本文關(guān)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(yīng)用于現(xiàn)代微波工程領(lǐng)域。角錐、圓錐等單模喇叭天線的結(jié)構(gòu)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(dá)式。而對于具有復(fù)雜腔體結(jié)構(gòu)的饋源天線,則需借助有效的數(shù)值方法進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。隨著現(xiàn)代通信、遙感技術(shù)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(shè)備完成多頻段的功能集成,這就給饋源天線的設(shè)計(jì)帶來了極大的挑戰(zhàn),除對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的不斷改進(jìn)外,還需借助更為高效的數(shù)值仿真技術(shù)和優(yōu)化流程,以在有限的時(shí)間要求內(nèi)完成復(fù)雜的多目標(biāo)優(yōu)化任務(wù)。本文通過對現(xiàn)有多頻饋源天線應(yīng)用背景、實(shí)現(xiàn)形式、分析方法等方面的詳細(xì)分析,針對軍民領(lǐng)域需求均日趨強(qiáng)烈的多頻衛(wèi)星通信系統(tǒng),以高計(jì)算效率、高性能指標(biāo)完成度為出發(fā)點(diǎn),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(shí),借助全波仿真、實(shí)驗(yàn)分析等手段,驗(yàn)證相關(guān)數(shù)值模型的計(jì)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(dǎo)間及混合波導(dǎo)與均勻波導(dǎo)間的不連續(xù)結(jié)構(gòu),利用模式匹配法(Mode-Matching Method,MMM)計(jì)算各自的廣義散射矩陣(Generalized Scattering Matrix,GSM),并通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到相鄰波導(dǎo)間不同本征模式功率耦合系數(shù)的解析表達(dá)式,通過聯(lián)合已被廣泛討論的均勻波導(dǎo)不連續(xù)結(jié)構(gòu)和矩陣級聯(lián)技術(shù),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(fù)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(jié)構(gòu)的廣義級聯(lián)。進(jìn)而,利用邊界輪廓模式匹配法(Boundary Contour Mode-Matching,BCMM)計(jì)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(jì)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(yàn)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(shè)計(jì),均采用介質(zhì)、波紋混合加載技術(shù),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(dǎo)設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)較寬的主輻射波束,主要應(yīng)用于車載衛(wèi)星通信地面站等對拋物面天線結(jié)構(gòu)尺寸嚴(yán)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(shí)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(shí),二者均可實(shí)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(biāo)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(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)的對比,驗(yàn)證了該算法極高的計(jì)算效率和數(shù)值精度。該混合算法可廣泛應(yīng)用于各類旋轉(zhuǎn)對稱饋源天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,尤其針對介質(zhì)加載型饋源結(jié)構(gòu),通過提供完整的波導(dǎo)不連續(xù)結(jié)構(gòu)等效電路模型庫,嚴(yán)格地建立與饋源真實(shí)結(jié)構(gòu)一致的模式分析數(shù)值模型,可以保證足夠的計(jì)算精度,同時(shí)突出體現(xiàn)效率上的優(yōu)勢。同時(shí),為構(gòu)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(dǎo)混合饋電結(jié)構(gòu),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(dǎo)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(shí)現(xiàn)對具體應(yīng)用頻帶的深度性能優(yōu)化;后者可以實(shí)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(luò)理論的嚴(yán)格分析方法。通過計(jì)算相關(guān)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(shí)現(xiàn)各離散單元的快速獨(dú)立分析與有效互連,從而極大地提高了計(jì)算效率。提出了兩種喇叭輻射口面不連續(xù)結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格GSM計(jì)算方法。同時(shí),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(luò)等效電路模型。進(jìn)而,針對耦合影響顯著存在的兩類饋源天線系統(tǒng)級架構(gòu):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(yīng)展開分析,從而獲得其準(zhǔn)確的輻射特性。為解決傳統(tǒng)全波仿真技術(shù)在多頻饋源天線優(yōu)化設(shè)計(jì)及多饋源天線、散射體間耦合、輻射特性分析上的低計(jì)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(jì)算方法,并通過在各類具有實(shí)際應(yīng)用背景的數(shù)值分析問題上的應(yīng)用,充分驗(yàn)證了其計(jì)算效率上的優(yōu)勢。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN820

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1 劉t，

本文編號：1299275