Ku/Ka双频段微波网络设计模式行研究
来源：UC论文网2015-12-05 20:35
摘要：
摘 要： 双频共用和多频共用技术是目前卫星通信地球站天线的一个重要发展方向，其可以扩大通信容量，实现一站多用，大大降低成本。基于微波网络理论，提出一种Ku/Ka双频段微波网
摘 要： 双频共用和多频共用技术是目前卫星通信地球站天线的一个重要发展方向，其可以扩大通信容量，实现一站多用，大大降低成本。基于微波网络理论，提出一种Ku/Ka双频段微波网络的设计方案。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、旋转对称和良好的轴比特性的辐射方向图。最后给出了微波网络的实测结果，测试结果与技术要求吻合很好。
关键词： 微波网络； 分波器； 低通滤波器； 双频段
中图分类号： TN820?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）16?0023?03
Design of microwave network operated in Ku/Ka?band
ZHANG Bo
（The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050081， China ）
Abstract： The dual?band and multiband sharing technologies are the important development directions of satellite communication antenna in ground station， which can enlarge the communication capacity， realize multi?function station and decrease cost dramatically. Based on the theory of microwave network， a design scheme of Ka/Ku dual?band microwave network is presented here. It has a function of frequency sharing which is implemented by wave separator. The network operates circular polarization at Ka band， and linear polarization at Ku band. The design method of essential components （wave separator and low?pass filter） in Ku/Ka dual?band sharing microwave network system is elaborated. This network possesses good matching， high isolation between ports， radiation pattern with good main circularity and axial ratio. The measured results of the microwave network are given. The measured results meet the technique requirement very well.
Keywords： microwave network； wave separator； low?pass filter； dual?band
0 引 言
目前卫星通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500 MHz），Ka频段等。随着通信业务的发展C，Ku的频道资源趋于饱和。而更高频率的Ka频段具有可用频带宽、干扰少等优点，在国内外得到了广泛的应用[1?3]。
为了实现一站多用降低成本，频率复用技术成为卫星通信地球站天线发展的一个重要的方向。馈源网络是地球站天线系统的核心，发展具有优良性能的多频带、宽频带馈源网络技术是地球站天线系统发展的重中之重。Ku/Ka双频段馈源网络的设计，可以给卫通系统提供更宽的频段，更高的传输速率，用以支撑无人机、船载站等各种移动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Ka频段高速率信息的传输。本文介绍的就是一种Ku频带经过展宽的Ku/Ka双频段微波网络，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有多种方案，目前广泛应用的有同轴式馈源网络、频率选择面式馈源网络、波束波导式馈源网络、共喷口分波器式馈源网络 [4?6]。经过分析工程需求我们选取微波网络的形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性和较小的系统损耗等优点，并且结构紧凑能适合各种口径天线。
Ku/Ka双频段共喷口分波器式微波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频段信号经过Ka波段TE21模耦合器的主通道到达Ku/Ka分波器，从耦合臂耦合出来后分别合成为正交的接收信号和发射信号；Ka频段信号在经过Ku/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双频段微波网络的工作原理框图见图1。
图1 Ku/Ka双频段微波网络的工作原理框图 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的电气特性。
2.1 Ku/Ka分波器的设计
Ku/Ka分波器可以看作一种六端口网络，主通道为一圆锥形过渡，前端为来波方向，一般连接波纹喇叭馈源，后端的尺寸逐渐变小直至能为低端频率的信号提供短路面，使高端频率的信号可以通过。
在主通道的过渡段上选取合适的位置开四个竖槽耦合孔，耦合孔沿主通道轴心均匀分布，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，后端最小直径为D2，耦合孔中心处直径为D3，耦合孔的长度为L0，主通道过渡的锥角为[α]，这几个参数需要满足[7]：
[2.62D1≤λmax≤3.41D1] （1）
[2.62D2≤λmin≤3.41D2] （2）
[D3=λmin+λmax3.41] （3）
[λmin2≤λmax-λmin1.705sinα [L0=cλmax-λmin1.705sinα] （5）
