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(jì)方法,，利用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),。對(duì)一些重要的和不易調(diào)整的尺寸用加偏差的方法來(lái)確定加工精度。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合的較好,，在4.4～5GHz的頻段中,，整個(gè)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(lái)，我國(guó)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(guò)光纖，地面微波，空中衛(wèi)星等通信方式來(lái)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(lái)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(duì)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?cè)诶瓤诟浇鼘?duì)稱地放置調(diào)配塊。為了防止異物等進(jìn)入喇叭,，需對(duì)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(huì)使喇叭的駐波變壞,，我們利用高頻仿真軟件對(duì)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(lái)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(hào),。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(jiǎn)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(lái)說(shuō)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?；蚍讲▽?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(hào)并將它們傳給單一信號(hào)端口的基模,，使所有電端口匹配且在兩個(gè)獨(dú)立信號(hào)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)化結(jié)構(gòu),，保證結(jié)構(gòu)的對(duì)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(guò)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(guò)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(duì)直臂的影響又能很好地耦合極化信號(hào)為宜,。由于側(cè)臂耦合結(jié)構(gòu)變量較多，對(duì)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(duì)微波元件來(lái)說(shuō)，通過(guò)求解Maxwell方程這一古典的方法來(lái)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(chǎng)問(wèn)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(duì)處理各類(lèi)電磁場(chǎng)問(wèn)題是部分有效的,，但都有所限制。相對(duì)而言,，有限元法應(yīng)用比較成熟,，可以處理較多類(lèi)型的電磁場(chǎng)問(wèn)題，當(dāng)然對(duì)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(guò)程實(shí)際上是一個(gè)加工調(diào)試的仿真過(guò)程,，可以把過(guò)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(duì)直通口性能影響較小而且側(cè)臂匹配的難度較大,，對(duì)直通口的匹配影響可以選擇特定的元件來(lái)達(dá)到減小的目的,。優(yōu)化側(cè)臂的模型可利用其對(duì)稱性來(lái)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(duì)于非諧振結(jié)構(gòu)微波元件來(lái)說(shuō),，尺寸對(duì)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(duì)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(wèn)題,，各部分的尺寸變化都會(huì)影響性能。由于受計(jì)算機(jī)資源的限制,，對(duì)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(duì)各微波元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，再對(duì)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(guò)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(cè)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(duì)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(lái)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(cè)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。