一种同轴式S/X双频共用馈源网络的制作方法与工艺

本发明涉及卫星通信与测控领域中的一种同轴式S/X双频共用馈源网络，适用于要求双频共用且双频单脉冲跟踪的大口径双反射面天线。

背景技术：
进入新世纪以来，全球一体化、信息高速公路等新概念的提出，对于卫星通信与测控的需求日益增加，并提出了更高的要求。同时，新思想、新技术和新工艺也让卫星通信与测控技术取得了日新月异的变化。作为卫星通信与测控系统最基本组成部分的天线系统，也从最初的单一频段、单一极化向着多频段，多极化，宽频带的方向飞速发展，在国民日常生活、经济、国防、科学研究等各个领域起到越来越重要的作用。在天线与卫星通信过程中，为了保证通信的实时性，通常要求地球站天线具有自动跟踪卫星的能力。目前天线自跟踪方式主要有以下几种：步进跟踪、程序引导跟踪、圆锥扫描跟踪、单脉冲跟踪。单脉冲跟踪因为精度高、速度快的特点被广泛应用于移动通信天线、中低轨卫星测控天线中。多频段共用，多频单脉冲跟踪馈源网络的设计是多频段天线设计课题中的难点和热点，目前双频段双单脉冲跟踪馈源网络的解决方案主要有以下三种：1、五喇叭组合馈源网络方案：优点是设计简单、和差信号形成原理清晰、加工制造容易；缺点是馈源照射效率低、频段间差波束一致性较差；2、波束波导天线方案：优点是照射效率高、波束一致性好、每个频段单独设计馈源网络，性能优秀；缺点是天线结构复杂、设计与加工困难；3、波纹喇叭槽底耦合差信号方案：优点是照射效率高、波束一致信号、结构紧凑；缺点是设计与加工困难、带宽较窄。中国发明专利(申请号：201010532673.3)公开了一种S/X双频共用圆极化馈源，中国发明专利(申请号：201110182661.7)公开了一种S/X双频共用馈源，这两种馈源均为同轴形式，能够用于S/X双频卫星通信与测控天线，但是都不能形成差波束，不具备单脉冲跟踪能力。

技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种高增益的S/X双频共用馈源网络，具备在S、X两个频段同时拥有对圆极化信号的接收和发射能力，并能够实现S、X两个频段同时单脉冲自跟踪功能；该馈源网络还具有辐射方向图旋转对称性好、旁瓣电平低、反射损耗小、增益高、功率容量大、波束一致性好、圆极化轴比小等优秀的电气性能。为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种同轴式S/X双频共用馈源网络，包括由S频段喇叭和X频段喇叭组成的同轴喇叭馈源，S频段喇叭外接S频段馈电网络，X频段喇叭外接X频段馈电网络；X频段喇叭嵌套在S频段喇叭内且与S频段喇叭同轴；S频段喇叭的底部设置有呈十字形分布且用于实现S频段信号分波的四个传输臂，并且四个传输臂的内腔均与S频段喇叭的内腔连通。其中，所述S频段喇叭和X频段喇叭均为光壁圆锥喇叭；S频段喇叭的辐射口面外设有用于等化辐射方向图的扼扭槽，S频段喇叭的内腔底部且围绕X频段喇叭的外侧壁设有在实现S频段信号分波时用于阻抗匹配的锥台；X频段喇叭采用两阶张角形式，其输出端口与X频段馈电网络的输入端口相连接。其中，所述X频段馈电网络包括X频段TE模跟踪网络、X频段圆圆过渡波导、X频段隔板圆极化器和X频段频率双工器；所述X频段TE21模跟踪网络的输入端口与X频段喇叭的输出端口固定联接，X频段TE21模跟踪网络的输出端口经X频段圆圆过渡波导与X频段隔板圆极化器的输入端口相联接，X频段隔板圆极化器的两个输出端口各与一个X频段频率双工器的输入端口相联接。