超高性能微波天線饋源系統(tǒng)的設(shè)計與分析

本文介紹了用于微波接力天線饋源中的C波段超高性能饋源系統(tǒng)的設(shè)計方法，利用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件對其進行了優(yōu)化設(shè)計。對一些重要的和不易調(diào)整的尺寸用加偏差的方法來確定加工精度。計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合的較好，在4.4～5GHz的頻段中，整個饋源系統(tǒng)的駐波優(yōu)于1.05，交叉極化鑒別率優(yōu)于-40dB。

關(guān)鍵詞：超高性能饋源系統(tǒng)　高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件

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?；蛲S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(zhǔn)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。