波導(dǎo)圓極化器技術(shù)

丁曉磊 孟明霞

(北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076)

波導(dǎo)圓極化器技術(shù)

丁曉磊 孟明霞

(北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076)

介紹波導(dǎo)圓極化器的發(fā)展現(xiàn)狀，給出不同種類波導(dǎo)圓極化器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為圓極化饋源喇叭的方案選擇提供參考。

天線饋源系統(tǒng)； 圓極化； 波導(dǎo)圓極化器

引 言

波導(dǎo)圓極化器是圓極化反射面天線饋源系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其作用是將線極化信號(hào)變換為圓極化信號(hào)。波導(dǎo)圓極化器的結(jié)構(gòu)形式直接決定饋源喇叭的體積、重量和電性能。為滿足不同饋源系統(tǒng)的具體要求，已研制出多種形式的圓極化器。除在方波導(dǎo)或圓波導(dǎo)內(nèi)插入膜片[1～9]、脊[10～12]、銷釘[13，14]或介質(zhì)板[15，16]的結(jié)構(gòu)形式外，還包括在圓波導(dǎo)對(duì)稱壁上開槽[17，18]，將方波導(dǎo)切角[19～21]，以及圓波導(dǎo)直接過渡到橢圓波導(dǎo)[22]的結(jié)構(gòu)形式。以上結(jié)構(gòu)的圓極化器都是雙端口器件，用于同時(shí)雙圓極化天線系統(tǒng)中需要附加正交模變換器。而在方波導(dǎo)或圓波導(dǎo)內(nèi)插入隔板式膜片[23～27]的三端口圓極化器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙圓極化功能。

波導(dǎo)圓極化器的工作原理是通過在波導(dǎo)內(nèi)引入特殊結(jié)構(gòu)用以改變兩個(gè)正交極化分量的傳播常數(shù)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)分量的相位差90°，進(jìn)而完成線極化波到圓極化波的轉(zhuǎn)化。本文根據(jù)波導(dǎo)圓極化器結(jié)構(gòu)形式的不同做出總結(jié)。

1 波紋結(jié)構(gòu)圓極化器

在方波導(dǎo)和圓波導(dǎo)內(nèi)分別存在著兩個(gè)極化正交的模式(方波導(dǎo):TE01、TE10，圓波導(dǎo):TE11)，為改變兩種模式的傳播常數(shù)，可以在圓波導(dǎo)或方波導(dǎo)內(nèi)周期性或非周期性加載一定數(shù)量的金屬膜片。方波導(dǎo)波紋圓極化器的膜片一般加載在兩個(gè)相對(duì)的壁上，圓波導(dǎo)波紋圓極化器的膜片一般加載在對(duì)稱壁上，如圖1所示。在圖1所示的坐標(biāo)系下，膜片對(duì)x和y方向的極化分量分別呈現(xiàn)并聯(lián)電感和并聯(lián)電容性質(zhì)，從而使Ex分量相位超前，Ey分量相位滯后。適當(dāng)選擇膜片數(shù)量、深度、厚度、間距，就可使Ex和Ey分量的相位差90°，從而實(shí)現(xiàn)線極化信號(hào)到圓極化信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

為了實(shí)現(xiàn)極低的反射損耗，金屬膜片的高度沿波導(dǎo)軸向的分布必須采用漸變結(jié)構(gòu)，圖1(c)為圓極化器膜片高度沿波導(dǎo)軸向的分布，通常采用升余弦或高斯分布，從而使反射損耗最小。

由于圓極化器后接的饋源喇叭一般為圓波導(dǎo)喇叭，為了簡化加工過程、降低加工成本、減少過渡波導(dǎo)段的數(shù)量，可以對(duì)圓波導(dǎo)波紋極化器的膜片形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[6]，如圖2(a)、圖2(b)所示。通過優(yōu)化圖2所示的兩個(gè)變量(wext、wint)可以在給定波導(dǎo)半徑和工作頻率的前提下設(shè)計(jì)出滿足要求的圓極化器。

圖1 常規(guī)膜片形狀的波紋波導(dǎo)圓極化器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 優(yōu)化膜片形狀的波紋波導(dǎo)圓極化器結(jié)構(gòu)示意圖

