超高性能微波天線饋源的設(shè)計

一、 概　述

　　近幾年來，我國通信事業(yè)的飛速發(fā)展，微波接力通信天線也不斷地發(fā)展和完善，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳送網(wǎng)功能主要通過光纖，地面微波，空中衛(wèi)星等通信方式來完成。從微波傳送系統(tǒng)所采用的新技術(shù)及傳送容量的角度來看，新一代的同步數(shù)字系列SDH微波通信系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)意義上的 PDH微波通信。為適應(yīng)正在興起的SDH微波通信中頻率復(fù)用的發(fā)展，我們需要研制超高性能的微波天線。它應(yīng)具有很高的前后比(F/D)，很高的交叉極化鑒別率(XPD)和極低的電壓駐波比(VSWR)。因此，超高性能微波天線系統(tǒng)具有低的電壓駐波比(VSWR優(yōu)于1.06或反射損耗大于30.7dB)和高的交叉極化鑒別率(大于38dB)。

二、 系統(tǒng)組成

　　超高性能微波天線的饋源系統(tǒng)是由喇叭，正交器，扭波導(dǎo)，彎波導(dǎo)和波導(dǎo)饋線組成。其中喇叭和正交器是關(guān)鍵部件。
1.喇叭
適合超高性能微波天線的饋源的喇叭有多種［1］［2］。本饋源采用帶有三個扼流槽的平面波紋喇叭，這種平面波紋喇叭具有旋轉(zhuǎn)對稱的方向圖，低的副瓣，低的交叉極化和穩(wěn)定的相位中心。喇叭的結(jié)構(gòu)如圖 1所示。它是由一個圓波導(dǎo)和三個同心圓環(huán)構(gòu)成。為了改善喇叭的駐波特性，我們在喇叭口附近對稱地放置調(diào)配塊。為了防止異物等進入喇叭，需對喇叭口進行封閉。通常在喇叭口上加介質(zhì)薄膜，一般介質(zhì)薄膜均會使喇叭的駐波變壞，我們利用高頻仿真軟件對介質(zhì)的位置與厚度進行調(diào)整，使之具有改善駐波的特性。優(yōu)化后的喇叭駐波優(yōu)于1.05。

圖 1　喇叭結(jié)構(gòu)

　　2.正交器
在現(xiàn)代天饋系統(tǒng)中，頻率復(fù)用技術(shù)是利用頻率資源最經(jīng)濟的方法之一，可達到擴大通信容量的目的。正交極化頻率復(fù)用技術(shù)是用雙極化天線來實現(xiàn)的，即在同一頻率上，利用極化正交特性傳輸兩路獨立的信號。正交極化頻率復(fù)用技術(shù)有兩種，即雙線極化和雙圓極化［3］。正交極化的合成和分離是在饋電系統(tǒng)中實現(xiàn)的。雙線極化頻率復(fù)用是用正交模耦合器(OMT)也稱極化分離器(簡稱正交器)完成的。
正交器是常用的微波元件，但介紹其設(shè)計方法的文獻較少［4］。普通的正交器(如圖 2所示)雖然只表現(xiàn)為三個物理端口，但就電氣上來說是四端口器件。這是由于公共端口中有兩個正交的主模（圓波導(dǎo)中的TE11/TE*11?；蚍讲▽?dǎo)的 TE10/TE01模）與其他兩個端口中各自的基模(矩形波導(dǎo)的TE10模或同軸線中的TEM模)匹配。
正交器的作用是分離公共端口中兩個正交主模的獨立信號并將它們傳給單一信號端口的基模，使所有電端口匹配且在兩個獨立信號之間有高的交叉極化鑒別力。因此，理想正交器的散射矩陣為

　　這里端口1和2代表位于物理公共端口的主模，端口3和4是基模接口，例如，分別在端口1與端口3和端口2與端口4之間提供直接連接。其相移滯后分別為φ1和φ2。
正交器的形式有多種，其性能略有差異。一般主波導(dǎo)的形式有圓波導(dǎo)和方波導(dǎo)，在寬頻帶應(yīng)用時也可采用四脊波導(dǎo)。與分支波導(dǎo)(也稱側(cè)臂)耦合的耦合孔的位置在錐縮(漸變或階梯)部分，也有用膜片或隔離柵短路耦合的。本文所介紹的正交器是在較窄的工作頻帶(10%～20%)內(nèi)滿足高性能和低成本的要求。對高性能而言是要求有較小的反射損耗(VSWR)和高隔離(端口隔離和極化隔離)；低成本則要求結(jié)構(gòu)簡單，加工方便。
為了保證正交器的性能，其最低工作頻率應(yīng)滿足fmin＞1.1fc。這樣圓波導(dǎo)正交器的最大工作帶寬約為17%，方波導(dǎo)正交器的最大工作帶寬約為 25%。在這樣的帶寬內(nèi)正交器隔離性能僅受結(jié)構(gòu)尺寸和加工對稱性的影響。如果大于最高工作頻率，由于高次模的影響，正交器的隔離性能將變差。
正交器的設(shè)計的準則是抑制高次模的產(chǎn)生，簡化結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)的對稱性，用較少的匹配元件實現(xiàn)各個端口的匹配。
正交器設(shè)計的關(guān)鍵是方形或圓形波導(dǎo)分支耦合器的結(jié)構(gòu)及兩個基模端口的匹配部分。我們所設(shè)計的正交器采用如圖 2所示的形式。整個設(shè)計過程中首先確定方波導(dǎo)的尺寸，然后設(shè)計直通口的方矩波導(dǎo)階梯過渡。最后確定側(cè)臂耦合孔位置。選取耦合孔的大小與位置應(yīng)以盡可能減小對直臂的影響又能很好地耦合極化信號為宜。由于側(cè)臂耦合結(jié)構(gòu)變量較多，對性能影響很大，優(yōu)化側(cè)臂尺寸是十分必要的。

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算機的出現(xiàn)。促進了各種數(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，當然對計算機資源的要求也更高?；谟邢拊ǖ?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/高頻結(jié)構(gòu)">高頻結(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)計過程實際上是一個加工調(diào)試的仿真過程，可以把過去用實驗方法確定的尺寸用計算機分析得到。側(cè)臂優(yōu)化的計算量大，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)計的另一個重要目標之一。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)尺寸的方法可達到檢驗計算結(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依據(jù)。
3.饋源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法
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。由于受計算機資源的限制，對整個饋源系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計是困難的，采用對各微波元件進行優(yōu)化設(shè)計后，再對各微波元件的連接關(guān)系(接口位置)進行優(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、 計算與實測性能

　　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?shù)?。整個饋源系統(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)計方法。給出了計算和實測結(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。