超高性能微波天線饋源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

圖 2　C波段正交器

對微波元件來說，通過求解Maxwell方程這一古典的方法來獲得其特性是困難的。由于高速度大容量計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)。促進(jìn)了各種數(shù)值分析方法的發(fā)展。在電磁場問題的數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域出現(xiàn)了多種方法，如有限時域差分法(FDTD)，模匹配法(MMT)，傳輸線矩陣法(TLM)和有限元法(FEM)等。這些方法對處理各類電磁場問題是部分有效的，但都有所限制。相對而言，有限元法應(yīng)用比較成熟，可以處理較多類型的電磁場問題，當(dāng)然對計(jì)算機(jī)資源的要求也更高?；谟邢拊ǖ母哳l結(jié)構(gòu)仿真軟件HPHFSS為解決微波元件的分析方法提供了一種有效的手段。

利用軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)過程實(shí)際上是一個加工調(diào)試的仿真過程，可以把過去用實(shí)驗(yàn)方法確定的尺寸用計(jì)算機(jī)分析得到。側(cè)臂優(yōu)化的計(jì)算量大，由于側(cè)臂尺寸對直通口性能影響較小而且側(cè)臂匹配的難度較大，對直通口的匹配影響可以選擇特定的元件來達(dá)到減小的目的。優(yōu)化側(cè)臂的模型可利用其對稱性來減少計(jì)算量，彎波導(dǎo)優(yōu)化后的駐波優(yōu)于1.02。扭波導(dǎo)優(yōu)化后的駐波優(yōu)于1.04。

微波元件性能的穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)的另一個重要目標(biāo)之一。通常情況下，對于非諧振結(jié)構(gòu)微波元件來說，尺寸對性能影響是平緩的(非激烈變化的)，利用微擾結(jié)構(gòu)尺寸的方法可達(dá)到檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，確定制造公差的目的。特別是對性能影響很大的尺寸公差的確定是很有必要的，可為合理分配公差，降低制造成本提供科學(xué)依據(jù)。

3.饋源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

饋源系統(tǒng)的性能優(yōu)化是一個十分復(fù)雜的問題，各部分的尺寸變化都會影響性能。由于受計(jì)算機(jī)資源的限制，對整個饋源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是困難的，采用對各微波元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，再對各微波元件的連接關(guān)系(接口位置)進(jìn)行優(yōu)選，可以得到較好的系統(tǒng)性能。例如，喇叭的最大的回波損耗為-34dB,正交器的最大回波損耗為-32dB,通過優(yōu)選喇叭與正交器的連接尺寸后，正交器加喇叭合成后最大回波損耗為-32.5dB。

三、 計(jì)算與實(shí)測性能

喇叭優(yōu)化后的VSWR和方向圖結(jié)果如圖 3所示，方波導(dǎo)正交器優(yōu)化后的VSWR結(jié)果如圖 4所示，對正交器中的主要結(jié)構(gòu)尺寸加微擾(尺寸加公差)后計(jì)算的VSWR如圖 5所示。從仿真結(jié)果來看，正交器中的主要結(jié)構(gòu)尺寸的公差要求在+0.2%～+0.4%是適當(dāng)?shù)摹Ｕ麄€饋源系統(tǒng)的VSWR結(jié)果如圖 6所示，它的交叉極化鑒別率如圖 7所示。

圖 3　喇叭優(yōu)化后的VSWR和方向圖

圖 4　方波導(dǎo)正交器優(yōu)化后的VSWR

圖 5　正交器中主要結(jié)構(gòu)尺寸加微擾后的VSWR

圖 6　饋源系統(tǒng)的VSWR

圖 7　饋源系統(tǒng)的交叉極化鑒別率

四、 結(jié)　論

本文介紹了C波段超高性能微波天線的饋源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。給出了計(jì)算和實(shí)測結(jié)果，提出了利用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件確定微波元件制造公差的方法。整個系統(tǒng)的駐波優(yōu)于1.05，交叉極化隔離優(yōu)于40dB。該饋源系統(tǒng)已很好地應(yīng)用于3.2m的微波中繼天線。