波紋圓極化器的加工方法一般是先銑出對(duì)稱的兩半，然后通過螺釘固定。圖3是方波導(dǎo)圓極化器和采用圖2(b)所示膜片形狀的圓波導(dǎo)圓極化器的實(shí)物圖。

圖4是文獻(xiàn)[7]比較的圖3所示的兩種圓極化器的插入損耗實(shí)測結(jié)果。由圖4可知，方波導(dǎo)圓極化器兩個(gè)極化分量的插損不一致，其中一個(gè)極化分量的插損較大；橢圓膜片的圓波導(dǎo)極化器的兩個(gè)極化分量一致性較好。方波導(dǎo)圓極化器兩個(gè)極化分量插損不一致的原因，主要是因?yàn)閮蓚€(gè)正交極化分量的電流分布在剖開面上的不同所致。對(duì)于剖分面截?cái)嚯娏鞯臉O化分量，其插損必定會(huì)大。

圖3 波紋波導(dǎo)圓極化器實(shí)物圖

圖4 實(shí)測圖3所示兩種圓極化器的插損

波紋結(jié)構(gòu)圓極化器的主要參數(shù)有:圓波導(dǎo)半徑或方波導(dǎo)邊長、金屬膜片的厚度、金屬膜片的對(duì)數(shù)、金屬膜片的間距、金屬膜片的高度以及金屬膜片的高度分布形式。

這種圓極化器經(jīng)常用于雙頻點(diǎn)天饋系統(tǒng)中。在軸比小于1.2dB時(shí)其最大工作頻帶可達(dá)40%。

以上介紹的波紋結(jié)構(gòu)圓極化器是由截面尺寸不變的圓波導(dǎo)或方波導(dǎo)和一定數(shù)量的膜片組成。由于膜片數(shù)較多，致使極化器的縱向尺寸較長。為縮短方波導(dǎo)波紋圓極化器的縱向長度，文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種同時(shí)優(yōu)化方波導(dǎo)截面參數(shù)和膜片參數(shù)的圓極化器。該圓極化器在確保性能不變的情況下，較常規(guī)單一優(yōu)化膜片參數(shù)設(shè)計(jì)的極化器縱向長度縮短了25%。

以上將金屬膜片加載在方波導(dǎo)或圓波導(dǎo)內(nèi)的波紋結(jié)構(gòu)圓極化器也稱為金屬膜片式圓極化器。將一定長度的矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)相級(jí)聯(lián)也可以構(gòu)成波紋結(jié)構(gòu)的圓極化器[9]，圖5所示。這種圓極化器的設(shè)計(jì)參數(shù)包括矩形波導(dǎo)的長ED、寬B、高A和圓波導(dǎo)的半徑R0、長度EL。

圖5 圓矩波導(dǎo)級(jí)聯(lián)的圓極化器

2 脊波導(dǎo)圓極化器

脊波導(dǎo)圓極化器是在波導(dǎo)軸向加載雙脊或四脊構(gòu)成。雙脊結(jié)構(gòu)主要用于圓波導(dǎo)極化器，脊的形式可設(shè)計(jì)成階梯型脊[10]或按余弦連續(xù)漸變形脊[11]。雙脊圓極化器的帶寬比較有限，文獻(xiàn)[10]中雙脊圓極化器的軸比＜1.2dB的帶寬約為20%。為滿足更寬頻帶的使用要求，文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了軸比＜0.4dB、帶寬約為60%的四脊方波導(dǎo)圓極化器，圖6所示為其截面示意圖。

3 螺釘式圓極化器

螺釘式圓極化器因其成本低、容易制作、調(diào)整方便、插入損耗小、帶寬適中而經(jīng)常被采用。其工作原理是:穿入圓波導(dǎo)內(nèi)的金屬螺釘對(duì)于與其平行的電場(V極化波)等效為一個(gè)并聯(lián)的容性電納，使V極化波的相位滯后；而對(duì)于與其正交的電場(H極化波)等效為一個(gè)并聯(lián)的感性電納，使H極化波的相位超前。適當(dāng)選擇圓波導(dǎo)的直徑、金屬螺釘?shù)闹睆健⒙葆旈g距和螺釘穿入波導(dǎo)內(nèi)的深度，可以使與螺釘軸向成45°夾角的線極化波分解成V極化波和H極化波，經(jīng)過極化器后，兩個(gè)極化波分量產(chǎn)生90°的相移差，從而實(shí)現(xiàn)線極化波向圓極化波的變換。

