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1、收稿日期:2005 - 03 - 04; 收修改稿日期:2005 - 04 - 11 TE21模 耦 合 器 研 究 许 智1 ,2 梁昌洪1 (1 1 西安电子科技大学天线与电磁散射重点实验室,西安710071; 21 西安空间无线电技术研究所,西安710000) 摘 要 TE21模耦合器是一种用于微波通信的高精度跟踪器件。文章给出了TE21模 耦合器的工作原理、 设计原理以及Ka频段TE21模耦合器的计算机仿真结果,并综合出 TE21模耦合器工程设计的经验公式。 主题词 TE21模耦合器 和波束 差波束 1 引 言 无论是星间链路通信,还是卫星与地球站之间通信,为了保证高的EIRP值,都要
2、求发射天线波束 与接收天线波束精确对准。一旦两者有偏差,将造成增益下降,影响通信质量。为了保证波束的精确 对准,一种很好的跟踪方法是采用波导中的多模工作,产生差方向图。目前国外用得比较多的多模跟 踪主要是TM01模与TE21模。 TE21模耦合器是将矩形波导中的TE10模耦合成圆波导中的TE21高次模,继而产生跟踪用的差 方向图的器件。TE21模跟踪精度高,耦合器结构紧凑,因而在卫星通信与星载雷达中得到越来越多 的应用。 2 TE21模跟踪原理 和波束用于通信,一般用圆波导中的主模TE11模工作。图1为圆波导中TE11模的场分布图,它 将产生如图2所示的笔形和波束。 图1 圆波导中的TE11模
3、场分布 图2 和波束 差波束用于跟踪,其波束正中存在零值。圆波导中的TE21模及其简并模分布如图3所示,产生的 差波束示于图4。TE21模耦合器输出的是误差信号,表征了天线和波束电轴偏离来波信号角度的大小。 一个典型的用TE11通信、TE21跟踪的系统如图5所示。从反射面天线入射的TE11通信信号, 44 空间电子技术 SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY 2005年第3期 图3 圆波导中TE21模及简并模场分布 图4 差波束 图5 TE11通信、TE21跟踪系统 通过TE21耦合器的主通道,小损耗地以和信号形式输 出。当天线电轴与来波方向重合时,没有误差信号输 出;而当天线
4、电轴偏离来波方向时,差波束将接收到信 号,喇叭中将激励起TE21高次模。经过主通道的 TE21高次模,经耦合孔耦合到差通道,模式转化为矩 形波导中的TE10模。TE10模通过后面的合成网络合 成一路信号。合成网络可分为线极化网络与圆极化网 络。线极化网络对应于4个耦合臂的耦合器,该耦合 器只耦合了TE21两个模式中的一个,没有将简并模式 耦合出来。因此,对于线极化来波,有一个方向的误差 信息不能提取;而对于圆极化来波,虽然两个方向的误 差信息都能提取,但是,由于接收的线极化与来波的圆 极化不匹配,存在3dB的极化损失。圆极化网络对应 于8个耦合臂的耦合器,此类耦合器将TE21与其简并模都耦合出
5、来,通过90 电桥形成圆极化。这种 网络既能跟踪线极化来波,又能跟踪圆极化来波,且对于圆极化来波,不存在极化损失,是比较好的方 案,但是合成网络相当复杂,特别是在频率较高的情况。为了减少损耗,一般用波导作合成网络,其尺 寸比较大,结构也很难布局。输入到接收机的差信号分离为两路正交信号,通过检波,解出俯仰与方 位信息,再用这些信息控制伺服机构,转动天线,使得天线电轴指向来波方向。 3 TE21耦合器设计原理 图6为TE21耦合器的模型示意图,图中,主通道为圆波导,差通道为矩形波导,两者之间有大量 耦合孔相连。设主通道输出总电场为E,差通道输出总电场为V ,差通道中,在前向方向上,各个耦合 波相位
6、相同,信号相叠加输出;而在后向方向上,最终的波相位彼此相反,信号彼此抵消,输出很小。 对于耦合孔等间距分布类型耦合器,由耦合理论,差通道对信号的耦合度F以及输出电场E、V 为1: 图6 耦合器模型 542005年第3期 许智等:TE21模耦合器研究 F =2 N i =1 aia0cos 2i -1 2N -1 L 2 (1-2)(1) E =cos N i =1 sin- 1aia0(2) V =sin N i =1 sin- 1aia0(3) 式中, a0为参考孔的耦合强度, ai为第i个孔相对于参考孔的耦合强度,L为耦合段的长度,1 和 2分别为主通道与差通道中的相位常数, N为耦合孔的
