1、S/ X双频共用同轴馈源王俊义(中国电子科技集团公司第 54 研究所 ,河北 石家庄 050081)摘 要 提出了一种用于射电望远镜 50 m天线、 S/ X双频共用且对 S、 X双频段具有不同照射角的同轴馈源设计方法 ,S、X两个频段的相对工作频带宽度均为 20 % ,S频段为同轴馈源 ,内导体为圆波导馈源工作在 X频段。采用电磁仿真和实验的方法研究了同轴馈源辐射方向图 - 10 dB 点波束宽度的调整方法和减小同轴馈源电压驻波比和轴比的技术途径。对同轴馈源方向图、电压驻波比和轴比进行了测试 ,测试结果与电磁仿真结果比较吻合。关键词 同轴馈源 ;波束宽度 ;匹配 ;电压驻波比中图分类号 TN
2、820. 1 + 4 文献标识码 ACoaxial Dual - Band Feed Operating in S/ X BandWANGJun2yi( The 54 th Research Institute of CETC , Shijiazhuang Hebei 050081 , China)Abstract This paper presents a design method of coaxial feed that is common in S/ X band ,has different illumination angle of - 10 dBin S and X band a
3、nd can be used to illuminate a radio telescope antenna with a diameter of 50 m. The relative operation bandwidth of S and Xbands is 20 %. The feed is a coaxial form in S2band and a circular waveguide form in X2band. The technique is studied by making use of EMsimulation and experimentation for adjus
4、ting the beamwidth of - 10 dB and reducing the VSWR and axial ratio for circular polarization.Comparing the EM simulation and experiment results showes a good agreement in directivity pattern , VSWR and axial ratio of circularpolarization.Key words coaxial feed ; beamwidth ; match ; VSWR收稿日期 :200521
5、02280 引言射电望远镜 50 m 天线采用前馈抛物面天线 ,天线焦距直径比为 0. 35 ,天线在 30 m 口径内采用铝板 ,在 30 50 m 口径范围内采用不锈钢金属网。工作频段包括 VHF、 UHF、 L、 S、 X、 Ku 等 ,采用一个馈源组馈电 ,每个馈源工作在一个频段或两个频段 ,其中S、 X 频段共用一个馈源 ,馈源在 S 频段 (2 0702 530 MHz)照射 50 m 口径 ,照射角为 142 ,在 X 频段 (7 600 9 200 MHz) 照射 30 m 口径 ,照射角为92. 8 ,采用同轴馈源可以实现在 S 和 X 两个频段具有不同的照射角。采用内外导体
6、嵌套的办法 ,同轴馈源可以用作双频馈源 ,同轴馈源工作在低频段 ,同轴馈源的内导体为圆波导馈源 ,工作在高频段。同轴馈源和圆波导馈源均工作在主模 TE11 模状态 ,所以对于同轴馈源 ,其辐射方向图波束等化只有在合适的馈源口面尺寸和外 - 内导体直径比 ( a/ b) 的情况下才能实现 1 ,然而波束等化的频率范围很窄 ,馈源辐射方向图的第一旁瓣、后瓣和交叉极化电平很高。所以通常在同轴馈源的口面和圆波导口面加轭流槽 ,可以在一定程度上改善上述特性 ,但对同轴馈源来说 ,远不能达到对波束等化、工作频带宽度、电压驻波比和轴比等电气性能的要求。1 同轴馈源设计同轴馈源和圆波导馈源的口面直径决定了馈源