其中，所述S频段馈电网络由S频段和信号馈电网络和S频段差信号馈电网络组成；并且S频段和信号馈电网络和S频段差信号馈电网络的传输线均为GB/T11450.2-1989规定的BJ22矩形波导管，法兰为BJ22标准矩形法兰。其中，所述S频段和信号馈电网络包括对称设置的第一和第二U形E面弯波导、对称设置的第三和第四U形E面弯波导、第一至第三S频段波导魔T、第一和第二S频段弯波导、S频段电容移相器、S频段电感移相器、第三和第四S频段弯波导、第五S频段弯波导1和第一和第二S频段频率双工器；其中，第一和第二U形E面弯波导的输入端口以及第三和第四U形E面弯波导的输入端口分别一一对应与四个传输臂的输出端口相联接，第一和第二U形E面弯波导的输出端口分别与第一S频段波导魔T的两个臂相联接，第三和第四U形E面弯波导的输出端口分别与第二S频段波导魔T的两个臂相联接，第一S频段波导魔T的E臂经第一S频段弯波导与S频段电容移相器的输入端口相联接，第二S频段波导魔T的E臂经第二S频段弯波导与S频段电感移相器的输入端口相联接，S频段电容移相器的输出端口和S频段电感移相器的输出端口分别经第三和第四S频段弯波导与第三S频段波导魔T的两臂一一对应相联接；第三S频段波导魔T的H臂与第一S频段频率双工器的输入端口相联接，第三S频段波导魔的E臂经第五S频段弯波导与第二S频段频率双工器的输入端口相联接；第一S频段频率双工器用于实现S频段左旋圆极化的接收与发射功能，第二S频段频率双工器用于实现S频段右旋圆极化的接收与发射功能。其中，所述第一或第二U形E面弯波导与第三或第四U形E面弯波导的波导长度差值等于第二S频段弯波导与第一S频段弯波导的波导长度差值；所述第一S频段波导魔T的H臂与第二S频段波导魔T的H臂方向相反；所述S频段电容移相器与S频段电感移相器的波导长度相等且频带内传输相位相差90°。其中，所述S频段差信号馈电网络包括第六S频段弯波导、第七S频段弯波导、第四S频段波导魔T和S频段波导负载；其中，第四S频段波导魔T的一臂经第六S频段弯波导与第一S频段波导魔T的H臂相联接，第四S频段波导魔T的另一臂经第七S频段弯波导与第二S频段波导魔T的H臂相联接，第四S频段波导魔T的E臂与S频段波导负载相联接，第四S频段波导魔T的H臂用于输出S频段差信号，实现S频段左、右旋圆极化信号自跟踪功能。其中，所述第七S频段弯波导与第六S频段弯波导的波导长度差值等于第一或第二U形E面弯波导与第三或第四U形E面弯波导的波导长度差值。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1、本发明采用圆锥形同轴喇叭作为馈源，实现了辐射方向图的旋转对称性，解决了五喇叭组合方案的辐射漏失大，照射效率低等问题，提高了天线的增益，降低了旁瓣电平，保证了两个频段的波束一致性。2、本发明采用同轴喇叭中的TE11模用于通信，TEM模用于跟踪，利用较为简单的原理和结构实现了和差信号的分离，提高了差增益，优化了跟踪效果。3、本发明采用波导作为馈电网络的传输线，极大降低了系统的插入损耗，提高了功率容量，适用于大功率天线应用场合；尤其是对于S频段，由于采用波导直接传输的分离合成方式，避免了传统设计中的孔耦合分离合成方式，对于展宽工作带宽意义重大。4、本发明原理简单、结构清晰、设计简便、加工成本低，为双频共用双频单脉冲跟踪馈源网络的设计提供了一种新的解决方案。总之，本发明解决了S、X双频共用且双频单脉冲跟踪的技术难题，实现了S频段单脉冲跟踪、S频段收发圆极化信号、X频段单脉冲跟踪以及X频段接收圆极化信号的功能。