毛新宏 王晓岚 田栋 尹伟臻 李静涛

（1 中国空间技术研究院，北京 100094）（2 中国科学院大学，北京 100049）（3 中国科学院国家天文台，北京 100012）

1 引言

具有自动跟踪功能的卫星为空间用户目标提供服务时，要对用户目标进行捕获和跟踪，而单脉冲天线是实现捕获和跟踪功能必备的微波部件。例如，美国第一代“跟踪与数据中继卫星”搭载的两副口径为4.9m 的大型网面天线和第二代“跟踪与数据中继卫星”搭载的两副口径为4.6 m 的大型网面天线［1］，都采用单脉冲跟踪体制实现自动跟踪功能。为了保证良好的数据传输通道，克服空间衰减和星上发射功率有限等因素的影响，单脉冲天线大多采用大型反射面和高效率馈源来提高天线增益，因此单脉冲馈源是整个天线系统获得良好性能的关键。

早期的单脉冲天线主要采用四喇叭单脉冲馈源、五喇叭单脉冲馈源和十二喇叭单脉冲馈源［2］。这些馈源的和差矛盾突出，天线整体的效率较低，和差网络复杂，质量大，前馈时对电磁波遮挡较大，副瓣较高。随后出现的二喇叭双模单脉冲馈源和四喇叭三模单脉冲馈源［3-4］，虽然可以获得等化较好的和差方向图，在较大程度上缓解了馈源的和差矛盾；但是，这些馈源的口径依然较大，对天线的遮挡效应明显，抬高了天线的副瓣，影响了天线的辐射性能。目前，也有采用TM01模跟踪方式的单脉冲天线，它利用2个接收通道，可以节省跟踪设备，但是馈源结构复杂，且和差矛盾比较大，在8.0dB［5］以上，差斜率小，跟踪效率比较低。

多模单脉冲跟踪是基于不连续波导处激励出的高次模来实现的，对于不需要的高次模，不让其激励或者对激励出的无用高次模进行抑制。在设计多模单脉冲馈源时，可以对各模式的幅度和相位进行独立控制，实现馈源的口径场分布近似于最佳口径场分布［2］，提高馈源的辐射性能。天线的增益增加，漏失功率少，副瓣电平较低，和差通道方向图等化较好，差通道方向图能够取得最大的差斜率，使单脉冲天线具有更远的视程范围、更好的抗干扰能力和角度跟踪灵敏度。目前，国内外对于Ka频段卫星天线多模单脉冲馈源的设计和分析，主要采用多喇叭跟踪方式和TM01模跟踪方式。本文针对目前的工程实际，提出了一种多模单脉冲馈源设计，可为卫星天线的单脉冲馈源设计提供参考。

2 多模单脉冲馈源的设计分析

本文设计的矩形口径单脉冲馈源（见图1）工作于Ka频段，采用一个单孔径馈源提供单脉冲和、差信号，这样，除了能利用常规的TE10模外，还可利用高阶波导模。该馈源主要具有以下优点：

（1）调节模式之间的相位和幅度比值，可以展宽和通道方向图，使和、差通道方向图等化较好，和差矛盾小，同时还可以降低副瓣，用它对反射面天线馈电，可以使和、差的3个波束同时达到最佳；

（2）结构简单紧凑，因而具有较低的损耗和较小的质量，孔径阻挡小；

（3）天线电轴稳定性能好，从而瞄准性能良好。

矩形口径单脉冲馈源具有11个工作模：TE10、TE30、TE12和TM12模对应馈源的和通道；TE20、TE22和TM22模对应馈源的H 平面差通道；TE11、TM11、TE13和TM13模对应馈源的E 平面差通道。馈源结构由以下几部分组成：①多模激励器，用于产生一定幅度和相位的高次模，保证各个模在馈源口面上有适当的相位关系；②单脉冲和差网络，用于提供和通道、H 平面差通道和E 平面差通道；③辐射喇叭，用于辐射电磁波。

图1 多模单脉冲馈源和传输的模Fig.1 Multimode monopulse feed and transmitted modes

2.1 馈源多模激励器

图2为11模单脉冲馈源的多模激励器和辐射喇叭模型，多模激励器是整个单脉冲馈源的核心部件。其中：电场方向沿Y轴方向（对应E 平面），磁场方向沿X方向（对应H 平面）；φ和θ分别为方位角和俯仰角。

和通道端口工作时，激励以TE10模的形式从A、B、C、D 口以相同的相位进行激励，在多模激励器中产生高次模TE（2m-1）0、TE（2m-1）2和TM（2m-1）2（m为自然数），除TE10、TE30、TE12、TM12外，其他高次模在多模激励器的波导中被截止。

H 平面差端口工作时，激励以TE10模的形式从A、B、C、D 端口进行激励，A 和B 端口同相位，C 和D 端口同相位，A、B 与C、D 的相位反相，在多模激励器中产生高次模TE（2m）0、TE（2m）2和TM（2m）2，除TE20、TE22和TM22外，其他高次模在多模激励器的波导中被截止。

E平面差端口工作时，激励以TE10模的形式从A、B、C、D端口进行激励，A 和D端口同相位，B和C端口同相位，A、D与B、C的相位反相，在多模激励器中产生高次模TE1（2m-1），除TE11、TM11、TE13和TM13外，其他高次模在多模激励器的波导中被截止。

