[发明专利]基于方波导的2×2单面双鳍线阵的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及到微波毫米波段平面传输线设计技术领域，尤其涉及一种基于方波导的2×2单面双鳍线阵的制作方法。

背景技术

在微波和毫米波的各种应用系统中，如：雷达、制导、遥感以及通讯系统中，作为其主要组成部分，毫米波固态功率放大器犹如这些设备的“心脏”，成为毫米波研究领域最为重要的研究方向。

行波管放大器(TWTA)由于其大功率、宽带以及高效率等优点是目前应用最为广泛的毫米波功率源。然而TWTA自身存在体积大、重量重以及造价高等固有的缺点。随着MMIC技术的发展，固态微波和毫米波放大器表现出体积小、重量轻、低电压、线性好和可靠性高等优点，从而使得固态放大器及其功率合成技术逐渐被国内外的研究机构所重视。

基于波导技术的宽带空间功率放大模块结构最早由Alexanian和York在1997年提出。一般采用立体多层结构，在每一层上集成了输入输出鳍线阵、阻抗匹配微带线阵和微波单片集成功率管(MMIC PA)。空间功率合成模块工作时，从波导中入射的电磁波耦合到输入鳍线阵中，其总功率被分割成相等的若干份，每一份沿着对应的渐变鳍线无反射的传输，通过输入阻抗匹配微带线阵传输到MMIC PA中，经过PA管放大后又通过输出匹配微带线和输出鳍状天线阵无反射的传输，并辐射到输出波导空间，从而最终得功率的放大。

鳍线可以很好的实现立体传输系统同平面电路的结合，在空间功率合成模块中它既是功率分配器又是阻抗变换器。在波导基鳍线阵的设计中最关键的部分是得到鳍线的散射特性，目前主要采用下面两种方案得以实现：

1)频域有限差分法(FDFD)，采用该方法可以得到二维鳍线阵的散射特性，主要包括传播常数、特征阻抗、功率密度和电流密度等相关参量。

图1为FDFD分析2×2波导基鳍线阵的结构示意图。单面双鳍线阵对称的放置在方波导腔101内部，双鳍线的金属鳍103制作在高频介质板102的一侧。FDFD方法首先需要设定计算区域，根据方波导101的对称性，可以看到在方波导101内部存在理想磁壁104和理想电壁105，这样就可以把计算区域设置为方波导101的左上部分，从上向下依次包括真空层107、金属层103、介质层102、真空层107。在确定了计算区域以后，利用改进的麦克斯韦方程组，可以得到不同层所对应的有限元方程。

该有限元方程依据设计好的边界条件可以进一步转换为标准的大尺寸稀疏本征方程，为了求解该方程需要采用商用的ARPACK软件，利用迭代方法最终得到2×2单面双鳍线阵的散射特性，从而得到金属鳍的不同鳍缝隙宽度106下所对应的传播常数、有效介电常数以及特征阻抗等。

2)频谱法(SDM)，以2×2的单面双鳍线阵为例，首先将鳍线结构通过谱域中的伽略金法得到该双鳍线结构的TE等效电路201和TM等效电路202如图2所示。在设定了TE等效电路201的电压源203和TM等效电路202的电压源204之后，可以得到TE和TM的等效电路方程，然后采用坐标变换，通过卷积运算得到等效电路方程中的阻抗矩阵元素，最后将阻抗矩阵代入到电路方程中通过数值求解可以求出鳍线的散射特性，即鳍线的特征阻抗、有效介电常数等参量随鳍缝隙106的变化曲线。

无论采用上述何种方案，都需要复杂的数学运算而且计算量大，这将直接导致设计周期长、设计效率低、设计流程不直观等问题。为简化该步设计流程，本方面提出建立合理的基于方波导的单面双鳍线阵模型，在商用电磁场仿真软件环境下进行电磁仿真，从而得到鳍线阵的散射特性。本发明只需要建立简单的模型、设置合理的边界条件和激励源，在PC机上进行仿真就可以得到所需要的鳍线阵的散射特性。因此采用该方法可以节省设计时间、避免复杂的数学计算，同时具有可扩展性，推进了鳍线设计的实用化进程。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本方面的主要目的在于提供一种基于方波导的2×2单面双鳍线阵的制作方法，以简化基于方波导的2×2单面双鳍线阵的设计流程，使设计流程更加透明化，缩短设计周期，方便双鳍线的优化设计。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于方波导的2×2单面双鳍线阵的制作方法，该方法包括：