本发明的馈源网络具有工作频带宽、驻波小、功率容量大、损耗小、旁瓣低、方向图等化好、低轴比等优良性能，同时还具有结构紧凑、便于加工等特点，适用于用作7.3m以上双反射面多频多跟踪卫星通信和测控天线的馈源网络。附图说明图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的同轴喇叭馈源的结构示意图；图3是图2的内部结构剖视图；图4是本发明的X频段馈电网络的结构示意图；图5是本发明的S频段馈电网络的结构示意图；图6是本发明的S频段和信号馈电网络的结构示意图；图7是本发明的S频段差信号馈电网络的结构示意图；图8是本发明的第一S频段波导魔T的结构示意图；图9是本发明的第二S频段波导魔T的结构示意图；图10是本发明的第三和第四S频段波导魔T的结构示意图；图11是本发明的S频段电容移相器的结构示意图；图12是本发明的S频段电感移相器的结构示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。如图1至图3所示，本发明为一种同轴式S/X双频共用馈源网络，包括由S频段喇叭11和X频段喇叭12组成的同轴喇叭馈源1，S频段喇叭11外接S频段馈电网络3，X频段喇叭12外接X频段馈电网络2；X频段喇叭12嵌套在S频段喇叭11内且与S频段喇叭11同轴；S频段喇叭11的底部设置有呈十字形分布且用于实现S频段信号分波的四个传输臂13，并且四个传输臂13的内腔均与S频段喇叭11的内腔连通。S频段喇叭11和X频段喇叭12均为光壁圆锥喇叭；S频段喇叭11的辐射口面外设有用于等化辐射方向图的扼扭槽14，S频段喇叭11的内腔底部且围绕X频段喇叭12的外侧壁设有在实现S频段信号分波时用于阻抗匹配的锥台16；X频段喇叭12采用两阶张角形式，其输出端口15与X频段馈电网络2的输入端口相连接。如图4所示，X频段馈电网络2包括X频段TE21模跟踪网络21、X频段圆圆过渡波导22、X频段隔板圆极化器23和X频段频率双工器24；X频段TE21模跟踪网络21的输入端口与X频段喇叭12的输出端口15固定联接，X频段TE21模跟踪网络21的输出端口经X频段圆圆过渡波导22与X频段隔板圆极化器23的输入端口相联接，X频段隔板圆极化器23的两个输出端口各与一个X频段频率双工器24的输入端口相联接。在X频段馈电网络2中，X频段TE21模跟踪网络21的合成波导采用GB/T11450.2-1989规定的BJ100矩形波导管作为传输线，以便提高X频段差信号合成效果。如图5所示，S频段馈电网络3由S频段和信号馈电网络31和S频段差信号馈电网络32组成；并且S频段和信号馈电网络31和S频段差信号馈电网络32的传输线均为GB/T11450.2-1989规定的BJ22矩形波导管，法兰为BJ22标准矩形法兰，以增大功率容量、减少插入损耗、提高阻抗匹配和相位一致性。如图6、图8至图12所示，S频段和信号馈电网络31包括对称设置的第一和第二U形E面弯波导31-1、对称设置的第三和第四U形E面弯波导31-2、第一至第三S频段波导魔T31-3、31-4、31-10、第一和第二S频段弯波导31-5、31-6、S频段电容移相器31-7、S频段电感移相器31-8、第三和第四S频段弯波导31-9、第五S频段弯波导31-11和第一和第二S频段频率双工器31-12；其中，第一和第二U形E面弯波导31-1的输入端口以及第三和第四U形E面弯波导31-2的输入端口分别一一对应与四个传输臂13的输出端口相联接，第一和第二U形E面弯波导31-1的输出端口分别与第一S频段波导魔T31-3的两个臂31-3-1、31-3-2相联接，第三和第四U形E面弯波导31-2的输