圖7是文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)的工作于8.0～8.6GHz的右旋圓極化器。該圓極化器在工作頻帶內(nèi)的反射損耗優(yōu)于20dB，軸比小于2.5dB。

圖6 四脊方波導(dǎo)圓極化器[12]

圖7 同軸饋電的螺釘圓極化器[14]

4 介質(zhì)插片圓極化器

介質(zhì)插片圓極化器是在圓波導(dǎo)內(nèi)插入一個(gè)特定形狀和長度的介質(zhì)片構(gòu)成。圓波導(dǎo)內(nèi)的介質(zhì)片對(duì)平行和垂直于它的兩個(gè)正交極化波分別產(chǎn)生兩個(gè)等效介電常數(shù)，通過改變介質(zhì)插片的結(jié)構(gòu)和長度，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)正交極化波通過插片區(qū)后相位差90°，從而完成線極化波到圓極化波的轉(zhuǎn)換。這類圓極化器加工簡單，易于調(diào)試，應(yīng)用也比較廣泛。圖8是介質(zhì)插片圓極化器的工作原理[16]示意圖。

圖8 介質(zhì)插片圓極化器[16]

5 開槽圓波導(dǎo)圓極化器

開槽圓波導(dǎo)圓極化器是在圓波導(dǎo)壁上沿波導(dǎo)軸向開一組耦合凹槽或正對(duì)的兩組耦合凹槽，如圖9所示。每個(gè)耦合凹槽相當(dāng)于一段終端短路的矩形波導(dǎo)。圓波導(dǎo)內(nèi)與耦合凹槽口面法線呈45°角的線極化波，通過開有凹槽的圓波導(dǎo)段后轉(zhuǎn)換為極化正交、相位差90°的兩個(gè)線極化波，從而實(shí)現(xiàn)線極化波到圓極化波的轉(zhuǎn)換。圖9(a)所示的單組開槽結(jié)構(gòu)適用于小波導(dǎo)口徑的情況。圖9(b)所示的雙組開槽結(jié)構(gòu)適用于大波導(dǎo)口徑、軸向長度短的情況。由于耦合槽位于圓波導(dǎo)的波導(dǎo)壁上，與插在波導(dǎo)內(nèi)的介質(zhì)片式圓極化器相比，開槽圓波導(dǎo)圓極化器的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)加工誤差不太敏感，適合用于 Ka頻段或更高的工作頻段。

6 切角方波導(dǎo)圓極化器

由矢量分解原理可知，圖10所示的方波導(dǎo)中的電場E1或E2可以分解為E∥和E丄兩個(gè)正交分量的疊加。適當(dāng)優(yōu)化參數(shù)b和過渡截面的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)正交分量的相位差90°和端口的理想匹配。由圖10可知，該圓極化器結(jié)構(gòu)簡單，但工作頻帶有限。

圖9 開槽圓波導(dǎo)圓極化器

文獻(xiàn)[21]通過一個(gè)波導(dǎo)端頭的縫隙激勵(lì)圖10所示的圓極化器，設(shè)計(jì)了一種小尺寸的圓極化開口波導(dǎo)天線。其軸比小于3dB、反射損耗小于－10dB的帶寬約為15%。

圖10 切角方波導(dǎo)圓極化器

7 橢圓波導(dǎo)圓極化器

在高功率微波(HPM)應(yīng)用中，波導(dǎo)型圓極化器具有明顯的優(yōu)勢。前文介紹的幾種圓極化器，由于微波傳輸路徑邊界條件的不連續(xù)，在吉瓦(GW)級(jí)的HPM應(yīng)用條件下，容易引起擊穿，不利于GW級(jí)HPM的傳輸。橢圓波導(dǎo)圓極化器是利用自身的漸變結(jié)構(gòu)完成線極化波到圓極化波的轉(zhuǎn)換，且波導(dǎo)內(nèi)不需要增加任何金屬片或介質(zhì)插片。圖11是橢圓波導(dǎo)圓極化器的結(jié)構(gòu)示意圖，它主要由圓波導(dǎo)、圓波導(dǎo)到橢圓波導(dǎo)的過渡波導(dǎo)和橢圓波導(dǎo)組成。

