本文介紹了用于微波接力天線饋源中的C波段超高性能饋源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，利用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)一些重要的和不易調(diào)整的尺寸用加偏差的方法來確定加工精度。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合的較好，在4.4～5GHz的頻段中，整個(gè)饋源系統(tǒng)的駐波優(yōu)于1.05，交叉極化鑒別率優(yōu)于-40dB。

關(guān)鍵詞：超高性能饋源系統(tǒng)　高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件

一、 概　述

近幾年來，我國通信事業(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)功能主要通過光纖，地面微波，空中衛(wèi)星等通信方式來完成。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[1][2]。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[3]。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[4]。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，但就電氣上來說是四端口器件。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(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)問題，當(dāng)然對(duì)計(jì)算機(jī)資源的要求也更高?；谟邢拊ǖ母哳l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。

利用軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)過程實(shí)際上是一個(gè)加工調(diào)試的仿真過程，可以把過去用實(shí)驗(yàn)方法確定的尺寸用計(jì)算機(jī)分析得到。側(cè)臂優(yōu)化的計(jì)算量大，由于側(cè)臂尺寸對(duì)直通口性能影響較小而且側(cè)臂匹配的難度較大，對(duì)直通口的匹配影響可以選擇特定的元件來達(dá)到減小的目的。優(yōu)化側(cè)臂的模型可利用其對(duì)稱性來減少計(jì)算量，彎波導(dǎo)優(yōu)化后的駐波優(yōu)于1.02。扭波導(dǎo)優(yōu)化后的駐波優(yōu)于1.04。

微波元件性能的穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要目標(biāo)之一。通常情況下，對(duì)于非諧振結(jié)構(gòu)微波元件來說，尺寸對(duì)性能影響是平緩的(非激烈變化的)，利用微擾結(jié)構(gòu)尺寸的方法可達(dá)到檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，確定制造公差的目的。特別是對(duì)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(jù)。

3.饋源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

饋源系統(tǒng)的性能優(yōu)化是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，各部分的尺寸變化都會(huì)影響性能。由于受計(jì)算機(jī)資源的限制，對(duì)整個(gè)饋源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是困難的，采用對(duì)各微波元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，再對(duì)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(tǒng)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(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(jì)算與實(shí)測(cè)性能

喇叭優(yōu)化后的VSWR和方向圖結(jié)果如圖 3所示，方波導(dǎo)正交器優(yōu)化后的VSWR結(jié)果如圖 4所示，對(duì)正交器中的主要結(jié)構(gòu)尺寸加微擾(尺寸加公差)后計(jì)算的VSWR如圖 5所示。從仿真結(jié)果來看，正交器中的主要結(jié)構(gòu)尺寸的公差要求在+0.2%～+0.4%是適當(dāng)?shù)?。整個(gè)饋源系統(tǒng)的VSWR結(jié)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(dǎo)正交器優(yōu)化后的VSWR

圖 5　正交器中主要結(jié)構(gòu)尺寸加微擾后的VSWR

圖 6　饋源系統(tǒng)的VSWR

圖 7　饋源系統(tǒng)的交叉極化鑒別率

四、 結(jié)　論

本文介紹了C波段超高性能微波天線的饋源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。給出了計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果，提出了利用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件確定微波元件制造公差的方法。整個(gè)系統(tǒng)的駐波優(yōu)于1.05，交叉極化隔離優(yōu)于40dB。該饋源系統(tǒng)已很好地應(yīng)用于3.2m的微波中繼天線。

皇捷通訊的gsm天線、wifi天線、uhf天線、vhf天線、電視天線、電子連接器生產(chǎn)線引進(jìn)日本、中國臺(tái)灣高端生產(chǎn)設(shè)備，保證產(chǎn)品具有穩(wěn)定、優(yōu)良的品質(zhì)。公司生產(chǎn)設(shè)備包括注塑成型設(shè)備、五金沖壓設(shè)備、自動(dòng)組裝設(shè)備、模具制造設(shè)備、RF剝線設(shè)備及品質(zhì)檢驗(yàn)設(shè)備等。我們擁有高端的技術(shù)研發(fā)和制造能力，可以根據(jù)客戶需求定制產(chǎn)品，并調(diào)整和提高生產(chǎn)效率。保證穩(wěn)定、精確的交貨期和快速的樣品確認(rèn)。

