毛南平,潘高峰,潘國(guó)平,李其福

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431)

S+X雙頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)與仿真

毛南平,潘高峰,潘國(guó)平,李其福

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431)

為解決S+X雙頻合建大型測(cè)控天線S、X不能同時(shí)發(fā)射上行功率的技術(shù)難題，對(duì)天饋線系統(tǒng)主要組成部件包括：天線反射面、S/X雙頻饋源、S/X雙頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等進(jìn)行了分析，并針對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與電氣設(shè)計(jì)上的技術(shù)難點(diǎn)，給出了解決方案：電氣設(shè)計(jì)上采用TM01模式作為X頻段圓波導(dǎo)主要傳輸模式，采用TEM模式作為S頻段同軸波導(dǎo)傳輸模式；在結(jié)構(gòu)上使用兩通路同軸嵌套的形式,完成了雙頻關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)；通過(guò)電氣性能仿真，得到了滿意的結(jié)果,據(jù)此完成了雙頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)方案設(shè)計(jì);通過(guò)計(jì)算、仿真與優(yōu)化,結(jié)果表明所設(shè)計(jì)雙頻關(guān)節(jié)的電氣性能均優(yōu)于指標(biāo)要求；采用該方案設(shè)計(jì)的某S+X雙頻合建大型測(cè)控天線實(shí)際使用表明：S、X能同時(shí)發(fā)射上行功率，同時(shí)構(gòu)成天地測(cè)控回路。

S+X雙頻合建天線; 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié); 圓波導(dǎo); 電氣性能

0 引言

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是一個(gè)在天線饋線隨著天線在方位或俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，能夠保證天線的上行信號(hào)或者下行信號(hào)正常傳輸?shù)酿伨€部件[1]。在采用S、X頻段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)天線合建后，需要設(shè)計(jì)一種S、X雙頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種關(guān)節(jié)需要能夠提供兩個(gè)通路，分別通過(guò)S頻段與X頻段的射頻信號(hào)。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 主要研究?jī)?nèi)容

設(shè)計(jì)S頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)工作模式，S頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的尺寸選取，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)耦合激勵(lì)部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算，包括對(duì)TEM模式的分析，關(guān)節(jié)單模式工作方式以及對(duì)不需要的工作模式的抑制及消除方法。重點(diǎn)研究矩形波導(dǎo)TE10轉(zhuǎn)化成為同軸線中TEM模式的方法。

設(shè)計(jì)X頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)工作模式，X頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的尺寸選取，X頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)耦合激勵(lì)部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算，包括對(duì)TM01模式的分析，關(guān)節(jié)單模式工作方式以及對(duì)不需要的工作模式的抑制及消除方法。重點(diǎn)研究矩形波導(dǎo)TE10轉(zhuǎn)化成為圓波導(dǎo)TM01模式的方法。

扼流槽的選型，整體關(guān)節(jié)的電氣性能的計(jì)算，其中包括對(duì)關(guān)節(jié)駐波、損耗以及功率容量的計(jì)算。

1.2 設(shè)計(jì)方案

對(duì)于同時(shí)工作在S與X頻段的雙通道射頻信號(hào)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，在通路的布局上使用兩通路同軸嵌套的形式，即將X頻段的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)布置于關(guān)節(jié)整體的軸心部分，其使用圓波導(dǎo)作為關(guān)節(jié)主體，關(guān)節(jié)示意圖如圖1所示。而S頻段的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主體采用同軸線的形式[2]，其內(nèi)導(dǎo)體就是X頻段的波導(dǎo)外壁如圖1。這樣就可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)關(guān)節(jié)中同時(shí)通過(guò)S與X頻段的信號(hào)。

圖1 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)示意圖

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 S頻段關(guān)節(jié)

對(duì)于S頻段的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，通過(guò)選取合適的耦合孔徑位置及尺寸，將矩形波導(dǎo)的輸模式(TE10模式)轉(zhuǎn)為同軸波導(dǎo)傳輸模式(TEM)，將其作為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的信號(hào)傳輸模式；采用對(duì)稱激勵(lì)加魔T的方法來(lái)消除TE11模式[3]，通過(guò)計(jì)算耦合孔的耦合量以及魔T的工分性能，利用耦合處理的反相激勵(lì)，將TE11模式抵消，保證關(guān)節(jié)主體中只存在TEM模式；關(guān)節(jié)的接口形式是BJ22的矩形波導(dǎo)。