图2 多模激励器和辐射喇叭模型Fig.2 Model of multimode exciter and horn

和通道、H 平面差通道和E 平面差通道的工作模，以及在馈源口面上的横向电场EY可表示如下［6］。

和通道为

式中：（x，y）为口面上的坐标点坐标；L1和L2为天线口面尺寸；T30为高次模TE30与TE10的幅度比值；T12为高次模TE12和TM12的混合模与TE10的幅度比值。

H 平面差通道为

式中：T22为高次模TE22和TM22的混合模与TE20的幅度比值。

E平面差通道为

式中：T13为高次模TE13和TM13的混合模与TE11和TM11的混合模的幅度比值。

理想馈源的模比均为实数，也就是各通道的高次模与基模在口面上同相。

各通道归一化方向图可以表示如下［6］。

和通道为

H 平面差通道为

E平面差通道为

2.2 设计实例和仿真验证

结合前面所述的理论公式，采用Ansoft HFSS软件建模，设计分析了一个工作于33.0～35.6GHz频段的11个工作模单脉冲馈源。为了适应星载使用，需要产品结构紧凑，且接口具有通用性。根据工作频率，选择多模激励器的4个馈电端口采用标准波导BJ320，端口宽边为7.112mm，窄边为3.556mm。

设中心频率在自由空间的波长为λ0，经过计算和仿真，确定多模激励器参数尺寸如图3所示，图3（a）为从坐标轴Y向看的侧视图，图3（b）为从坐标X向看的俯视图。

图3 单脉冲馈源的多模激励器结构图Fig.3 Configuration of multimode exciter for monopulse feed

在图3中：a1＝c1＝7.832λ0；a2＝c2＝1.338λ0；a3＝c3＝0.229λ0；a4＝c4＝1.143λ0；b1＝4.802λ0；b2＝1.961λ0；b3＝0.704λ0；b4＝0.813λ0；b5＝0.057λ0；b6＝0.114λ0；d1＝4.802λ0；d2＝1.961λ0；d3＝0.704λ0；d4＝0.813λ0；d5＝0.057λ0；d6＝0.114λ0。

2.3 馈电网络设计分析

为了实现第2.1节所述的各端口的激励模式，设计了一种单脉冲和差网络，见图4。它的3 个端口都采用标准波导BJ320，由2 个折叠魔T、1 个E面折T 和1 个波导一分二功分器组成，结构紧凑。经过计算和仿真，确定馈源和差网络的主要结构尺寸如图5所示，图5（a）为从Y向看的侧视图，图5（b）为从X向看的俯视图。当分别从和通道端口、H 平面差端口和E平面差端口以波导主模TE10进行激励时，会在A、B、C、D 端口产生具有第2.1节所述的相应相位关系的信号。中频34.3GHz时，仿真计算结果如下。

和通道端口激励时，在A、B、C、D端口激励起的幅度相位分别为0.496 1∠-99.7°，0.496 9∠-99.7°，0.499 4∠-99.4°，0.500 2∠-99.5°。

H 平面差端口激励时，在A、B、C、D端口激励起的幅度相位分别为0.499 0∠-53.7°，0.500 0∠-53.9°，0.496 0∠127.0°，0.496 1∠126.4°。

E平面差端口激励时，在A、B、C、D端口激励起的幅度相位分别为0.498 5∠96.7°，0.497 8∠-83.4°，0.496 0∠-83.5°，0.495 5∠96.3°。

从仿真结果可看出，此和差网络完全符合第2.1节所述的幅相关系，可以对馈源进行激励，得到理论的激励信号。

图4 单脉冲馈源的和差网络结构Fig.4 Sum-difference network configuration of monopulse feed

图5 单脉冲馈源的和差网络结构尺寸Fig.5 Configuration dimension of sum-difference network of monopulse feed

3 馈源计算分析

将上述单脉冲馈源的多模激励器与和差网络结合形成完整的矩形口径单脉冲馈源，Ansoft HFSS分析软件建模如图6所示。仿真结果表明：天线模型非常紧凑，3个馈电端口采用标准波导BJ320时，整个馈源的电尺寸（包括馈电网络）为125.66mm×42.00mm×31.00mm。

图6 矩形孔径单脉冲馈源Fig.6 Rectangular aperture monopulse feed

本文分析工作于33.0～35.6GHz频段的11个工作模单脉冲馈源，调节不连续性界面的尺寸来改变高次模的相位和幅度，通过优化计算，得到的天线端口的匹配特性（电压驻波比）和隔离度见图7和图8，辐射方向图见图9。从图7和图8可以看出，该馈源在Ka频段内具有良好的匹配特性和大于40dB的隔离度。从图9中3个频点上的H 平面差方向图（H-△）、E 平面差方向图（E-△），以及E 平面和H 平面的和方向图（分别为E-Σ 和H-Σ）可以看出，和差矛盾小于2.5dB，差零深小于-40dB，E平面和H 平面的和方向图对称性能好。

图7 3个端口的电压驻波比Fig.7 VSWR of three ports

图9 辐射方向图Fig.9 Radiation patterns

4 结束语

本文设计了一种Ka频段的单脉冲馈源，实现了11个高次模在单脉冲馈源中的应用。从仿真结果可以看出，所设计的单脉冲馈源的差零深能够达到-40dB 以下，和差矛盾可以控制在2.5dB 以内，天线方向图的E 面和H 面均匀对称，天线端口的匹配特性和隔离度良好，可为具有自动跟踪功能的星载天线馈源设计提供参考。

（References）

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