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CTIA認(rèn)證，包括移動(dòng)臺(tái)的TRP和TIS測(cè)試, 移動(dòng)臺(tái)天線測(cè)試，包括天線場(chǎng)型、增益、方向圖測(cè)試, 輻射雜散測(cè)試, 輻射抗擾度測(cè)試, RF性能 天線特性，頻率到2.45GHz滿足歐洲電信測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ETSI 300 328。

天線暗室的技術(shù)性能：

可滿足800MHz-18GHz頻率范圍內(nèi)的天線測(cè)試。

CTIA的TRP和TIS測(cè)試指標(biāo)要求

CTIA目前公布的《CTIA認(rèn)證程序：手機(jī)空中特性測(cè)試計(jì)劃，輻射射頻和接收機(jī)性能》，主要考慮了手機(jī)天線方向圖對(duì)手機(jī)各種指標(biāo)的影響。

TRP指的是總輻射功率，是指手機(jī)在立體全方向上發(fā)射機(jī)對(duì)外輻射功率的平均值，相對(duì)于峰值有效輻射功率(ERP)和傳導(dǎo)輻射發(fā)射功率。

TIS 指的是總?cè)蜢`敏度，是指手機(jī)在立體全方向上接收機(jī)的接收靈敏度平均值，相對(duì)于傳導(dǎo)接收機(jī)靈敏度。TIS即考慮了天線的匹配因素，也考慮了在三維空間的接收機(jī)的接收性能，因此可以更全面地衡量手機(jī)的接收機(jī)的接受能力， 通常來講手機(jī)的TRP值越大越好，TIS值越小越好，相對(duì)傳統(tǒng)手機(jī)射頻性能，測(cè)試手機(jī)的TRP和TIS非常必要。

天線暗室為桐邑公司的優(yōu)勢(shì)，在過去幾年里已為多家知名單位建造天線暗室，因此以桐邑公司的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)力完全可以滿足貴單位對(duì)于暗室方面的正常要求。

靜區(qū)：

靜區(qū)尺寸： 1GHz≥60cm

靜區(qū)反射電平： 800MHz～1GHz，≤-35dB、　1GHz～3GHz，≤-40dB、　3GHz～6GHz≤-45dB

紋波測(cè)試：

靜區(qū)紋波測(cè)試結(jié)果小于±0.8dB。

多徑損耗

在800MHz-6GHz范圍內(nèi)，±0.25dB

天線暗室的建設(shè)：

屏蔽室安裝完工之后，四面墻、天花板及地面皆貼Pu-Absorber。即構(gòu)成天線暗室。桐邑公司施工工藝先進(jìn)，粘貼吸波材料使用叉型粘扣帶和魔鬼氈，保證不脫落。在角落等細(xì)部處理上采用切成45度角單斜邊及雙斜邊的角錐吸波體(一般公司角落都是貼平的吸波體)可以保證整間貼的很密。因此吸波效果會(huì)很好，暗室的性能也能得到保證，并且暗室整間搬遷、改造十分方便

天線暗室的基本設(shè)施：

1. 屏蔽屏蔽殼體一間：采用美國拼裝式工藝建造，保證屏蔽效能的同時(shí)，也能保證屏蔽室的堅(jiān)固耐用，并可以整體搬遷或擴(kuò)建。

2. 屏蔽門：全開尺寸0.9m×2.1m，電動(dòng)、手動(dòng)或氣動(dòng)開啟。

3. 波導(dǎo)通風(fēng)口：2個(gè)，尺寸300mm×300mm。

4. 電氣系統(tǒng)：照明燈具，插座。

5. 暗室內(nèi)部四面墻、天花板及地面貼滿微波吸波材料，自屏蔽門至天線架及轉(zhuǎn)臺(tái)處成ㄇ字型鋪設(shè)走道型吸波體。吸波材料的阻燃性能滿足NRL 8093-94 、DIN 4102 Class B-2標(biāo)準(zhǔn)。

6. 濾波器：符合MIL-STD-220A標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)滿足UL1283標(biāo)準(zhǔn)，在10MHz-10GHz頻率范圍內(nèi)，插入損失100dB。

220V/50Hz/單相/2×30A 一臺(tái)

7. 接頭及接頭板：有N型、SMA型、IEEE488型接口。

8. CCTV：影像及控制需以光纖傳輸，配彩色PAL機(jī)型。另需攝像機(jī)控制器及彩色顯示器各一套。

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