超高性能微波天線饋源的設(shè)計(jì)

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(gè)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(gè)圓波導(dǎo)和三個(gè)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(jìn)入喇叭，需對喇叭口進(jìn)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(jìn)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(jì)的方法之一，可達(dá)到擴(kuò)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(shí)現(xiàn)的，即在同一頻率上，利用極化正交特性傳輸兩路獨(dú)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(shí)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(jì)方法的文獻(xiàn)較少［4］。普通的正交器(如圖 2所示)雖然只表現(xiàn)為三個(gè)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(gè)正交的主模（圓波導(dǎo)中的TE11/TE*11模或方波導(dǎo)的 TE10/TE01模）與其他兩個(gè)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(gè)正交主模的獨(dú)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(gè)獨(dú)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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)各個(gè)端口的匹配。
正交器設(shè)計(jì)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(gè)基模端口的匹配部分。我們所設(shè)計(jì)的正交器采用如圖 2所示的形式。整個(gè)設(shè)計(jì)過程中首先確定方波導(dǎo)的尺寸，然后設(shè)計(jì)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(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(shí)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。基于有限元法的高頻結(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(jì)過程實(shí)際上是一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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€(gè)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(gè)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。