1.3.2 X頻段關(guān)節(jié)

X頻段關(guān)節(jié)主體是圓波導(dǎo)，通過(guò)選取合適的耦合孔徑位置及尺寸，將矩形波導(dǎo)的TE10模式轉(zhuǎn)為圓波導(dǎo)TM01模式，作為信號(hào)的傳輸模式；在圓波導(dǎo)中選擇合適的激勵(lì)位置，使圓波導(dǎo)中的TM01模激勵(lì)最大，同時(shí)基模激勵(lì)最小，再通過(guò)選取合適的圓波導(dǎo)短路位置，再次對(duì)基模加以抑制，使關(guān)節(jié)用TM01模式作為信號(hào)傳輸模式，且TM01模式不是圓波導(dǎo)傳輸?shù)幕?基模為T(mén)E11)；關(guān)節(jié)接口采用BJ84矩形波導(dǎo)，盡量提高關(guān)節(jié)的功率容量。

2 主要組成部件仿真

2.1 X頻段關(guān)節(jié)模式激勵(lì)部分設(shè)計(jì)及仿真

X頻段關(guān)節(jié)的主要關(guān)鍵技術(shù)在于如何激勵(lì)TM01模式，同時(shí)避免激勵(lì)TE11模式。選擇在圓波導(dǎo)的合適位置開(kāi)耦合孔以達(dá)到對(duì)TM01的激勵(lì)，同時(shí)選擇合適的短路桶高度以對(duì)TE11模式進(jìn)行抑制。短路桶的高度決定了對(duì)TE11模式的抑制度以及對(duì)TM01模式的激勵(lì)程度。圖2為半個(gè)X頻段關(guān)節(jié)的組成仿真模型，其駐波曲線計(jì)算結(jié)果已降至-30 dB以下。因關(guān)節(jié)屬于上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)，計(jì)算好半個(gè)關(guān)節(jié)后，將關(guān)節(jié)整體組合起來(lái)的電氣性能不會(huì)改變，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算，使整個(gè)關(guān)節(jié)的電氣性能處于優(yōu)良狀態(tài)。

圖2 X頻段關(guān)節(jié)部分仿真圖

2.2 S頻段關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)及仿真

2.2.1 二功分器

S頻段關(guān)節(jié)需要采用對(duì)稱激勵(lì)的形式，這里需要同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)矩形波導(dǎo)的二功分器，使同軸線的基本模式可以被激勵(lì)出來(lái)，同時(shí)使得同軸線中第一個(gè)高次模式被抑制[4]。這種同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)矩形波導(dǎo)的二功分器的計(jì)算結(jié)果如圖3所示，單個(gè)部件反射損耗已降至-38 dB以下。

圖3 同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)矩形波導(dǎo)的二功分器仿真圖

2.2.2 魔T

當(dāng)同軸線中的信號(hào)被分別耦合進(jìn)矩形波導(dǎo)后，再利用魔T將分別耦合出來(lái)的信號(hào)合成并輸出，仿真結(jié)果如圖4所示，單個(gè)部件反射損耗已降至-27 dB以下。

圖4 魔T仿真駐波曲線

2.2.3 波導(dǎo)彎頭

同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)矩形波導(dǎo)的二功分器的矩形波導(dǎo)端口尺寸與魔T的矩形波導(dǎo)尺寸是不同的，因此需要矩形波導(dǎo)過(guò)渡將兩者連接起來(lái)，需要使用到波導(dǎo)彎頭，仿真計(jì)算結(jié)果如圖5所示，單個(gè)部件反射損耗已降至-34 dB以下。

圖5 波導(dǎo)彎頭過(guò)渡駐波仿真曲線

2.2.4 S頻段關(guān)節(jié)

當(dāng)設(shè)計(jì)完單個(gè)部件后，將它們組合在一起，仿真結(jié)果如圖6所示，半個(gè)關(guān)節(jié)的反射損耗已降至-28 dB以下。

圖6 S頻段關(guān)節(jié)駐波仿真曲線

2.3 雙頻關(guān)節(jié)扼流槽

扼流槽是關(guān)節(jié)不可缺少的部分，扼流槽會(huì)改變關(guān)節(jié)的電氣性能，因此在S/X雙頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中，對(duì)扼流槽的排布是一個(gè)需要認(rèn)真分析的問(wèn)題，同時(shí)考察關(guān)節(jié)兩個(gè)通路在具備扼流槽后的電氣性能也是雙頻關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)工作。

