發(fā)布時間：2017-12-17 07:27

  本文關鍵詞：基于模式分析的饋源天線多頻輻射與耦合特性研究

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【摘要】：喇叭天線由于具有功率容量大、傳輸損耗低、性能穩(wěn)定度高等特性,被廣泛應用于現(xiàn)代微波工程領域。角錐、圓錐等單模喇叭天線的結構相對簡單,口面場分布比較規(guī)則,具有近似的解析形式的輻射場量表達式。而對于具有復雜腔體結構的饋源天線,則需借助有效的數(shù)值方法進行分析與設計。隨著現(xiàn)代通信、遙感技術的發(fā)展,人們已不滿足于高增益天線系統(tǒng)的單頻收發(fā)功能,而是希望借助一套收發(fā)設備完成多頻段的功能集成,這就給饋源天線的設計帶來了極大的挑戰(zhàn),除對傳統(tǒng)設計方案的不斷改進外,還需借助更為高效的數(shù)值仿真技術和優(yōu)化流程,以在有限的時間要求內(nèi)完成復雜的多目標優(yōu)化任務。本文通過對現(xiàn)有多頻饋源天線應用背景、實現(xiàn)形式、分析方法等方面的詳細分析,針對軍民領域需求均日趨強烈的多頻衛(wèi)星通信系統(tǒng),以高計算效率、高性能指標完成度為出發(fā)點,提出了饋源天線基于模式分析理論的完整數(shù)值解決方案,具體包括常見的旋轉(zhuǎn)對稱喇叭天線內(nèi)部均勻、不均勻腔體的多模等效電路模型分析、饋源天線在開放空間中的輻射、阻抗特性分析及在反射面天線系統(tǒng)中的耦合特性分析。同時,借助全波仿真、實驗分析等手段,驗證相關數(shù)值模型的計算效率與精度。本文首先分析了多頻饋源內(nèi)部腔體中可能包含的各類混合波導間及混合波導與均勻波導間的不連續(xù)結構,利用模式匹配法(Mode-Matching Method,MMM)計算各自的廣義散射矩陣(Generalized Scattering Matrix,GSM),并通過嚴格的數(shù)學推導得到相鄰波導間不同本征模式功率耦合系數(shù)的解析表達式,通過聯(lián)合已被廣泛討論的均勻波導不連續(xù)結構和矩陣級聯(lián)技術,可以快速建立各類典型饋源喇叭內(nèi)部腔體的多模等效電路模型,從而將喇叭天線復雜的數(shù)值分析模型簡化為腔體等效電路與輻射口面不連續(xù)結構的廣義級聯(lián)。進而,利用邊界輪廓模式匹配法(Boundary Contour Mode-Matching,BCMM)計算其輻射口面的GSM,聯(lián)合上述利用MMM獲得的喇叭內(nèi)部腔體GSM,可以直接建立喇叭天線輻射問題的完整GSM表示;在天線輸入端口的激勵模式確定后,可以解析地計算其在任意區(qū)域內(nèi)的輻射場量,以及反射系數(shù)、帶間隔離度等端口特性。為驗證該混合模式分析方法,針對近年來市場發(fā)展迅速的Ku/Ka雙頻衛(wèi)星通信,提出了兩種Ku/Ka多頻饋源天線的一體化設計,均采用介質(zhì)、波紋混合加載技術,以優(yōu)化其在雙波段收發(fā)頻帶內(nèi)的輻射特性,前者采用小口徑開口波導設計,可以實現(xiàn)較寬的主輻射波束,主要應用于車載衛(wèi)星通信地面站等對拋物面天線結構尺寸嚴格限制的功能平臺,以保證拋物面多頻帶內(nèi)穩(wěn)定的高口面效率;后者旨在實現(xiàn)多頻帶內(nèi)一致的輻射方向圖特性,包括穩(wěn)定的相位中心、主瓣寬度和輻射增益,以近似理想高斯波束的形式為反射面提供入射激勵。同時,二者均可實現(xiàn)多頻帶內(nèi)低交叉極化電平、旋轉(zhuǎn)對稱方向圖、穩(wěn)定的相位中心,以及良好的輸入端口阻抗匹配和充分的帶間隔離度。利用混合模式分析方法聯(lián)合基于遺傳算法的多目標優(yōu)化流程,分別展開對上述多頻饋源天線的全局優(yōu)化,通過與全波仿真工具計算結果和實驗測試數(shù)據(jù)的對比,驗證了該算法極高的計算效率和數(shù)值精度。該混合算法可廣泛應用于各類旋轉(zhuǎn)對稱饋源天線的優(yōu)化設計中,尤其針對介質(zhì)加載型饋源結構,通過提供完整的波導不連續(xù)結構等效電路模型庫,嚴格地建立與饋源真實結構一致的模式分析數(shù)值模型,可以保證足夠的計算精度,同時突出體現(xiàn)效率上的優(yōu)勢。同時,為構建完整的Ku/Ka雙頻饋源系統(tǒng),針對上述饋源喇叭所采用的同軸波導混合饋電結構,分別提出了用于Ku波段正交線極化信號隔離的十字轉(zhuǎn)門型同軸波導正交模耦合器和用于Ka波段正交圓極化信號激勵的雙頻雙圓極化器。前者可以保證全Ku波段內(nèi)良好的阻抗匹配和高正交端口隔離度,通過調(diào)整其內(nèi)部匹配塊的幾何尺寸,可以實現(xiàn)對具體應用頻帶的深度性能優(yōu)化;后者可以實現(xiàn)Ka波段收發(fā)頻帶內(nèi)任意形式的圓極化激勵模式。最后,本文針對反射面天線系統(tǒng)中饋源天線的耦合、輻射問題,提出了基于廣義網(wǎng)絡理論的嚴格分析方法。通過計算相關輻射源、散射體基于GSM的多模等效電路模型,并借助球面波的平移疊加定理建立各單元間的等效空間傳輸線,可以實現(xiàn)各離散單元的快速獨立分析與有效互連,從而極大地提高了計算效率。提出了兩種喇叭輻射口面不連續(xù)結構的嚴格GSM計算方法。同時,可以利用BCMM分析具有平滑表面的金屬散射體,以獲得其基于球面波展開形式的入射、反射場單端口網(wǎng)絡等效電路模型。進而,針對耦合影響顯著存在的兩類饋源天線系統(tǒng)級架構:饋源陣列和雙反射面天線,分別利用上述方法對饋源間及饋源與副反射面間的耦合效應展開分析,從而獲得其準確的輻射特性。為解決傳統(tǒng)全波仿真技術在多頻饋源天線優(yōu)化設計及多饋源天線、散射體間耦合、輻射特性分析上的低計算效率問題,本文提出了完整的基于模式分析理論的數(shù)值計算方法,并通過在各類具有實際應用背景的數(shù)值分析問題上的應用,充分驗證了其計算效率上的優(yōu)勢。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN820

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1 劉t，

本文編號：1299275