出端口分别与第二S频段波导魔T31-4的两个臂31-4-1、31-4-2相联接，第一S频段波导魔T31-3的E臂31-3-4经第一S频段弯波导31-5与S频段电容移相器31-7的输入端口相联接，第二S频段波导魔T31-4的E臂31-4-4经第二S频段弯波导31-6与S频段电感移相器31-8的输入端口相联接，S频段电容移相器31-7的输出端口和S频段电感移相器31-8的输出端口分别经第三和第四S频段弯波导31-9与第三S频段波导魔T31-10的两臂31-10-1、31-10-2一一对应相联接；第三S频段波导魔T31-10的H臂31-10-3与第一S频段频率双工器31-12的输入端口相联接，第三S频段波导魔T31-10的E臂31-10-4经第五S频段弯波导31-11与第二S频段频率双工器31-12的输入端口相联接；第一S频段频率双工器31-12用于实现S频段左旋圆极化的接收与发射功能，第二S频段频率双工器31-12用于实现S频段右旋圆极化的接收与发射功能。第一或第二U形E面弯波导31-1与第三或第四U形E面弯波导31-2的波导长度差值等于第二S频段弯波导31-6与第一S频段弯波导31-5的波导长度差值。如图8和图9所示，第一S频段波导魔T31-3的H臂31-3-3与第二S频段波导魔T31-4的H臂31-4-3方向相反。如图11和图12所示，S频段电容移相器31-7与S频段电感移相器31-8的波导长度相等且频带内传输相位相差90°。本发明通过设计S频段电容移相器31-7和S频段电感移相器31-8的尺寸，实现S频段收发工作频段内，S频段电容移相器31-7和S频段电感移相器31-8的相位差为90°±2°，轴比＜0.5dB。如图7所示，S频段差信号馈电网络32包括第六S频段弯波导32-1、第七S频段弯波导32-2、第四S频段波导魔T32-3和S频段波导负载32-4；此外，S频段差信号馈电网络32与S频段和信号馈电网络31共用第一和第二U形E面弯波导31-1、第三和第四U形E面弯波导31-2、第一S频段波导魔T31-3和第二S频段波导魔T31-4。其中，第四S频段波导魔T32-3的一臂32-3-1经第六S频段弯波导32-1与第一S频段波导魔T31-3的H臂31-3-3相联接，第四S频段波导魔T32-3的另一臂32-3-2经第七S频段弯波导32-2与第二S频段波导魔T31-4的H臂31-4-3相联接，第四S频段波导魔T32-3的E臂32-3-4与S频段波导负载32-4相联接，第四S频段波导魔T32-3的H臂32-3-3用于输出S频段差信号，实现S频段左、右旋圆极化信号自跟踪功能。第七S频段弯波导32-2与第六S频段弯波导32-1的波导长度差值等于第一或第二U形E面弯波导31-1与第三或第四U形E面弯波导31-2的波导长度差值。本发明的工作原理：(1)S频段和信号的接收过程(S频段和信号的发射过程与接收过程互易)是：S频段信号照射进入同轴馈源喇叭1的同轴区域，激励起两个简并的TE11模，其中一个模式由第一对相对设置的传输臂13分波为矩形波导中的主模TE01模，另一个模式由第二对相对设置的传输臂13分波为矩形波导中的主模TE01模。四个传输臂13输出的主模TE01幅度相等，相位满足0°、90°、180°和270°。第一对相对设置的传输臂13中等幅反相的TE01模分别由第一和第二U形E面弯波导31-1传输到第一S频段波导魔T31-3，由第一S频段波导魔T31-3的E臂31-3-4输出合成以后的和信号；第二对相对设置的传输臂13中等幅反相的TE01模分别由第三和第四U形E面弯波导31-2传输到第二S频段波导魔T31-4，由第二S频段波导魔T31-4的E臂31-4-4输出合成以后的和信号。