7、辐射方向图波束宽度 ,口径越大 ,波束宽度越窄。对于 X频段波导馈源 ,尽量使其口径增大 ,使其对天线在 30 m 口径的照射电平接近于 - 10 dB。但波导馈源口径加大受到 S 频段同轴馈源的限制 ,通常同轴馈源外 - 内导体直径比 ( a/ b) 的值选择在 2. 5 以上 ,若 a/ b 的值太小 ,则电压驻波比太差 ;另一方面 , a/ b 的值一定 ,内导体直径越大 ,则同轴馈源的口径越大 ,导致 S 频段同轴馈源对 50 m 口径的照射电平太低。经综合考虑 ,选择 X 频段圆波导馈源的内径为 0. 47 max 0. 57 min ,外径为 44 mm ,波导电磁场与微波2006
8、 年 无线电工程 第 36 卷 第 3 期 47 馈源口面带一个轭流槽 ,槽宽 1. 5 mm ,槽深 9 mm。馈源照射电平为 - 6 - 10 dB。保持同轴馈源内导体不变 ,外导体口面直径选择两种 ,一种口面直径为 105 mm ,命外为 coax1 ,另一种口面直径为 116 mm ,命名为 coax2 ,两种馈源的外 - 内导体直径比 ( a/ b) 的值分别为 2. 39 和 2. 64 ,无论在同轴馈源口面是否有轭流槽 ,在 S 频段的高端 ,两种馈源辐射方向图的波束等化均很差 ,且照射锥消电平太低 , E 面方向图锥消电平达到 - 16- 18 dB , H 面方向图锥消电平达
9、到 - 11 - 14 dB ,所以必须采用另外的技术措施 ,来展宽同轴馈源方向图 - 10 dB 点的波束宽度 ,使其接近 142 ,且使同轴馈源方向图波束等化。2 同轴馈源波束等化与波束展宽措施工作在主模 TE11 模的同轴馈源的一个特点就是波束等化频带窄 ,宽频带工作时频带高端波束等化差。为了改善频带高端的方向图波束等化特性且展宽波束 ,在同轴馈源口面加一个与内外导体同心的金属圆环 ,金属环紧贴外导体内径表面 ,可以展宽馈源在 E 面、 H 面方向图的波束宽度 ,且使馈源 E 面、 H面方向图等化。这个圆环在径向的厚度越厚 ,馈源方向图波束展宽越多。 E 面比 H 面方向图波束展宽更多
10、,这是因为在馈源口面加圆环以后 ,一方面使同轴馈源的辐射口径减小 ,使馈源 E 面、 H 面方向图波束宽度变宽 ;另一方面 ,这个圆环相当于在同轴波导中引入了一个台阶 ,会产生高次模 TM11 模 ,使馈源的 E面方向图波束展宽 ,而对 H 面方向图波束宽度没有影响。在同轴馈源口面采用矢量模法进行计算也得出了相同的结论 2。当圆环在径向的厚度增加到某一个值时 ,可以实现同轴馈源 E 面、 H 面方向图的基本等化 ,此时馈源的旁瓣电平与后瓣电平也显著降低 ,但方向图波束等化的频带比较窄。馈源的电压驻波比对这个圆环非常敏感 ,引起了同轴馈源电压驻波比的升高 ,圆环在径向的厚度越厚 ,同轴馈源的电压
11、驻波比越大 ,所以不能单纯依靠增加圆环径向厚度来改善同轴馈源方向图的等化 ,还必须采用其它的技术途径来改善同轴馈源的波束等化特性。已经知道 ,90 波纹喇叭的方向图具有很好的波束等化 ,将 90 波纹槽从圆波导口径后移一定距离 ,可以使馈源的 E 面、 H 面方向图波束展宽 ,同时仍保持馈源方向图的波束等化特性 ,波束等化的频带宽度可以达到 20 %以上。同理 ,在同轴馈源的口径外壁增加一组波纹槽 (一组四个槽 ,如 coax1) 或几组波纹槽 (三组九个槽 ,如 coax2) ,且波纹槽从同轴馈源口径后移一定距离 ,也可以实现同轴馈源方向图的宽频带波束展宽和波束等化。图 1、图 2 为同轴馈
12、源 coax1 和 coax2 结构图 ,图 1 中 , t = 6 ; 1 = 74 ; 2 = 6516 ; 3 = 47 ; L1 = 4414 ; L2 = 7311; L3 = 8719。图 2 中 , t = 6 ; 1 = 71; 2 = 58; L1 = 55 ; L2 = 151。图 1 coax1 结构图图 2 coax2 结构图表 1 是两种馈源方向图 - 10 dB 点波束宽度对照表 ,表中 : a1 coax1 口面没有环 ,外壁没有波纹槽时的仿真结果 ; a2 coax1 口面有环 ,外壁没有波纹槽时的仿真结果 ; a3 coax1 口面有环 ,外壁有波纹槽时的仿真
