如何设计超高性能微波天线馈源系统？

近几年来，我国通信事业的飞速发展，微波接力通信天线也不断地发展和完善，卫星通信系统的传送网功能主要通过光纤，地面微波，空中卫星等通信方式来完成。从微波传送系统所采用的新技术及传送容量的角度来看，新一代的同步数字系列SDH微波通信系统替代了传统意义上的PDH微波通信。为什么要研制超高性能的微波天线？为适应正在兴起的SDH微波通信中频率复用的发展。

李贤杰

2019-8-12 15:31:28

它应具有很高的前后比(F/D)，很高的交叉极化鉴别率(XPD)和极低的电压驻波比(VSWR)。因此，超高性能微波天线系统具有低的电压驻波比(VSWR优于1.06或反射损耗大于30.7dB)和高的交叉极化鉴别率(大于38dB)。
二、系统组成
超高性能微波天线的馈源系统是由喇叭，正交器，扭波导，弯波导和波导馈线组成。其中喇叭和正交器是关键部件。
1.喇叭
适合超高性能微波天线的馈源的喇叭有多种[1][2]。本馈源采用带有三个扼流槽的平面波纹喇叭，这种平面波纹喇叭具有旋转对称的方向图，低的副瓣，低的交叉极化和稳定的相位中心。喇叭的结构如图 1所示。它是由一个圆波导和三个同心圆环构成。为了改善喇叭的驻波特性，我们在喇叭口附近对称地放置调配块。为了防止异物等进入喇叭，需对喇叭口进行封闭。通常在喇叭口上加介质薄膜，一般介质薄膜均会使喇叭的驻波变坏，我们利用高频仿真软件对介质的位置与厚度进行调整，使之具有改善驻波的特性。优化后的喇叭驻波优于1.05。

图 1　喇叭结构
2.正交器
在现代天馈系统中，频率复用技术是利用频率资源最经济的方法之一，可达到扩大通信容量的目的。正交极化频率复用技术是用双极化天线来实现的，即在同一频率上，利用极化正交特性传输两路独立的信号。正交极化频率复用技术有两种，即双线极化和双圆极化[3]。正交极化的合成和分离是在馈电系统中实现的。双线极化频率复用是用正交模耦合器(OMT)也称极化分离器(简称正交器)完成的。
正交器是常用的微波元件，但介绍其设计方法的文献较少[4]。普通的正交器(如图 2所示)虽然只表现为三个物理端口，但就电气上来说是四端口器件。这是由于公共端口中有两个正交的主模(圆波导中的TE11/TE*11模或方波导的TE10/TE01模)与其他两个端口中各自的基模(矩形波导的TE10模或同轴线中的TEM模)匹配。
正交器的作用是分离公共端口中两个正交主模的独立信号并将它们传给单一信号端口的基模，使所有电端口匹配且在两个独立信号之间有高的交叉极化鉴别力。因此，理想正交器的散射矩阵为

这里端口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，分别在端口1与端口3和端口2与端口4之间提供直接连接。其相移滞后分别为φ1和φ2。
正交器的形式有多种，其性能略有差异。一般主波导的形式有圆波导和方波导，在宽频带应用时也可采用四脊波导。与分支波导(也称侧臂)耦合的耦合孔的位置在锥缩(渐变或阶梯)部分，也有用膜片或隔离栅短路耦合的。本文所介绍的正交器是在较窄的工作频带(10%～20%)内满足高性能和低成本的要求。对高性能而言是要求有较小的反射损耗(VSWR)和高隔离(端口隔离和极化隔离);低成本则要求结构简单，加工方便。
为了保证正交器的性能，其最低工作频率应满足fmin>1.1fc。这样圆波导正交器的最大工作带宽约为17%，方波导正交器的最大工作带宽约为25%。在这样的带宽内正交器隔离性能仅受结构尺寸和加工对称性的影响。如果大于最高工作频率，由于高次模的影响，正交器的隔离性能将变差。
正交器的设计的准则是抑制高次模的产生，简化结构，保证结构的对称性，用较少的匹配元件实现各个端口的匹配。
正交器设计的关键是方形或圆形波导分支耦合器的结构及两个基模端口的匹配部分。我们所设计的正交器采用如图 2所示的形式。整个设计过程中首先确定方波导的尺寸，然后设计直通口的方矩波导阶梯过渡。最后确定侧臂耦合孔位置。选取耦合孔的大小与位置应以尽可能减小对直臂的影响又能很好地耦合极化信号为宜。由于侧臂耦合结构变量较多，对性能影响很大，优化侧臂尺寸是十分必要的。

