超高性能微波天線饋源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

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。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。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。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?；?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。