13、结果 ; a4 coax1 口面有环 ,外壁有波纹槽时的测试结果。 b1、 b2、 b3、 b4 的含义对应表示coax2 在上述几种情况下的仿真与测试结果。图 3、电磁场与微波48 2006 Radio Engineering Vo1136 No13图 4 是两种馈源在口面加金属圆环且馈源外壁加波纹槽的仿真与实测方向图 。表 1 同轴馈源 - 10 dB点波束宽度对照馈源 2 070/ MHz 2 300/ MHz 2 530/ MHzE H E H E Hcoax1a1 136 137 122 132 112 129a2 145 146 133 140 119 130a3 146 147
14、144 143 123 127a4 146 149 137 136 124 128coax2b1 105 119 109 124 98 115b2 129 136 113 124 101 114b3 133 138 137 132 116 128b4 133 142 132 130 118 126图 3 coax1 辐射方向图图 4 coax2 辐射方向图从表 1 看出 ,同轴馈源口面加金属环和馈源外壁加波纹槽 ,均可以使同轴馈源方向图的 - 10 dB点波束展宽 ,并使其 E 面和 H 面方向图趋于等化。从图 3、图 4 看出 ,仿真与测试结果符合性较好。通过选择同轴馈源的口径大小、口面金属
15、环在径向的厚度、波纹槽的半张角 (即波纹槽与同轴馈源轴线的夹角 )以及调整波纹槽距同轴馈源口面的距离 ,可以改变同轴馈源 E 面、 H 面方向图的波束宽度并使 E 面、 H 面方向图趋于等化。所以同轴馈源适合于用作焦距直径比 ( F/ D) 大于 0. 3 的前馈抛物面天线的单频或双频共用馈源 ,当波纹槽半张角小于 50且同轴馈源内导体端面与外导体口面保持平齐时 ,也可以用作环焦天线的单频或双频共用馈源 ,此时同轴馈源在两频段的相位中心不一致 ,在使用时要加以注意。同轴馈源口面金属环使 X 频段圆波导馈源方向图的波束宽度变窄 ,对应于 92. 8照射角的照射电平降低了 1 dB ,而同轴馈源外
16、壁波纹槽对 X 频段圆波导馈源方向图几乎没有影响。3 同轴馈源电压驻波比与轴比改善影响同轴馈源电压驻波比与轴比特性的器件主要是同轴馈源的同轴辐射器和矩形波导 同轴波导信号耦合器。同轴辐射器的电压驻波比取决于外 -内导体直径比 ( a/ b) , a/ b 越小 ,同轴馈源 TE11 模的特征阻抗与自由空间的匹配越差。采用在同轴馈源内导体上 ,与内导体同轴排列一组金属环 ,通过调整金属环的大小和相对位置 ,可以改善同轴辐射器的匹配 3 。在同轴辐射器口面加了波束展宽和等化金属环以后 ,同轴馈源的电压驻波比变得更差了。采用相同的方法仍可以改善同轴辐射器的匹配 ,但匹配环的大小与排列位置关系与同轴辐
17、射器口面未加金属环时相比有所不同。 coax1 使用了三个匹配环 ,coax2 使用了两个匹配环。对 coax1 与 coax2 同轴辐射器电压驻波比的仿真结果如表 2。表 2 同轴辐射器电压驻波比仿真比较馈源 口面未加环 口面加环coax1 同轴辐射器 VSWR 1. 54 1 1. 66 1coax2 同轴辐射器 VSWR 1. 43 1 1. 65 1矩形波导 - 同轴波导信号耦合器就是在同轴波导侧壁对称开四个耦合缝隙 ,四个耦合缝隙外接矩列波导 ,实现由同轴波导向矩形波导信号耦合。四路矩形波导分别连接 45移相器、合路器、正交模耦合器 ,实现了线圆极化转换和两端口输出。矩形波导 同轴波
18、导信号耦合器的匹配 ,通常在同轴波导耦合缝周围采用螺杆来进行匹配调整 ,但采用螺杆调整很难保证螺杆分布的对称性和进入同轴波导内深度的一致性 ,从而导致馈源正交输出端口隔离度劣化 ,造成天线的效率损失和极化干扰 ,所以在耦合缝隙前端也采用一个匹配调整金属环 ,金属环内径为 100 mm ,外径为 80 mm ,厚度为 10 mm。采用螺杆调整匹配的端口隔离度最差为 8 dB ,电磁场与微波2006 年 无线电工程 第 36 卷 第 3 期 49 采用金属环调整匹配的端口隔离度最差为 15 dB。对于同轴馈源 coax1 和 coax2 ,同轴波导信号耦合器是相同的。同轴波导信号耦合器前端连接同轴
