MFPB天线正交模馈电网络的低相位色散控制方法①

陈修继，龚 琦，成克伟，万继响

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

正交模馈电是每束多馈源(MFPB)多波束天线的一种重要的馈电方案，它要求相邻同极化不同次级频段波束的馈源组单元的激励系数满足正交关系，以提高相邻波束之间的隔离度[1,2]。激励系数在满足正交性、相应覆盖增益和载/干比(C/I)的要求的情况下通过优化程序来获得。该类天线只要一副反射面便能实现波束的多色复用，两副天线便能实现信号的接收与发射[3]，大大节约天线载荷对星体表面的占用率，便于卫星携带更多的载荷。此外，虽然该类天线的波束形成网络较每束单馈源(SFPB)[4]多波束天线复杂，但由于激励系数上可调节的变量较多，对于抑制波束的旁瓣，提高覆盖区内波束的C/I性能，从而有效提高卫星的通信质量具有重要的意义。尤其是该类天线对于波束数量相对较少的高通量卫星(HTS)[5]具有重要的应用前景。

文章以每束七馈源的波束合成情况为例，馈源排布如图1所示。在已知一组如表1所示的激励系数情况下，首先要确定好的便是每束七单元馈电网络的结构。文献中提出过全部使用四端口定向耦合器和四/六端口定向耦合器的混合构造方案[6]，前者要比后者多一层定向耦合器和一个调相层，在级联幅相色散控制和纵向尺寸上较后者处于劣势，因此，文章将使用四端口和六端口定向耦合器的混合使用结构，图2给出了两个波束的馈电网络结构。由于幅度色散主要取决于定向耦合器的性能，控制方便，而对相位色散的控制则要复杂得多，下面将重点讨论对相位的色散控制。

表1 两正交波束的激励系数分布

图1 馈源排布

图2 馈电网络器件分布

1 网络设计中的相位色散控制方法

1.1 相位分配时同层相位平移

文献[7]中给出过这类波束形成网络的相位计算方法，可以计算出移相器相移量y1～y10。在这要强调的是，由于同一个波束各通道的相位是一个相对值，为了减小移相器的纵向尺寸和相位色散，可以根据实际情况对同一排波束馈电网络中同层的移相器同步平移φ的相移量。

1.2 小色散耦合器的应用

在耦合通道和直通道采用标准波导的情况下的相位色散比较严重，在K发射频段2.5GHz的带宽内很容易就超过±5dB，多层级联后相位色散很有可能超过±10dB，无法满足工程应用要求。为了解决该问题，可以将耦合通道采用非标准波导，鉴于对通道几何干涉的预防，可以将耦合通道的窄边适量收窄，将定向耦合器设计为图3(b1

图3 改进型六端口定向耦合器

1.3 移相器层相位的补偿

考察移相器的色散通常选择与其相同截面尺寸但不同长度的直波导作为参考，因此，不同相移量移相器的参考波导长度也不一样。表2列出了端口为BJ180标准的五个不同相移量移相器的纵向长度和参考直波导长度。为了控制网络整个通道的相位色散，本文采取的思路是每级的移相器或耦合器都尽量做到色散(趋势)一致。于是，对于同一层移相器，要求选择纵向长度最大的为参考，其它移相器则需要在纵向补偿一定长度的直波导段，这样才能做到参考标准的一致性。如+10°的移相器与+130°的移相器处于同一层面，则选择+130°移相器为参考，+10°移相器需要补偿的直波导段长度L=40-21=19mm，同理，+40°、+70°、+120°移相器需要补偿的直波导段长度分别为14mm、9mm、4mm。

表2 移相器几何参数及色散性能

1.4 同层耦合器的直通道相位一致

对于正交模馈电网络，由于相邻同极化不同频段波束的馈电通道在下层耦合器上存在共用情况，因此，下层耦合器之间在相位上也存在相关性，在进行同层相位补偿时，要求也有唯一的一个通道作为参考标准。由于每个耦合器耦合通道的相位色散量都是相对于其直通道来说，而且直通道与耦合通道之间的相位色散关系是确定的，只要通过对直通道进行相位补偿即可。补偿的方法也是选择一个耦合器的直通道为参考，在该直通道输入端加直波导，而在其它各耦合器的输入端则引入移相器。如图4(a)所示，5号端口加直波导，4、6、7、8、9号端口加移相器，通过对移相器的相移量调节来使各直通道的相位差尽量小。图4(b)所示，其它耦合器中心频率的相位相对于参考通道的差值接近为0°，全频段内的相对相位色散也控制在了±0.6°内。

(a)耦合器相位补偿结构 (b)各直通道相位一致性曲线

1.5 层间波导连接的色散控制

由于馈源阵是如图1所示的横向二维分布，定向耦合器实际是按照空间三维分布的，因此在用波导进行层间连接时必然会同时用到波导的 E面拐和H面拐，如图5所示，而不同角度拐的加入将会给各通道造成不同的色散趋势。表3给出了一组BJ180波导不同角度E面和H面拐相对于直波导的等效长度及色散。结构设计人员在进行通道连接时，不仅要使各通道由于层间连接而增加的等效长度尽量一致(以确保中心频点相位满足要求)，还要考虑通过不同角度E/H面拐的配合来保证色散趋势尽量一致。

表3 BJ180波导E面/H面拐的等效长度及色散

图5 E面拐与H面拐波导模型

2 馈电网络的仿真结果

通过采取以上的色散控制措施后，馈电器件按图2的连接关系，经HFSS.18级联仿真后得到的网络相位情况如图6所示，其中波束1是以6号通道为参考，波束2是以3号通道为参考的。波束1和波束2的幅度/相位分别如图(a)和图(b)所示，相位色散控制在了±5°内。

(a)波束1相位曲线 (b)波束2性能

3 结论

正交模馈电网络的技术难点在于对各通道相位色散的控制上，文章提出的方案是采用相位在设计频段内逐层配平的原则，在电性能满足要求的情况下，进行波导结构连接。通过对K频段馈电网络的设计与仿真分析，得到了在该频段2.5GHz范围内色散低于5°的优异结果，验证了该配相原则的合理性和实用性，对MFPB馈电网络的设计具有重要的参考意义。