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为耦合孔连接的矩形波导的宽边长度；c为取值介于1～2之间的常数。
由此可得出需要设计的Ku/Ka分波器的关键尺寸：D1=20 mm，D2=10 mm，D3=16 mm，α=13°，L0=15 mm。
2.2 低通滤波器的设计
低通滤波器的通带为Ku频带，阻带为Ka频带，其安装在分波器耦合孔外侧，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。
Ku/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最低频率之比为2.7。
一般滤波器的寄生通带在2个倍频左右就已出现[8]，根据以上需求，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，可使许多高次模受到抑制[9]。块模式滤波器结构外形见图2。
图2 块模式滤波器结构外形图
设fm为通带中心频率，滤波器的截止频率f1=[fm0.7]，无限衰减频率f∞=40 GHz，则可得[f∞f1]=2.16，并选[Lb=1π]，由设计曲线 [10]查得[bλ1]=0.35，可求得b=5.67 mm，L=1.8 mm。尺寸b1，L1由下式确定：
[tan πL1λ1=πδbλ1（G-2πln 1δ+0.215 8）] （6）
[δ=b1b] （7）
[a=n（L+L1）] （8）
式中G=2.45，n=5，可解得b1，L1的值。由于波导纵向开槽的影响，使得低阻抗线的单位电容减小，故最终的开缝尺寸b0需根据式（9）对b1修正后得来：
[η=?+2?πtan-1（ηb1L）+b1ηln1+（Lηb1）2L] （9）
式中[η=b0b1]，[?=L（L+L1）]，由此可求得b0。
块模式滤波器的电气尺寸确定后，在全波仿真软件CST里对其建模仿真，仿真结果见图3。
图3 块模式滤波器仿真结果
3 实测结果
完成关键部件的设计并加工完成后，对Ku/Ka双频段微波网络进行了主要电气指标的测试[10]，技术指标和实测数据见表1。
表1 Ku/Ka双频段微波网络测试结果
从测试结果可以看出所有端口驻波都小于1.35，收发隔离大于85 dB，线极化交叉极化大于35 dB，圆极化轴比小于1.5 dB，整个微波网络实现了低回波损耗，低轴比和高隔离度的设计要求。
4 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，已广泛应用于各种口径的卫通地球站天线。
参考文献
[1] 杨可忠.现代面天线新技术[M].北京：人民邮电出版社，1993.
[2] 田车辇.Ku波段13米卫星通信天线设计与性能[J].无线电工程，1999（3）：55?59.
[3] 张玉珍.Ku/Ka多频段馈源的分析与设计[D].成都：电子科技大学，2011.
[4] 齐述堂，田哲民.高性能C波段800 MHz带宽频谱复用馈源网络[J].无线电工程，1998（8）：1?5.
[5] ROSPOPA Y O， OVSIANYK Y A， DUBROVKA R F， et al. Recent progress in development of multiband feed horns [J]. Antenna Theory and Techniques， 2007（6）： 44?50.
[6] 杨科.20/30 GHz频率选择面技术研究[J].空间电子技术，2007 （4）：34?36.
[7] 段斌，李红卫.C/Ku双波段馈源系统的研究[J].微波学报，1998 （3）：227?232.
[8] 张晓峰.宽阻带波导双工器的研制[D].成都：电子科技大学，2011.
[9] 甘本祓，吴万春.现代微波滤波器的结构与设计（下册）[M].北京：科学出版社，1973.
关键词： 微波网络； 分波器； 低通滤波器； 双频段
中图分类号： TN820?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）16?0023?03
Design of microwave network operated in Ku/Ka?band
ZHANG Bo
（The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050081， China ）
Abstract： The dual?band and multiband sharing technologies are the important development directions of satellite communication antenna in ground station， which can enlarge the communication capacity， realize multi?function station and decrease cost dramatically. Based on the theory of microwave network， a design scheme of Ka/Ku dual?band microwave network is presented here. It has a function of frequency sharing which is implemented by wave separator. The network operates circular polarization at Ka band， and linear polarization at Ku band. The design method of essential components （wave separator and low?pass filter） in Ku/Ka dual?band sharing microwave network system is elaborated. This network possesses good matching， high isolation between ports， radiation pattern with good main circularity and axial ratio. The measured results of the microwave network are given. The measured results meet the technique requirement very well.