图 2　C波段正交器
对微波元件来说，通过求解Maxwell方程这一古典的方法来获得其特性是困难的。由于高速度大容量计算机的出现。促进了各种数值分析方法的发展。在电磁场问题的数值计算领域出现了多种方法，如有限时域差分法(FDTD)，模匹配法(MMT)，传输线矩阵法(TLM)和有限元法(FEM)等。这些方法对处理各类电磁场问题是部分有效的，但都有所限制。相对而言，有限元法应用比较成熟，可以处理较多类型的电磁场问题，当然对计算机资源的要求也更高。基于有限元法的高频结构仿真软件HPHFSS为解决微波元件的分析方法提供了一种有效的手段。
利用软件优化设计过程实际上是一个加工调试的仿真过程，可以把过去用实验方法确定的尺寸用计算机分析得到。侧臂优化的计算量大，由于侧臂尺寸对直通口性能影响较小而且侧臂匹配的难度较大，对直通口的匹配影响可以选择特定的元件来达到减小的目的。优化侧臂的模型可利用其对称性来减少计算量，弯波导优化后的驻波优于1.02。扭波导优化后的驻波优于1.04。
微波元件性能的稳定性是设计的另一个重要目标之一。通常情况下，对于非谐振结构微波元件来说，尺寸对性能影响是平缓的(非激烈变化的)，利用微扰结构尺寸的方法可达到检验计算结果，确定制造公差的目的。特别是对性能影响很大的尺寸公差的确定是很有必要的，可为合理分配公差，降低制造成本提供科学依据。
3.馈源系统的优化设计方法
馈源系统的性能优化是一个十分复杂的问题，各部分的尺寸变化都会影响性能。由于受计算机资源的限制，对整个馈源系统进行优化设计是困难的，采用对各微波元件进行优化设计后，再对各微波元件的连接关系(接口位置)进行优选，可以得到较好的系统性能。例如，喇叭的最大的回波损耗为-34dB,正交器的最大回波损耗为-32dB,通过优选喇叭与正交器的连接尺寸后，正交器加喇叭合成后最大回波损耗为-32.5dB。

它应具有很高的前后比(F/D)，很高的交叉极化鉴别率(XPD)和极低的电压驻波比(VSWR)。因此，超高性能微波天线系统具有低的电压驻波比(VSWR优于1.06或反射损耗大于30.7dB)和高的交叉极化鉴别率(大于38dB)。
二、系统组成
超高性能微波天线的馈源系统是由喇叭，正交器，扭波导，弯波导和波导馈线组成。其中喇叭和正交器是关键部件。
1.喇叭
适合超高性能微波天线的馈源的喇叭有多种[1][2]。本馈源采用带有三个扼流槽的平面波纹喇叭，这种平面波纹喇叭具有旋转对称的方向图，低的副瓣，低的交叉极化和稳定的相位中心。喇叭的结构如图 1所示。它是由一个圆波导和三个同心圆环构成。为了改善喇叭的驻波特性，我们在喇叭口附近对称地放置调配块。为了防止异物等进入喇叭，需对喇叭口进行封闭。通常在喇叭口上加介质薄膜，一般介质薄膜均会使喇叭的驻波变坏，我们利用高频仿真软件对介质的位置与厚度进行调整，使之具有改善驻波的特性。优化后的喇叭驻波优于1.05。

图 1　喇叭结构
2.正交器
在现代天馈系统中，频率复用技术是利用频率资源最经济的方法之一，可达到扩大通信容量的目的。正交极化频率复用技术是用双极化天线来实现的，即在同一频率上，利用极化正交特性传输两路独立的信号。正交极化频率复用技术有两种，即双线极化和双圆极化[3]。正交极化的合成和分离是在馈电系统中实现的。双线极化频率复用是用正交模耦合器(OMT)也称极化分离器(简称正交器)完成的。
正交器是常用的微波元件，但介绍其设计方法的文献较少[4]。普通的正交器(如图 2所示)虽然只表现为三个物理端口，但就电气上来说是四端口器件。这是由于公共端口中有两个正交的主模(圆波导中的TE11/TE*11模或方波导的TE10/TE01模)与其他两个端口中各自的基模(矩形波导的TE10模或同轴线中的TEM模)匹配。
正交器的作用是分离公共端口中两个正交主模的独立信号并将它们传给单一信号端口的基模，使所有电端口匹配且在两个独立信号之间有高的交叉极化鉴别力。因此，理想正交器的散射矩阵为

