超高性能微波天線饋源系統的設計與分析

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算機的出現。促進了各種數值分析方法的發展。在電磁場問題的數值計算領域出現了多種方法，如有限時域差分法(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，有限元法應用比較成熟，可以處理較多類型的電磁場問題，當然對計算機資源的要求也更高。基于有限元法的高頻結構仿真軟件HPHFSS為解決微波元件的分析方法提供了一種有效的手段。

利用軟件優化設計過程實際上是一個加工調試的仿真過程，可以把過去用實驗方法確定的尺寸用計算機分析得到。側臂優化的計算量大，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達到減小的目的。優化側臂的模型可利用其對稱性來減少計算量，彎波導優化后的駐波優于1.02。扭波導優化后的駐波優于1.04。

微波元件性能的穩定性是設計的另一個重要目標之一。通常情況下，對于非諧振結構微波元件來說，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依據。

3.饋源系統的優化設計方法

饋源系統的性能優化是一個十分復雜的問題，各部分的尺寸變化都會影響性能。由于受計算機資源的限制，對整個饋源系統進行優化設計是困難的，采用對各微波元件進行優化設計后，再對各微波元件的連接關系(接口位置)進行優選，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,通過優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、 計算與實測性能

喇叭優化后的VSWR和方向圖結果如圖 3所示，方波導正交器優化后的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　喇叭優化后的VSWR和方向圖

圖 4　方波導正交器優化后的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的饋源系統的設計方法。給出了計算和實測結果，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。整個系統的駐波優于1.05，交叉極化隔離優于40dB。該饋源系統已很好地應用于3.2m的微波中繼天線。