7、数目。从(1)式可以看出,要得到最大耦 合,必须1=2, 而 1 与 2相差很大,可以减小模式耦合,增强隔离度。如输入与输出都匹配,则最 大耦合用能量的形式表达出来为2: E20 Z1 S1=m V2 Z2 S2(4) 式中, Z1, Z2为主通道与差通道的等效阻抗, S1, S2为主通道与差通道的截面面积, m为耦合差 通道的数目。(1)(4)给出了TE21模耦合器设计的基本框架。要使得TE21模几乎完全耦合,就得 使圆波导中TE21模的相位常数与矩形波导中TE10模的相位常数相等,这就限定了主通道的直径与 差通道的宽边尺寸关系,两者理论值为: A= 0.5143D(5) 采用圆孔耦合,由国
8、外工作者通过实验经验得出Ka频段TE21模耦合器的参考耦合孔耦合强度 与孔直径的关系见式(6) 1 。式中,频率f的单位为GHz ,尺寸D0的单位为英寸。根据此式,设计的 耦合器再用HFSS验证,发现误差较大。 a0=(31002f2- 741328f+ 4691375 ) D 316 0 (6) 根据实际设计的多个Bessel分布的耦合器综合,直接得出Ka频段耦合器的参考耦合孔直径、 主 通道圆波导尺寸以及中心频率三者的经验公式为: Dk0 D =(010211k2- 0.0835k+ 3.0052 ) f 2 +(- 0.0036k2- 0.1704k+ 1.6453 ) f + 42.4
9、14(7) Di=a1/ k i D0(8) 式中k为系数,取值范围为3.03.6,具体大小与耦合壁厚有关系。Di、D为各个耦合孔与主通 道直径,单位为毫米,f为以GHz为单位的频率。 同时,和信号TE11耦合到差通道,将会恶化差波束的零深,因此,差通道提高对TE11模的隔离度 是很有必要的。一个有效的办法是使主通道中的TE11模的相位常数与差通道中的TE10模的相位常 数相差甚大,这可以通过将圆波导尺寸选择在离TE21模截止很近的区域达到。差通道的窄边尺寸则 由(4)式决定。ai是预先给定的,它可以是均匀分布,也可以是锥削分布。一般说来,锥削分布的带 宽要宽一些。一种比较好的锥削是Besse
10、l分布。虽然(1)(5)给出了设计TE21模耦合器的基本关 系,但是,它的前提是假设耦合壁为无限薄,而且没有考虑各个耦合孔之间的相互作用。实际中并非 如此,因此,实际设计时,需要在上述值上作相应的微调。 4 计算机仿真 以星载雷达上工作于33. 525GHz、 带宽为500MHz的TE21耦合器为例,采用(1)(8)式计算出初 值,再用HFSS微调。此星载雷达上用的耦合器主要是根据目标卫星反射的圆极化信号,对目标卫星 进行精确跟踪。采用8个耦合臂,形成圆极化跟踪。 选择ai为Bessel锥削分布,且为中心对称形式, 每一个耦合臂共有20个耦合孔,需要10个采样ai值。ai值如表1所示: 64空
11、间电子技术 2005年第3期 图7 TE21耦合器 表1 10个采样ai值 耦合缝隙号相对耦合强度耦合缝隙号相对耦合强度 11.00064.269 21.51474.881 32.14185.411 42.83295.760 53.605105.904 耦合孔采用等间距分布,且中心间距约为1/ 6波导波长。 缝隙壁厚为0. 3 mm。不包括合成网络,耦合器总长60 mm。图7为耦合器示意图。采用(1)(8)设 计出初值,再用HFSS微调,得到的TE21耦合器主要电性能如图811。 图8 主通道中各模驻波 图9 差通道对TE11的隔离 图10 主通道对TE21的抑制 图11 差通道对TE21的耦
12、合 从上面的仿真结果可以看出,此耦合器的差波束至少能达到40dB的零深,能满足对目标精确跟 踪的要求。 参考文献 1 Choung Y H,G oudey K R and Bryans L G. Theory and design of a Ku - band TE21 - mode Couper. IEEE Trans. on Microwave Theory Tech. ,Vol.MTT- 30 ,No.11 ,1982:18621865 2 顾瑞龙,沈民谊编.微波技术与天线.北京:国防工业出版社 11980 作者简介 许 智 1978年生,目前在西安电子科技大学攻读硕士学位,主要从事星载天线的研究。 梁昌洪 1943年生,教授,博士生导师,曾任西安电子科技大学校长,中国电子学会会士,IEEE Senior member。主要从事计算场论、 计算微波、 微波网络理论、 电磁散射与逆散射、 电磁兼容等方面的研究。 742005年第3期 许智等:TE21模耦合器研究