橢圓波導(dǎo)圓極化器的工作原理是:首先，當(dāng)極化方向與橢圓波導(dǎo)的長軸呈45°角的線極化信號(hào)從一端的圓波導(dǎo)饋入后，在圓波導(dǎo)內(nèi)激勵(lì)出與橢圓波導(dǎo)的長軸呈45°角的TE11模，該TE11模電磁波經(jīng)過圓波導(dǎo)到橢圓波導(dǎo)的過渡段后分解為兩個(gè)幅度相等、極化正交的TE11模分量；然后，由于這兩個(gè)正交分量在橢圓波導(dǎo)內(nèi)傳輸常數(shù)的不同，經(jīng)橢圓波導(dǎo)和橢圓波導(dǎo)到圓波導(dǎo)過渡段后，兩個(gè)正交分量產(chǎn)生90°的相位差；最后，兩個(gè)正交極化的TE11模分量在圓波導(dǎo)內(nèi)合成，形成所需要的圓極化波。

圖11 橢圓波導(dǎo)圓極化器

由于橢圓波導(dǎo)的短軸直徑和圓波導(dǎo)的直徑相同，這種圓極化器的功率容量取決于圓波導(dǎo)的口徑參數(shù)。文獻(xiàn)[22]研制的圓極化器在工作頻率9～10GHz范圍內(nèi)，軸比小于1dB，駐波比小于1.1。

8 隔板式圓極化器

隔板式圓極化器是在方波導(dǎo)口內(nèi)插入不對(duì)稱的階梯膜片形成的三端口器件，其結(jié)構(gòu)如圖12所示。方波導(dǎo)口端是圓極化電磁波的輸入或輸出端，另一端的兩個(gè)相同的矩形波導(dǎo)口分別對(duì)應(yīng)于右旋圓極化波和左旋圓極化波的線極化信號(hào)的輸入或輸出端。隔板式極化器由三個(gè)部分組成:方波導(dǎo)部分、階梯狀隔板部分、分支波導(dǎo)部分。

隔板式圓極化器的相對(duì)帶寬可以做到20%左右。這種圓極化器與前面介紹的雙端口圓極化器相比較，其主要特點(diǎn)是不需要外加正交模變換器就能夠?qū)崿F(xiàn)左、右旋雙圓極化的同時(shí)工作。

隔板式圓極化器由于結(jié)構(gòu)緊湊、易于加工、體積小和重量輕等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于左、右旋同時(shí)接收或收、發(fā)共用的雙圓極化饋源中。

圖12 隔板式圓極化器

9 結(jié)束語

由不同結(jié)構(gòu)形式的波導(dǎo)圓極化器的對(duì)比可知，四脊方波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的圓極化器工作帶寬最寬(60%)，螺釘型圓極化器的結(jié)構(gòu)最簡單，開槽圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的圓極化器可適用于更高的工作頻率，橢圓波導(dǎo)圓極化器的功率容量最高。隔板式圓極化器結(jié)構(gòu)簡單，且可同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙圓極化工作，但工作頻帶只有20%左右。

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聲 明

為適應(yīng)我國信息化建設(shè)，擴(kuò)大本刊及作者學(xué)術(shù)交流渠道，本刊已被《中國科技論文與引文數(shù)據(jù)庫(CSTPCD)》、《CNKI系列數(shù)據(jù)庫》、《萬方數(shù)據(jù)——數(shù)字化期刊群》收錄，作者著作權(quán)使用費(fèi)與本刊稿酬一次性給付。如作者不同意文章被收錄上述數(shù)據(jù)庫，請?jiān)趤砀鍟r(shí)聲明，本刊將做適當(dāng)處理。

《遙測遙控》編輯部

Waveguide Circular Polarizer Technology

Ding Xiaolei， Meng Mingxia

The present of waveguide circular polarizer is given in this paper.The structure characters of all kinds of waveguide polarizers are reviewed.It is valuable for the designer devoting to circular polarizer horn.

Antenna feed system； Circular polarization； Waveguide circular polarizer

TN820.2

A

CN11-1780(2014)04-0010-06

2014-05-12

丁曉磊 1971年生，博士，研究員，主要研究方向?yàn)樘炀€理論與技術(shù)。

孟明霞 1984年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樘炀€理論與技術(shù)。