双槽结构双频段共用波纹喇叭馈源 【技术领域】
本发明涉及卫星通信天线、测控天线领域中一种双槽结构双频段共用波纹喇叭馈源，特别适合用作L/C、S/C、S/X和C/Ku等双频段共用卫星通信和测控天线中低旁瓣、低交叉极化、低反射损耗和方向图轴对称的馈源装置。
背景技术
随着卫星通信与测控技术的的飞速发展，通信业务量与日俱增，一些卫星转发器的工作频段已从原来的单频段增加到双频段，如C/Ku、L/C、S/C和S/X等双频段，不远的将来还将向多频段发展。为了增大通信容量，降低卫星通信地球站的建站成本，卫星通信地球站天线就被要求能同时在两个频段上通信。因此，馈源系统也必须能同时在两个频段上良好地工作。可以预见，在不久的将来，新建的大量大中口径卫星通信天线必须具备双频段工作能力，而目前普遍使用的C、Ku、S等单频段天线馈源系统也必须更换成具有双频段功能的馈源系统。因此，双频段共用馈源技术就成为双频共用卫星通信地球站天线的关键技术之一。
众所周知，由于波纹喇叭馈源能在接近2∶1的宽频带内实现优良的电气性能指标，所以它在卫星通信天线领域中占有非常重要的地位，几乎所有高性能的卫星通信天线都使用波纹喇叭作馈源。波纹喇叭通常由光壁渐变段、模变换器、波纹过渡段和辐射段四段组成，其中模变换器是喇叭中最关键的一段，它担负着从光壁波导中的主模TE11向波纹波导中的主模HE11转换的任务，同时抑制高次模的激励和减少反射损耗，从而保证波纹喇叭具有优良的电气性能。目前天线中现有地C/Ku共用双频段波纹喇叭馈源通常采用单环加载槽或双直槽结构(双槽深)模变换器，这仅可以用在双频段中的高频段内的带宽较窄的情况，如C/Ku双频段中的Ku频段的带宽比仅为1.32∶1(10.95～14.5GHz)，频带较窄。而在L/C、S/C双频段的工作情况下，高频段(C频段)内的带宽很宽，带宽比为1.74∶1(3.7～6.425GHz)。由于带宽的增大，常规的槽结构型式单直槽、双直槽、单环加载槽等就都不能用在L/C、S/C双频段共用的模变换器中。
有害高次模的抑制也是双频共用馈源设计制造中的关键技术之一。对于双频段工作中的高频段，由于与波纹喇叭喉部相连的输入光壁圆波导是过模波导，因此不但可以传播主模TE11模，而且还可以传播有害的高次模TM11模。在输入光壁波导与波纹模变换器(波纹喇叭喉部)之间一旦有半径和张角等不连续的突变，就会激励起TM11模，于是它就可以沿着喇叭向前传播，并且在波纹段很容易地转换成EH12混合模。该模的产生严重地影响着喇叭的极化纯度，引起喇叭的交叉极化电平升高。因此，一个有害高次模抑制器就必须放在输入光壁圆波导与模变换器之间来分别抑制光壁波导中TM11模的激励及模变换器入口处EH12模的产生。
【发明内容】
本发明的目的在于避免背景技术中的不足之处而提供一种能抑制有害高次模、双频段共用的双槽结构双频段共用波纹喇叭馈源，且本发明还具有可在两个分离的频段内具有辐射方向图旋转对称、旁瓣和交叉极化电平低、反射损耗小、增益高等特点。
本发明的目的是这样实现的：
它由有害高次模抑制器1、双槽结构波纹槽模变换器2、双槽深波纹结构频率变化过渡段3、双槽深波纹结构角度变化过渡段4、双槽深波纹结构辐射段5构成。其中有害高次模抑制器1内壁为圆弧曲线结构，圆弧曲线的起点与输入圆波导内壁相切、终止点与双槽结构波纹槽模变换器2内壁相切；双槽结构波纹槽模变换器2内壁为正弦曲线结构，由环加载槽6、直槽7和波纹齿8构成双槽结构波纹槽；双槽深波纹结构角度变化过渡段4内壁为圆弧曲线结构，圆弧曲线的起点与双槽深波纹结构频率变化过渡段3内壁相切、终止点与双槽深波纹结构辐射段5内壁相切，由深直槽9、浅直槽10、波纹齿11构成双槽深波纹结构；有害高次模抑制器1、双槽结构波纹槽模变换器2、双槽深波纹结构频率变化过渡段3、双槽深波纹结构角度变化过渡段4、双槽深波纹结构辐射段5用紧固件依次连接成整体波纹喇叭馈源。
