超高性能微波天线馈源系统的设计

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。

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。

图 3　喇叭优化后的VSWR和方向图

图 4　方波导正交器优化后的VSWR