个单一模式的信号端口。选用的正交器的驻波、隔离度实测结果为 7.95 ～8.95 GHz，反射系数 < － 28.2 dB（ 电压驻波比 1.081∶1）， 隔离度 < －53.11 dB。

1.3 S 频段馈源部件设计

馈源采用四喇叭模式，四个喇叭分布在 X/Ka 双频段馈源外围。四个切角喇叭加切角补偿段输出分别与各自的极化器相连，最后通过合成网络形成S 频段的左、右旋圆极化的和路与差路信号。

文中采用隔板式极化器。隔板极化器是一个三端口的波导器件，具备同时完成线极化到圆极化转换以及左、右旋圆极化分离的双重功能，可减小馈电系统尺寸，便于现场安装。

合成网络采用带状线形式，由宽带魔 T 和 3 dB 电桥组合分别输出和、差信号。带状线组合网络的外壳设计成金属盘， 带状线内导体全部包含其中，大大缩小了合成网络的物理尺寸， 也减少了不必要的电缆连接。S频段馈源合成网络结构示意图如图 2所示。

图 2 S 频段馈源合成网络结构示意图

2 测试结果

设计的 S/X/Ka 馈源已用于实际工程项目中，馈源与 12米修正型卡氏天线组装后的测试结果见表 1，表 2，表 3 所列。

测试结果表明，天馈系统的电气和结构设计合理，性能指标完全满足频率复用高码速率遥感卫星地面接收系统的技术需求。

3 结 语

S/X/Ka 三频段馈源采用 5 喇叭结构，其中X/Ka 双频段馈源采用单喷口单槽深小张角波纹喇叭，S 频段馈源是分布在X/Ka 双频段馈源外围的四喇叭。该馈源具有高增益、高极化鉴别率、低旁瓣性能等特性，并具备单脉冲跟踪功能。

该馈源已用于相关的工程项目中，测试结果满足 S/X/Ka遥感卫星地面接收系统的技术需求。