本发明双槽结构波纹槽模变换器2的等效壁导纳Y按以下公式确定：Y=P1Y1Y2b2Y1+b1Y2]]>。
本发明双槽结构波纹槽模变换器2的波纹槽呈周期性结构，一个周期波纹槽结构由一个环加载槽6、一个直槽7、和两个波纹齿8构成；周期值P1等于环加载槽6槽口宽度尺寸b1、直槽7槽宽度尺寸b2、两个波纹齿8齿宽度尺寸t1、t2的数值之和；每个周期值P1和加载槽宽尺寸W1可变或固定不变；每个周期波纹槽结构内环加载槽6槽口宽尺寸b1、直槽7槽宽度尺寸b2均由小尺寸渐变过渡到大尺寸结构，两个波纹齿8齿宽度尺寸t1、t2均由大尺寸渐变过渡到小尺寸结构；第一个周期结构的环加载槽6槽深尺寸h1、直槽7槽深尺寸h2由等效壁导纳Y在双频段内等于或接近无穷大确定；其余周期的环加载槽6的槽深h1逐渐变大，直到变成双槽深波纹结构频率变化过渡段3的第一个周期深直槽的槽深，直槽7的槽深h2逐渐变小，直到变成双槽深波纹结构频率变化过渡段3的第一个周期浅直槽的槽深。
本发明双槽深波纹结构角度变化过渡段4的波纹槽呈周期性结构，一个周期波纹槽结构由一个深直槽9、一个浅直槽10、两个波纹齿11构成，周期值P2等于深直槽9槽宽度尺寸b3、浅直槽10槽宽度尺寸b4、两个波纹齿11齿宽度尺寸t3、t4的数值之和，每个周期值P2可变或固定不变。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1.本发明采用了一种双槽结构波纹槽模变换器2的设计技术，从而克服了现有单环加载槽和双直槽(双槽深)波纹喇叭无法实现L/C、S/C等双频段工作的缺陷，可在两个分离的频段内具有辐射方向图旋转对称、旁瓣和交叉极化电平低、反射损耗小、增益高等优点。
2.本发明采用了一种有害高次模抑制器1的设计技术，能有效抑制光壁波导中TM11模的激励及模变换器2入口处EH12模的产生，降低了交叉极化电平和反射损耗电平。
3.本发明制造的双槽结构波纹喇叭馈源适合用作L/C、S/C、S/X和C/Ku等双频段共用卫星通信和测控天线的馈源装置。
【附图说明】
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明有害高次模抑制器1结构示意图。
图3是本发明双槽结构波纹槽模变换器2结构示意图。
图4是本发明双槽深波纹结构角度变化过渡段4结构示意图。
【具体实施方式】
参照图1，本发明由有害高次模抑制器1、双槽结构波纹槽模变换器2、双槽深波纹结构频率变化过渡段3、双槽深波纹结构角度变化过渡段4、双槽深波纹结构辐射段5构成，各部件用紧固件依次连接成整体波纹喇叭馈源。双槽结构波纹槽模变换器2采用一个环加载槽和一个直槽组合成的周期结构；双槽深波纹结构频率变化过渡段3、双槽深波纹结构角度变化过渡段4、双槽深波纹结构辐射段5均采用一个深直槽和一个浅直槽组合成的周期结构。
参照图2，本发明有害高次模抑制器1的内壁是一条圆弧曲线，其后接双槽结构波纹槽模变换器2。它的作用是实现半径的增大，从输入圆波导的半径ai增加到模变换器2入口的半径a1，同时抑制有害高次模的激励和降低反射损耗。通过利用模匹配和转换技术，对于不同的内壁曲线，可计算出模变换器入口处的有害混合模EH12的大小。以EH12模的大小为目标函数，通过优化计算，可优选出模抑制器的最佳内壁曲线，使模变换器2入口处EH12模的激励量最小。最后，经优选采用一段圆弧作为模抑制器的内壁曲线可很好地完成对有害高次模的抑制作用，该圆弧在其起点与输入圆波导的内壁相切，在其终止点与双槽结构波纹槽模变换器2的内壁曲线相切。