關(guān)節(jié)中使用的扼流槽有兩種，即S型扼流槽和L型扼流槽。該雙通道關(guān)節(jié)根據(jù)各個(gè)關(guān)節(jié)通路的排布形式，選擇不同的扼流槽，并在關(guān)節(jié)底部轉(zhuǎn)動(dòng)處使用改進(jìn)L型扼流槽[5]。

3 主要指標(biāo)仿真結(jié)果

3.1 X頻段關(guān)節(jié)

X頻段關(guān)節(jié)功率容量仿真結(jié)果如圖7所示(輸入功率1 000 W)。

圖7 X頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)功率容量仿真結(jié)果

X頻段關(guān)節(jié)駐波仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 X頻段關(guān)節(jié)駐波仿真結(jié)果

X頻段關(guān)節(jié)損耗仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 X頻段關(guān)節(jié)損耗仿真結(jié)果

3.2 S頻段關(guān)節(jié)

S頻段關(guān)節(jié)功率容量仿真結(jié)果(輸入功率1 000 W)如圖10所示。

圖10 S頻段關(guān)節(jié)功率容量仿真結(jié)果

S頻段關(guān)節(jié)駐波仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 S頻段關(guān)節(jié)駐波仿真結(jié)果

S頻段關(guān)節(jié)損耗仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 S頻段關(guān)節(jié)損耗仿真結(jié)果

從上面的曲線與圖表可以看到，雙頻關(guān)節(jié)在S/X頻段電氣性能的計(jì)算仿真結(jié)果均能滿足指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

S/X雙頻關(guān)節(jié)目前還沒(méi)有成熟產(chǎn)品，在結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與電氣設(shè)計(jì)上均存在技術(shù)上的難點(diǎn)。本文針對(duì)各技術(shù)難點(diǎn)提出了高質(zhì)量的解決方案，并進(jìn)行了初步方案設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，雙頻關(guān)節(jié)的電氣性能均優(yōu)于指標(biāo)要求。在本方案的基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)一步設(shè)計(jì)，可以產(chǎn)出滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求的雙頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。

[1] Im E,Durden S L,Wu C,et al.The 94GHz cloud profiling radar for the cloud satmission[A].2001IEEE Aerospace Conference Proceedings[C].March,2001,10-17.

[2] 楊可忠.特殊波束面天線技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[3] Johansson J F.A Gauss-laguerre analysis the dual-mode Horn[A].Proc.Int.Symp.Space Thz Tech[C].UCLA,1993:134-138.

[4] Chen Y,Chen A X,Su D L.The optimization design of the pickett potter Horn antenna for KaBand[A].2008 Asia-Pacific Symposium on EMC&19th International Zurich Symposium on EMC[C].2008:19-22.

[5] MizusawaM,KitsuregawaT.A beam-waveguide feed having a symmetric beam for Cassegrain antennas[J].IEEE Trans.AP,1973,21(6):844-846.

Simulation and Design on S- and X-band Rotary Joint

Mao Nanping，Pan Gaofeng，Pan Guoping，Li Qifu

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department, Jiangyin 214431, China)

To resolve the technology problem that S- and X-band antenna in integrated construction couldn’t transmit upstream power at the same time, the antenna feed system was analyzed, including reflecting surface of the antenna, S- and X-band feed source, S- and X-band dual-band rotary joint and so on. The technology difficulties of the configuration implement and the electric design were presented, and the resolving scheme about the technology difficulties was designed. For the electric design, TM01 mode was the main transmitting mode for the X-band circular waveguides, and TEM mode was the transmitting mode for the S-band coaxial waveguides; for the configuration implement, dual-channel coaxial nested shape was used. The design on dual-band rotary joint was gained, and the simulation result was also satisfactory. By calculating, simulating and optimizing, the performance of the proposed dual-band rotary joint exceeds the product qualification. An application of the S- and X-band antenna in integrated construction proposed shows that S- and X-band antenna in integrated construction can transmit upstream power at the same time, and a space-ground TT&C loop is formed.

S- and X-band antenna in integrated construction； rotary joint； circular waveguide； electric performance

2016-07-03；

2016-07-18。

毛南平(1971-)，男，江蘇靖江人，高級(jí)工程師，主要從事航天測(cè)控總體技術(shù)方面的研究。

1671-4598(2016)12-0191-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.054

TN957

A