基于模式匹配的多频馈源天线特性研究.pdf

摘要

近年来，喇叭天线越来越多的被应用于卫星通信领域，其原因是其具有

很高的通信稳定性、较低的插入损耗和能承载较大的功率容量。传统的波纹

喇叭结构上比较单一，口面场具有比较规则的结构，这样的天线结构具有比

较简单的辐射场表达式。但是对于复杂的天线结构，往往难以直接设计其结

构，需要通过一些数值的计算方法设计其结构。目前来看，通信技术已经发

展的很成熟，那些传统的天线设计模型远远不能满足现代通信所需要，这样，

人们提出了借助于数值计算的技术来设计和优化天线结构，这样可以更高效

的实现目标。

本文通过对军民领域日益需求强烈的卫星通行系统做了详细分析，并结

合现代天线的应用背景和理论分析，提出了一套新型的数值设计和优化天线

的解决方法。包括常见的不均匀波导结、同轴结构和混合波导结构的详细分

析、理论建模和数值计算，得出其天线内部的传输损耗、阻抗特性和辐射特

性。提高了设计的精度和速度。

本文首先介绍了各个坐标系下各种电磁场分量表达式的由来，由此引出

金属腔体内部波导不连续结构的模式匹配法，并且通过严格的数学推导，得

出各个不连续波导结中本征模式互耦系数矩阵。把一个现实的天线结构等效

为一个多模电路模型，从而利用算法可以设计和优化。

然后介绍了金属波导端口的数值计算方法。球面波展开法是一种常见计

算波导口面的计算方法。通过模式匹配法获得金属导体内部的S参数，然后

通过球面波展开法求出天线辐射口面的S参数，这样便得出该天线的完整S

参数。当天线的馈源端口模式确定时，便可以得出整个空间任意一个位置的

电磁波辐射场量。端口间的隔离度、各个端口的反射系数也可以随之算出。

本文为了验证该数值算法的准确性，设计了两种可以用数值算法设计其结构

的Ku/Ka波段双频馈源天线，提出了一种新型介质加载的双频馈源天线，以

保证其良好的辐射特性。该馈源天线主要用于卫星通信地面站反射面天线的

馈源。其结构尺寸受到严格的大小限制，这样可以有效地提高辐射效率。两

种馈源天线都可以达到良好的端口反射系数、较低的交叉极化电平、较稳定

的相位中心和理想的旋转对称方向图。原理是利用模式匹配法把需要设计的

喇叭构建成一个理想的数学模型。其中，很多结构参数需要优化。这样，其

理想数学模型便成为了一个多目标函数，再结合遗传算法给出初值，进行迭

代，设置迭代次数、截止频率、需要考虑的模式数目等等，通过MATLAB运

行，直至优化目标结果收敛。最后得出的数据为该天线的优化结果。通过与

HFSS、CST等全波仿真软件进行对比，可以验证该算法的极高的运算效率

和较高的数值准确度。该方法有一定的通用性，可以针对一些旋转对称的结

构进行设计和优化。另外，也可以针对介质杆加载的结构进行分析。主要是

针对一个复杂结构的馈源喇叭系统，可以有效的建立数学模型，实现多目标

多模式的系统优化。可以保证足够的精度。体现了数值计算的高效性。

本文最后为解决传统的全波仿真技术在设计和优化多个指标的效率低

下的问题，系统的提出了一套完整的优化设计算法，并在一些常用的实际背

景下应用。虽然该算法在设计和优化上有一些结构的局限性，但是相信在不

远的将来，能不断地完善，运用数学计算优化天线喇叭是目前的一种趋势，

日趋成熟的算法优化体系将大大缩短项目进程。

关键词：波纹喇叭；模式匹配法；遗传算法；多频馈源天线；不连续结构

Abstract

Inrecentyears,moreandmorehornantennashavebeenusedinthefieldof

satellitecommunicationsbecauseoftheirhighcommunicationstability,low

insertionloss,andabilitytocarrylargepowercapacity.Thetraditional

corrugatedhornstructureisrelativelysimple,andthemouth-surfacefieldhasa

relativelyregularstructure.