第一S频段波导魔T31-3的E臂31-3-4输出的信号由第一S频段弯波导31-5传输至S频段电容移相器31-7，第二S频段波导魔T31-4的E臂31-4-4输出的信号由第二S频段弯波导31-6传输至S频段电感移相器31-8，因为设计的第一或第二U形E面弯波导31-1与第三或第四U形E面弯波导31-2的波导长度差值等于第二S频段弯波导31-6与第一S频段弯波导31-5的波导长度差值，所以保证了上述分别进入S频段电容移相器31-7和S频段电感移相器31-8的两个信号等幅反相。上述两路信号分别经S频段电容移相器31-7和S频段电感移相器31-8移相后，幅度相等且相位相差90°，再经第三和第四S频段弯波导31-9传输进入第三S频段波导魔T31-10合成为圆极化信号，由第三S频段波导魔T31-10的H臂31-10-3输出左旋圆极化信号，再经第一S频段频率双工器31-12实现收发分离，由第三S频段波导魔T31-10的E臂31-10-4输出右旋圆极化信号，再经第五S频段弯波导31-11输入第二S频段频率双工器31-12实现收发分离。(2)S频段差信号的合成过程是：S频段信号照射进入同轴馈源喇叭1的同轴区域，激励起一个TEM模，由于TEM模电场分布方向的圆对称性，经过四个传输臂13分波为四路等幅同相的TE01模信号，第一对相对设置传输臂13中等幅同相的TE01模分别由第一U形E面弯波导31-1传输到第一S频段波导魔T31-3，由第一S频段波导魔T31-3的H臂31-3-3输出合成以后的差信号；第二对相对设置的传输臂13中等幅同相的TE01模分别由第二U形E面弯波导31-2传输到第二S频段波导魔T31-4，由第二S频段波导魔T31-4的H臂31-4-3输出合成以后的差信号。上述两路合成后的差信号再分别经第六S频段弯波导32-1、第七S频段弯波导32-2传输到第四S频段波导魔T32-3合成，第四S频段波导魔T32-3的H臂输出合成后的差信号，用于左、右旋圆极化信号的单脉冲自跟踪。(3)X频段和信号的接收过程(X频段和信号的发射过程和接收过程互易)是：X频段信号照射进入同轴馈源喇叭1的X频段喇叭12中，激励起两个简并的TE11模，经过X频段喇叭12后端依次相连的X频段TE21模跟踪网络21、X频段圆圆过渡波导22、X频段隔板圆极化器23在X频段隔板圆极化器23的两个输出端口合成为左、右旋圆极化信号，再分别由两个X频段频率双工器24进行收发分离。(4)X频段差信号的合成过程是：X频段信号照射进入同轴馈源喇叭1的X频段喇叭12中，激励起两个简并的TE21模，再由X频段喇叭12后端连接的X频段TE21模跟踪网络21将两个TE21耦合为跟踪合成网络中的TE01模，合成为左、右圆极化差信号用于X频段的单脉冲自跟踪。本发明未详细说明部分属本领域技术人员的公知常识。本发明的同轴式S/X双频共用馈源网络用于车载7.3米环焦天线的实测结果表明，本发明可在S和X两个分离的频段内(S频段：接收2.025-2.12GHz，发射2.2-2.3GHz；X频段：接收7.2-7.75GHz,发射8-9GHz)产生主模方向图旋转对称的辐射方向图，天线G/T值S频段大于22dB，X频段大于35dB，发射增益S频段大于41dB，X频段大于53dB，圆极化轴比均小于0.8dB，驻波小于1.5，天线旁瓣低于14dB，收发隔离度大于110dB。在两个频段的跟踪频段内和方向图与差方向图的增益差均能满足-5dB左右，差零深大于-30dB，实现了两个频段的单脉冲跟踪功能。