这里端口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，分别在端口1与端口3和端口2与端口4之间提供直接连接。其相移滞后分别为φ1和φ2。
正交器的形式有多种，其性能略有差异。一般主波导的形式有圆波导和方波导，在宽频带应用时也可采用四脊波导。与分支波导(也称侧臂)耦合的耦合孔的位置在锥缩(渐变或阶梯)部分，也有用膜片或隔离栅短路耦合的。本文所介绍的正交器是在较窄的工作频带(10%～20%)内满足高性能和低成本的要求。对高性能而言是要求有较小的反射损耗(VSWR)和高隔离(端口隔离和极化隔离);低成本则要求结构简单，加工方便。
为了保证正交器的性能，其最低工作频率应满足fmin>1.1fc。这样圆波导正交器的最大工作带宽约为17%，方波导正交器的最大工作带宽约为25%。在这样的带宽内正交器隔离性能仅受结构尺寸和加工对称性的影响。如果大于最高工作频率，由于高次模的影响，正交器的隔离性能将变差。
正交器的设计的准则是抑制高次模的产生，简化结构，保证结构的对称性，用较少的匹配元件实现各个端口的匹配。
正交器设计的关键是方形或圆形波导分支耦合器的结构及两个基模端口的匹配部分。我们所设计的正交器采用如图 2所示的形式。整个设计过程中首先确定方波导的尺寸，然后设计直通口的方矩波导阶梯过渡。最后确定侧臂耦合孔位置。选取耦合孔的大小与位置应以尽可能减小对直臂的影响又能很好地耦合极化信号为宜。由于侧臂耦合结构变量较多，对性能影响很大，优化侧臂尺寸是十分必要的。

图 2　C波段正交器
对微波元件来说，通过求解Maxwell方程这一古典的方法来获得其特性是困难的。由于高速度大容量计算机的出现。促进了各种数值分析方法的发展。在电磁场问题的数值计算领域出现了多种方法，如有限时域差分法(FDTD)，模匹配法(MMT)，传输线矩阵法(TLM)和有限元法(FEM)等。这些方法对处理各类电磁场问题是部分有效的，但都有所限制。相对而言，有限元法应用比较成熟，可以处理较多类型的电磁场问题，当然对计算机资源的要求也更高。基于有限元法的高频结构仿真软件HPHFSS为解决微波元件的分析方法提供了一种有效的手段。
利用软件优化设计过程实际上是一个加工调试的仿真过程，可以把过去用实验方法确定的尺寸用计算机分析得到。侧臂优化的计算量大，由于侧臂尺寸对直通口性能影响较小而且侧臂匹配的难度较大，对直通口的匹配影响可以选择特定的元件来达到减小的目的。优化侧臂的模型可利用其对称性来减少计算量，弯波导优化后的驻波优于1.02。扭波导优化后的驻波优于1.04。
微波元件性能的稳定性是设计的另一个重要目标之一。通常情况下，对于非谐振结构微波元件来说，尺寸对性能影响是平缓的(非激烈变化的)，利用微扰结构尺寸的方法可达到检验计算结果，确定制造公差的目的。特别是对性能影响很大的尺寸公差的确定是很有必要的，可为合理分配公差，降低制造成本提供科学依据。
3.馈源系统的优化设计方法
馈源系统的性能优化是一个十分复杂的问题，各部分的尺寸变化都会影响性能。由于受计算机资源的限制，对整个馈源系统进行优化设计是困难的，采用对各微波元件进行优化设计后，再对各微波元件的连接关系(接口位置)进行优选，可以得到较好的系统性能。例如，喇叭的最大的回波损耗为-34dB,正交器的最大回波损耗为-32dB,通过优选喇叭与正交器的连接尺寸后，正交器加喇叭合成后最大回波损耗为-32.5dB。

张曼曼

2019-8-12 15:31:30

三、计算与实测性能
喇叭优化后的VSWR和方向图结果如图 3所示，方波导正交器优化后的VSWR结果如图 4所示，对正交器中的主要结构尺寸加微扰(尺寸加公差)后计算的VSWR如图 5所示。从仿真结果来看，正交器中的主要结构尺寸的公差要求在+0.2%～+0.4%是适当的。整个馈源系统的VSWR结果如图 6所示，它的交叉极化鉴别率如图 7所示。