本发明有害高次模抑制器1的设计方法如下：入口半径ai的选取原则是低频段(L频段)的最低工作频率fLmin≥1.1～1.15 fLc(fLc是TE11模的截止频率，fLc=3003.412ai]]>)；出口半径a1的选取原则是kLia1＝2.6～3.4，式中kLi=2πfLi,]]>fLi是低频段的一个设计频率。内壁圆弧曲线的半径R1计算公式如下：R1=L1sinθi---(1)]]>式(1)中L1是有害高次模抑制器1的长度；θi是双槽结构波纹槽模变换器2入口处内壁曲线的切线与其轴线的夹角。
本发明双槽结构波纹槽等效壁导纳Y的计算公式如下：Y=P1Y1Y2b2Y1+b1Y2---(2)]]>式(2)中Y1={b1W1[Vm′(kd0)+Bm]Um1+Um2}÷{1+b1W1[Vm′(kd0)+Bm]Um3}---(3)]]>Y2=Jm′(ka)Nm(kd2)-Jm(kd2)Nm′(ka)Jm(ka)Nm(kd2)-Jm(kd2)Nm(ka)---(4)]]>Vm′(kd0)=Jm′(kd0)Nm(kd1)-Jm(kd1)Nm′(kd0)Jm(kd0)Nm(kd1)-Jm(kd1)Nm(kd0)---(5)]]>Um1=Jm′(ka)Nm(kd0)-Jm(kd0)Nm′(ka)Jm′(kd0)Nm(ka)-Jm(ka)Nm′(kd0)---(6)]]>Um2=Jm′(kd0)Nm′(ka)-Jm′(ka)Nm′(kd0)Jm′(kd0)Nm(ka)-Jm(ka)Nm′(kd0)---(7)]]>Um3=Jm′(ka)Nm(kd0)-Jm(kd0)Nm′(ka)Jm′(kd0)Nm(ka)-Jm(ka)Nm′(kd0)---(8)]]>Bm=BPY01-(λλC)2---(9)]]>BPY0=4W1λg{ln[(1-α24α)(1+α1-α)12(α+1α)]+2A+A′+2CAA′-C2+(W12λg)2(1-α1+α)4α(5α2-11-α2+4α2C3A)2}---(10)]]>A=(1+α1-α)2α1+1-(2W1λg)21-1-(2W1λg)2-1+3α21-α2---(11)]]>A′=(1+α1-α)2α1+1-(2b1λg)21-1-(2b1λg)2-3+α21-α2---(12)]]>C=(4α1-α2)2---(13)]]>
λc＝2πd0 (14)λg=λ1-(λλC)2---(15)]]>α=b1W1---(16)]]>
d0＝a+h1/3 (17)
d1＝a+h1 (18)
d2＝a+h2 (19)Jm(x)、Nm(x)分别为m阶贝塞尔函数和诺依曼函数；λ为自由空间的波长；λc为截止波长；a为槽口处的内壁半径；b1为环加载槽6槽口宽度；b2为直槽7槽宽度；W1为环加载槽6的宽度；P1为周期；Y1是环加载槽6的等效壁导纳；Y2是直槽7的等效壁导纳。
参照图3，本发明双槽结构波纹槽模变换器2的波纹槽呈周期性结构，一个周期结构由一个环加载槽6、一个直槽7和两个波纹齿8组成，周期值P1等于两个波纹齿的宽度t1和t2(t1＝t2)与环加载槽6的槽口宽度b1和直槽7的槽宽b2(b＝b1＝b2)的数值之和，每个周期值P1和加载槽宽尺寸W1是可变或固定不变的。模变换器2的内壁是一段正弦曲线，目的是抑制有害高次模EH12的激励。
双槽结构波纹槽模变换器2的设计方法如下：入口半径a1的选取原则是kLia1＝2.6～3.4；出口半径a2的选取原则是kLia2＞3.25；θi＝4°～8°；低频段的设计频率fLi＝1.87GHz，高频段的设计频率fHi＝3.83GHz；内壁为一正弦曲线，其半径a(z)公式为a(z)=a1+(a2-a1)sin(πz2L2)---(20)]]>式(20)中L2是双槽结构波纹槽模变换器2的长度；a1、a2分别为入口、出口处的内壁半径；周期P1＝10mm；环加载槽宽W1＝3.5mm；双槽结构波纹槽第一个周期的环加载槽6和直槽7的槽口宽度均为b1＝b11＝b12＝0.25mm；其余周期的环加载槽6和直槽7的槽口宽度均按线性增大，其公式如下：bi=bi1=bi2=0.25+3.25N(i-1)---(21)]]>式(21)中N为双槽结构波纹槽模变换器2的周期数，N＝28；i为周期序号。第一个周期结构的环加载槽和直槽的槽深尺寸h1和h2是由组合槽的等效壁导纳在两个频段内等于或接近无穷大决定的；其余周期的环加载槽6的槽深h1逐渐变大，直到变成双槽深波纹结构频率变化过渡段3的第一个周期深直槽的槽深，直槽7的槽深h2逐渐变小，直到变成双槽深波纹结构频率变化过渡段3的第一个周期浅直槽的槽深。