Keywords： microwave network； wave separator； low?pass filter； dual?band
0 引 言
目前卫星通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500 MHz），Ka频段等。随着通信业务的发展C，Ku的频道资源趋于饱和。而更高频率的Ka频段具有可用频带宽、干扰少等优点，在国内外得到了广泛的应用[1?3]。
为了实现一站多用降低成本，频率复用技术成为卫星通信地球站天线发展的一个重要的方向。馈源网络是地球站天线系统的核心，发展具有优良性能的多频带、宽频带馈源网络技术是地球站天线系统发展的重中之重。Ku/Ka双频段馈源网络的设计，可以给卫通系统提供更宽的频段，更高的传输速率，用以支撑无人机、船载站等各种移动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Ka频段高速率信息的传输。本文介绍的就是一种Ku频带经过展宽的Ku/Ka双频段微波网络，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有多种方案，目前广泛应用的有同轴式馈源网络、频率选择面式馈源网络、波束波导式馈源网络、共喷口分波器式馈源网络 [4?6]。经过分析工程需求我们选取微波网络的形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性和较小的系统损耗等优点，并且结构紧凑能适合各种口径天线。
Ku/Ka双频段共喷口分波器式微波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频段信号经过Ka波段TE21模耦合器的主通道到达Ku/Ka分波器，从耦合臂耦合出来后分别合成为正交的接收信号和发射信号；Ka频段信号在经过Ku/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双频段微波网络的工作原理框图见图1。
图1 Ku/Ka双频段微波网络的工作原理框图 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的电气特性。
2.1 Ku/Ka分波器的设计
Ku/Ka分波器可以看作一种六端口网络，主通道为一圆锥形过渡，前端为来波方向，一般连接波纹喇叭馈源，后端的尺寸逐渐变小直至能为低端频率的信号提供短路面，使高端频率的信号可以通过。
在主通道的过渡段上选取合适的位置开四个竖槽耦合孔，耦合孔沿主通道轴心均匀分布，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，后端最小直径为D2，耦合孔中心处直径为D3，耦合孔的长度为L0，主通道过渡的锥角为[α]，这几个参数需要满足[7]：
[2.62D1≤λmax≤3.41D1] （1）
[2.62D2≤λmin≤3.41D2] （2）
[D3=λmin+λmax3.41] （3）
[λmin2≤λmax-λmin1.705sinα [L0=cλmax-λmin1.705sinα] （5）
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为耦合孔连接的矩形波导的宽边长度；c为取值介于1～2之间的常数。
由此可得出需要设计的Ku/Ka分波器的关键尺寸：D1=20 mm，D2=10 mm，D3=16 mm，α=13°，L0=15 mm。
2.2 低通滤波器的设计
低通滤波器的通带为Ku频带，阻带为Ka频带，其安装在分波器耦合孔外侧，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。
Ku/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最低频率之比为2.7。
一般滤波器的寄生通带在2个倍频左右就已出现[8]，根据以上需求，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，可使许多高次模受到抑制[9]。块模式滤波器结构外形见图2。
图2 块模式滤波器结构外形图
设fm为通带中心频率，滤波器的截止频率f1=[fm0.7]，无限衰减频率f∞=40 GHz，则可得[f∞f1]=2.16，并选[Lb=1π]，由设计曲线 [10]查得[bλ1]=0.35，可求得b=5.67 mm，L=1.8 mm。尺寸b1，L1由下式确定：
[tan πL1λ1=πδbλ1（G-2πln 1δ+0.215 8）] （6）
[δ=b1b] （7）
[a=n（L+L1）] （8）
式中G=2.45，n=5，可解得b1，L1的值。由于波导纵向开槽的影响，使得低阻抗线的单位电容减小，故最终的开缝尺寸b0需根据式（9）对b1修正后得来：
[η=?+2?πtan-1（ηb1L）+b1ηln1+（Lηb1）2L] （9）
式中[η=b0b1]，[?=L（L+L1）]，由此可求得b0。
块模式滤波器的电气尺寸确定后，在全波仿真软件CST里对其建模仿真，仿真结果见图3。
图3 块模式滤波器仿真结果
3 实测结果
完成关键部件的设计并加工完成后，对Ku/Ka双频段微波网络进行了主要电气指标的测试[10]，技术指标和实测数据见表1。
表1 Ku/Ka双频段微波网络测试结果
从测试结果可以看出所有端口驻波都小于1.35，收发隔离大于85 dB，线极化交叉极化大于35 dB，圆极化轴比小于1.5 dB，整个微波网络实现了低回波损耗，低轴比和高隔离度的设计要求。
4 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，已广泛应用于各种口径的卫通地球站天线。
参考文献
[1] 杨可忠.现代面天线新技术[M].北京：人民邮电出版社，1993.
[2] 田车辇.Ku波段13米卫星通信天线设计与性能[J].无线电工程，1999（3）：55?59.
[3] 张玉珍.Ku/Ka多频段馈源的分析与设计[D].成都：电子科技大学，2011.
[4] 齐述堂，田哲民.高性能C波段800 MHz带宽频谱复用馈源网络[J].无线电工程，1998（8）：1?5.
[5] ROSPOPA Y O， OVSIANYK Y A， DUBROVKA R F， et al. Recent progress in development of multiband feed horns [J]. Antenna Theory and Techniques， 2007（6）： 44?50.
[6] 杨科.20/30 GHz频率选择面技术研究[J].空间电子技术，2007 （4）：34?36.
[7] 段斌，李红卫.C/Ku双波段馈源系统的研究[J].微波学报，1998 （3）：227?232.
[8] 张晓峰.宽阻带波导双工器的研制[D].成都：电子科技大学，2011.
[9] 甘本祓，吴万春.现代微波滤波器的结构与设计（下册）[M].北京：科学出版社，1973.
