一種免調(diào)試的寬帶圓極化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所 張志華 蘇 麗

0.引言

近幾年天線技術(shù)發(fā)展迅猛，享受無線通信帶來的快捷便利的同時(shí)，也面臨著天線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的更新?lián)Q代。作為天線系統(tǒng)核心部件的微波網(wǎng)絡(luò)，它秉承天線的發(fā)展潮流，也具有小型化、頻帶寬、多頻共用、新結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，越來越多寬頻、多頻復(fù)用天線被應(yīng)用，微波網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展迫在眉睫。這里討論了一款5.2GHz-9GHz的寬帶圓極化網(wǎng)絡(luò)，它打破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)形式，采用新結(jié)構(gòu)新材料研制，具有結(jié)構(gòu)簡單、頻帶寬、免調(diào)試的特點(diǎn)。

1.網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案

鑒于目前使用頻段的帶寬，傳統(tǒng)圓極化網(wǎng)絡(luò)形式已經(jīng)無法滿足要求。這里我們采用門鈕正交器和介質(zhì)加載波紋移相器實(shí)現(xiàn)。

新網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案具有如下特點(diǎn)：

1）頻帶寬：從傳統(tǒng)的百分之十幾的帶寬，拓展到53%，性能更優(yōu)良。

2）結(jié)構(gòu)緊湊：因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)只有兩個(gè)元器件，整體尺寸小巧，結(jié)構(gòu)更緊湊。

3）免調(diào)試：整體網(wǎng)絡(luò)無需做任何調(diào)試工作，解放設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的一致性。

網(wǎng)絡(luò)三維模型如圖1所示：

圖1 寬帶網(wǎng)絡(luò)三維結(jié)構(gòu)模型

網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)主要的元器件組成：寬帶正交器和寬帶極化器。這兩個(gè)器件均不同于常規(guī)器件的實(shí)現(xiàn)方式，能夠在較寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的電氣性能。

2.網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程

2.1 寬帶正交器的仿真設(shè)計(jì)

正交器是網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件，它能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同極化信道信號(hào)的同時(shí)傳輸，且具有較高的極化隔離特性。傳統(tǒng)正交器主波導(dǎo)有方波導(dǎo)和圓波導(dǎo)兩種形式，根據(jù)頻率選擇適當(dāng)?shù)目趶剑辉试S主模傳輸，其它高次模截止。這種形式的正交器帶寬一般≤20%，用在這里無法滿足設(shè)計(jì)要求。為了拓展帶寬，選用門鈕方式實(shí)現(xiàn)：先用分波頭分為四路，然后對(duì)稱的兩路再進(jìn)行合成，能夠保證在一個(gè)很寬的頻帶取得良好的性能。

2.1.1 公共端口圓波導(dǎo)的選取

為了保證圓波導(dǎo)內(nèi)主模TE11模的傳輸，其半徑R應(yīng)滿足下式λ / 3.41＜ R ＜λ / 2.62。

2.1.2 分波臺(tái)選擇

三階圓臺(tái)進(jìn)行分波，能達(dá)到最好的電氣性能，相比于方臺(tái)分波，圓臺(tái)的一致性更好，且對(duì)加工工藝的要求稍低。

寬帶正交器仿真模型及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 寬帶正交器仿真模型

此時(shí)的正交器在使用頻帶內(nèi)駐波小于1.2，隔離大于40dB。

2.2 寬帶圓極化器的設(shè)計(jì)

圓極化器有多種實(shí)現(xiàn)方式：圓波導(dǎo)螺釘加載圓極化器、隔板圓極化、方波導(dǎo)波紋圓極化，介質(zhì)加載圓極化器等等。前兩種方式相對(duì)帶寬窄，易于加工，成本較低；后兩種方式，帶寬較寬，加工時(shí)對(duì)工藝的要求較高，成本稍高，具體選擇哪種實(shí)現(xiàn)方式應(yīng)時(shí)根據(jù)實(shí)際情況選擇。這里選擇介質(zhì)加載波紋方波導(dǎo)形式，能有效的增加使用頻帶。

其仿真、結(jié)構(gòu)模型如圖3所示：

圖3 寬帶圓極化器三維模型

在全頻帶內(nèi)能實(shí)現(xiàn)±5度的移向偏差，軸比能達(dá)到0.75dB以下。

2.3 網(wǎng)絡(luò)的整體仿真優(yōu)化

每個(gè)單獨(dú)元器件設(shè)計(jì)好后，組裝起來的網(wǎng)絡(luò)并不一定能達(dá)到最好的狀態(tài)。每個(gè)器件彼此之間有干擾和失配的情況存在，因此還需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整體的仿真再優(yōu)化。在優(yōu)化設(shè)計(jì)單獨(dú)元器件時(shí)，所有的關(guān)鍵參數(shù)已經(jīng)有了初始化設(shè)置，整體仿真時(shí)以當(dāng)時(shí)的最優(yōu)解有基礎(chǔ)，重新匹配適當(dāng)參數(shù)，消除過渡及匹配臺(tái)的不連續(xù)性，使得電氣性能最優(yōu)。

優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4所示：

圖4 網(wǎng)絡(luò)整體仿真、測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3.加工過程監(jiān)控

這套網(wǎng)絡(luò)的所有元器件均屬于免調(diào)試器件，所以除了仿真設(shè)計(jì)要嚴(yán)謹(jǐn)、精確，盡可能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，同時(shí)還需關(guān)注加工時(shí)對(duì)尺寸精度的把握，使得最大限度的滿足設(shè)計(jì)尺寸和安裝要求，就需要對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行精度的調(diào)整，對(duì)關(guān)鍵工藝進(jìn)行反復(fù)實(shí)踐。

正交器分波臺(tái)的尺寸是關(guān)鍵參數(shù)，它的精度對(duì)駐波的影響很明顯；極化器中間介質(zhì)的尺寸也是敏感參數(shù)，它的細(xì)微變化引起的移向度數(shù)改變明顯，所以對(duì)這些參數(shù)提出±0.05的誤差范圍。

正交器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工起來比較困難，特別是圓波導(dǎo)與分波主體鏈接的位置還要起到支撐的作用，這個(gè)部位非常容易斷裂，造成整個(gè)器件的損壞，對(duì)這個(gè)部位采用一體加工的方案，保證足夠的厚度支撐后面波導(dǎo)部分，一體成型，減少焊接斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

4.結(jié)束語

以全新的寬帶器件取代傳統(tǒng)方式，實(shí)現(xiàn)整體網(wǎng)絡(luò)在較寬頻帶內(nèi)的良好的圓極化性能。網(wǎng)絡(luò)組成簡單，且實(shí)現(xiàn)整體網(wǎng)絡(luò)免調(diào)試，減少75%的調(diào)試時(shí)間，大大地提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)也解決了產(chǎn)品一致性問題。以此種方式為基礎(chǔ)，已經(jīng)設(shè)計(jì)出其它頻段的圓極化網(wǎng)絡(luò)，使用狀況良好。這種結(jié)構(gòu)方式的圓極化網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該得到進(jìn)一步的研究并推廣。

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