19、匹配负载 ,从正交模耦合器输出端口测得的电压驻波比线极化时 1. 43 1 ,圆极化时 1. 28 1。同轴波导信号耦合器前端连接同轴辐射器 ,组成 coax1馈源时 ,测得的电压驻波比线极化时 1. 72 1 ,圆极化时 1. 34 1 ,轴比 1. 22 1 ;组成 coax2 馈源时 ,电压驻波比线极化时 1. 78 1 ,圆极化时 1. 30 1 ,轴比 1. 21 1。从对 coax1 与 coax2 电压驻波比的测试结果可知 ,依据对同轴辐射器匹配仿真结果确定的匹配调整金属环的大小和位置与实际调试结果是基本一致的 ,所以对于同轴馈源的同轴辐射器匹配调整 ,可以依据仿真来确定金属环的
20、大小和位置。4 结束语同轴馈源辐射方向图波束展宽和波束等化可以通过在同轴馈源口面加金属环和在同轴馈源外壁加波纹槽来实现 ,同轴馈源辐射方向图的仿真结果与实测方向图基本一致。同轴馈源的同轴辐射器的匹配调整可以采用一组与内导体同轴排列的金属环来实现 ,而矩形波导 同轴波导信号耦合器耦合缝前端的金属匹配环 ,不但可以调整同轴波导与矩形波导转换之间的匹配 ,还可以提高馈源正交输出端口隔离度 ,降低天线效率损失 ,减小极化干扰。对同轴辐射器匹配仿真确定的金属匹配环的大小和位置 ,与实际调试确定的结果基本一致。 参考文献1 OLVER A D ,ClARRICOATS P J B ,KISHK A A ,
21、SHAFAI L.Microwave Horns and Feeds M. New York : The Institute ofElectrical and Electronics Engineers ,1994.2 KRAUS L A , PROPERA C E. A Technique for ObtainingPattern Symmetry and Low Sidelobes from a TE11 ModeCoaxial RadiatorJ . IEEE Trans. ,1977 ,AP - 25 :365 - 369.3 TREVOR S. B ,GRAEME L J ,STEP
22、HEN J . Input Mismatch ofTE11 Mode Coaxial Waveguide Feeds J . IEEE Trans. ,1986 ,AP - 34 :1030 - 1033.4 CHAN KC. 利用史密斯圆图设计匹配网络 J .无线电工程 ,2001 , 30 (12) :51 - 53.作者简介王俊义 男 , (1962 - ) ,中国电子科技集团公司第 54 研究所 ,硕士 ,高级工程师。主要研究方向 :通信天线。(上接第 46 页 )的高稳晶振 ,片内时钟倍乘器设置倍率为 20 ,则系统时钟 f s 为 400 MHz。由奈奎斯采样定理可知 DDS输出的
23、最大频率 f max = f s/ 2 ,但在实际应用中为了保证信号的质量 ,输出频率不高于时钟频率的 33 % ,以避免混叠或谐波落入有用输出信号的的频带内 2 。频率分辨率为 : f o = f s/ 232 = 93 mHz ,则 DDS输出信号的频率范围为 0 1/ 3f s。图 2 双通道直接频率合成器方框图AD9858 工作模式设置为单音调工作模式 ,在这种工作模式 ,两个 DDS 通道共享一个公共地址 ,频率调制字地址是 (寄存器 0x04) ,通过改变频率控制字 ,可以很方便地改变输出频率 ,结合通道选择控制 ,两个通道可以独立输出互不相关的两路正弦波 3 ,控制功能由 89C
24、51 编程完成。3 结束语以 AD9958 作为核心部件设计的频率合成器除了具有稳定度高、精度高、分辨率高、成本低、功耗小和体积小等特点外 ,还具有可以输出 2 路同步信号、可以多片芯片同步链接等优点 ,可应用在各种工作领域 ,有着广阔的应用前景。 参考文献1 杜红 ,祖静 . 直接数字频率合成器 AD9852 的原理及应用J .科技情报开发与经济 , 2005 ,15(9) :248 - 249.2 马丽 . DDS 芯片 AD9852 及其应用 J .国外电子测量技术 ,2003(5) :6 - 8.3 徐国鼐 . 时钟频率达 1GHz 的高速直接数字合成器 J .新器件应用 ,2005(6) :58 - 60.作者简介赵云娣 女 , (1953 - ) ,华中科技大学电信系实验中心高级工程师。主要研究方向 :电路与系统及虚拟仪器技术。电磁场与微波50 2006 Radio Engineering Vo1136 No13