参照图1，本发明双槽深波纹结构频率变化过渡段3的内壁为圆柱结构，它的作用是完成频率的变化，从低频段的设计频率fLi变到平衡混合频率fLo，从高频段的设计频率fHi变到平衡混合频率fHo，即槽深的变化。在该段中第一个周期的深、浅槽分别谐振在低、高两个频段内的两个设计频率fLi和fHi上，深槽槽深h3≈λLi/4，浅槽槽深h4≈λHi/4，λLi和λHi分别是对应于两个频率fLi和fHi上自由空间的波长；最后一个周期的深、浅槽分别谐振在低、高两个频段内的两个平衡混合频率fLo和fHo上，h3≈λLo/4，h4≈λHo/4，λLo和λHo分别是对应于两个频率fLo和fHo上自由空间的波长；中间各周期的深、浅槽槽深分别由第一个周期的深、浅槽槽深渐变到最后一个周期的深、浅槽槽深。
本发明双槽深波纹结构频率变化过渡段3的设计方法如下：平衡混合频率分别为fLo＝1.8GHz，fHo＝4.35GHz；周期P＝10mm；所有周期的深、浅槽槽宽均为b＝b3＝b4＝3.5mm；周期数为N＝20；所有的波纹齿的宽度均为t＝t3＝t4＝1.5mm。
参照图4，本发明双槽深波纹结构角度变化过渡段4选用双槽深波纹结构，即由一个深直槽9、一个浅直槽10和两个波纹齿11组合成一个周期的周期性波纹槽结构，每个周期的深、浅槽的槽宽均相等b3＝b4，波纹齿的宽度也一样t3＝t4，实施例中可以变化或固定不变，周期值P2＝b3+b4+t3+t4同样也是可以变化或固定不变。
双槽深波纹结构角度变化过渡段4的内壁为圆弧结构，其起点与频率变化过渡段3的内壁相切，其终止点与辐射段5的内壁曲线相切。目的是抑制有害高次模EH12的激励，其作用是完成模变换器2与辐射段5之间所必须有的张角变化，从模变换器2出口半张角0°变化到辐射段5半张角θ0。每个周期的深、浅槽均分别谐振在fLo和fHo上，深槽槽深h3≈λLo/4，浅槽槽深h4≈λHo/4。
本发明双槽深波纹结构角度变化过渡段4的设计方法如下：P2＝10mm；b＝b3＝b4＝3.5mm；t＝t3＝t4＝1.5mm；θ0＝12°；周期数为N＝20。内壁圆弧曲线的半径R2计算公式如下：R2=L2sinθ0---(22)]]>式(22)中L2是角度变化过渡段4的长度；θ0是辐射段5的半张角。
参照图1，本发明双槽深波纹结构辐射段5的内壁表面为一圆锥面结构，实现所要求的副面边缘照射电平，每个周期的深、浅槽均分别谐振在fLo和fHo上，深槽槽深h3≈λLo/4，浅槽槽深h4≈λHo/4。
本发明双槽深波纹结构辐射段5的设计方法如下：P＝10mm；b＝b3＝b4＝3.5mm；t＝t3＝t4＝1.5mm；θ0＝12°；周期数为N＝59；口面半径ah＝230mm。
根据上述双槽结构波纹喇叭馈源的设计过程，实施例设计和制造了用于13米天线的L/C双频段共用波纹馈源。实测结果表明，L/C双频段共用波纹馈源可在L和C两个分离的频段内(L频段：1.8～1.87GHz；C频段：3.7～4.2GHz，5.925～6.4252GHz)产生旋转对称的辐射方向图，交叉极化电平小于-22dB，反射损耗优于23dB。用该喇叭作馈源的13米天线在L和C双频段内，效率高达65％，反射损耗优于18dB，旁瓣和交叉极化电平均满足国际卫星组织的入网要求。