超高性能微波天線(xiàn)饋源系統的設計與分析

圖 2　C波段正交器

對微波元件來(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算機的出現。促進(jìn)了各種數值分析方法的發(fā)展。在電磁場(chǎng)問(wèn)題的數值計算領(lǐng)域出現了多種方法，如有限時(shí)域差分法(FDTD)，模匹配法(MMT)，傳輸線(xiàn)矩陣法(TLM)和有限元法(FEM)等。這些方法對處理各類(lèi)電磁場(chǎng)問(wèn)題是部分有效的，但都有所限制。相對而言，有限元法應用比較成熟，可以處理較多類(lèi)型的電磁場(chǎng)問(wèn)題，當然對計算機資源的要求也更高?；谟邢拊ǖ母哳l結構仿真軟件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)化設計過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)加工調試的仿真過(guò)程，可以把過(guò)去用實(shí)驗方法確定的尺寸用計算機分析得到。側臂優(yōu)化的計算量大，由于側臂尺寸對直通口性能影響較小而且側臂匹配的難度較大，對直通口的匹配影響可以選擇特定的元件來(lái)達到減小的目的。優(yōu)化側臂的模型可利用其對稱(chēng)性來(lái)減少計算量，彎波導優(yōu)化后的駐波優(yōu)于1.02。扭波導優(yōu)化后的駐波優(yōu)于1.04。

微波元件性能的穩定性是設計的另一個(gè)重要目標之一。通常情況下，對于非諧振結構微波元件來(lái)說(shuō)，尺寸對性能影響是平緩的(非激烈變化的)，利用微擾結構尺寸的方法可達到檢驗計算結果，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。

3.饋源系統的優(yōu)化設計方法

饋源系統的性能優(yōu)化是一個(gè)十分復雜的問(wèn)題，各部分的尺寸變化都會(huì )影響性能。由于受計算機資源的限制，對整個(gè)饋源系統進(jìn)行優(yōu)化設計是困難的，采用對各微波元件進(jìn)行優(yōu)化設計后，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、 計算與實(shí)測性能

喇叭優(yōu)化后的VSWR和方向圖結果如圖 3所示，方波導正交器優(yōu)化后的VSWR結果如圖 4所示，對正交器中的主要結構尺寸加微擾(尺寸加公差)后計算的VSWR如圖 5所示。從仿真結果來(lái)看，正交器中的主要結構尺寸的公差要求在+0.2%～+0.4%是適當的。整個(gè)饋源系統的VSWR結果如圖 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　方波導正交器優(yōu)化后的VSWR

圖 5　正交器中主要結構尺寸加微擾后的VSWR

圖 6　饋源系統的VSWR

圖 7　饋源系統的交叉極化鑒別率

四、 結　論

本文介紹了C波段超高性能微波天線(xiàn)的饋源系統的設計方法。給出了計算和實(shí)測結果，提出了利用高頻結構仿真軟件確定微波元件制造公差的方法。整個(gè)系統的駐波優(yōu)于1.05，交叉極化隔離優(yōu)于40dB。該饋源系統已很好地應用于3.2m的微波中繼天線(xiàn)。