K波段寬帶圓極化器設(shè)計(jì)*

王海倫，李 斌

(中國科學(xué)院上海天文臺，上海 200030)

K波段寬帶圓極化器設(shè)計(jì)*

王海倫，李 斌

(中國科學(xué)院上海天文臺，上海 200030)

設(shè)計(jì)了一個(gè)K波段圓極化器，其工作頻率為18至26.5 GHz。K波段包含多條重要的射電天文分子譜線，此波段圓極化器的研制對于天文觀測與科學(xué)研究有極其重要的意義。圓極化器用于將線極化波轉(zhuǎn)換為圓極化波以便于射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測。包括其工作原理、設(shè)計(jì)要點(diǎn)、模型仿真結(jié)果等內(nèi)容。主要著眼于正交模式轉(zhuǎn)換器與移相器這兩個(gè)圓極化器中的重要器件，通過工作原理分析以及電磁仿真的方法進(jìn)行器件的具體設(shè)計(jì)并得出仿真結(jié)果。仿真結(jié)果各個(gè)端口回波損耗均小于-20 dB，且移相器的移相誤差小于3.3°。

圓極化器；正交模式轉(zhuǎn)換器；移相器；K波段

射電天文使用大口徑天線收集遙遠(yuǎn)射電源發(fā)出的微弱信號，并在天線光路焦點(diǎn)處通過特定波段的饋源將信號饋入接收系統(tǒng)，緊接著極化器將信號進(jìn)行正交分解，保留射電信號的全部信息。本文涉及的K波段圓極化器工作頻率18～26.5 GHz，覆蓋了WR42標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的全頻帶，蘊(yùn)含著射電天文多條重要分子譜線，如氨分子、水脈澤、甲醇脈澤等，對于天文觀測和科學(xué)研究有著極其重要的意義。

極化的射電源信號可用兩個(gè)正交極化信號將其分解，若要完整地接收射電信號，兩個(gè)正交的極化分量缺一不可。使用水平與垂直極化接收信號的接收機(jī)為雙線極化接收機(jī)，使用左旋與右旋圓極化接收信號的接收機(jī)為雙圓極化接收機(jī)。保持指向源的方向繞軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓極化接收機(jī)對于任何形式信號的響應(yīng)強(qiáng)度不變，而線極化接收機(jī)則會根據(jù)信號極化方式及方向的不同產(chǎn)生變化。因此圓極化接收機(jī)對于極化方式多樣的射電源信號更為適用。然而，就饋源而言，可直接接收圓極化信號的饋源種類很少，僅螺旋天線、平面螺旋天線等，且此類天線均只能接收左旋或右旋的圓極化信號，無法同時(shí)接收左旋和右旋信號。常見的解決方法為使用線極化天線接收雙線極化信號，再通過后續(xù)的圓極化器將其轉(zhuǎn)化為雙圓極化信號。

圓極化器常用的方案是使用隔板移相器[1]或者移相器與正交模式轉(zhuǎn)換器(簡稱OMT， 下同)的組合。隔板移相器結(jié)構(gòu)簡單，多數(shù)在1.25∶1的占寬比內(nèi)使用。本文涉及的K波段圓極化器占寬比達(dá)到1.47∶1，因此采用移相器與正交模式轉(zhuǎn)換器組合方案，主要包括90°移相器、45°扭波導(dǎo)和正交模式轉(zhuǎn)換器3個(gè)器件。圖1展示了圓極化器的系統(tǒng)組成及其在接收機(jī)中的位置。本文重點(diǎn)在于90°移相器以及正交模式轉(zhuǎn)換器這兩個(gè)較為復(fù)雜的器件。希望達(dá)到的設(shè)計(jì)指標(biāo)是：各器件各端口回波損耗小于-20 dB，移相器移相誤差小于3.3°。

圖1 圓極化器系統(tǒng)框圖

1 圓極化器工作原理

設(shè)天線收到兩個(gè)正交的圓極化信號的合成信號，且以直角坐標(biāo)系的線極化形式表示：

(1)

在移相器處進(jìn)行移相操作，使得y方向的電磁波與x方向電磁波有四分之一波長的相位差，則上述信號經(jīng)過移相器后：

E2=A(ex→ejωt+ey?ejωt)+B(ex→ejωt-ey?ejωt)

=Aejωt(ex?+ey?)+Bejωt(ex?-ey?)，

(2)

再經(jīng)過45°扭波導(dǎo)時(shí)，x方向的信號與y方向的信號分別被平分再合成，如圖2。

為描述方便，將經(jīng)過扭波導(dǎo)后的兩正交模式方向向量定義為

(3)

則上述信號可表示為如下形式：

(4)

隨后信號進(jìn)入正交模式轉(zhuǎn)換器。兩個(gè)正交模式的信號被分開，即得到：

(5)

此結(jié)果即圓極化信號的左旋圓極化分量與右旋圓極化分量。

2 移相器

90°移相器以兩路模式正交的電磁波作為輸入，當(dāng)其輸出時(shí)兩者間相位相差90°。此器件用以將圓極化波轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的線極化波。波紋波導(dǎo)型的移相器是常見的寬帶移相器形式，有雙壁波紋[2]和四壁波紋[3]兩種。因?yàn)椴y的加入，波導(dǎo)的傳輸環(huán)境改變，從而使得電磁波傳播波數(shù)改變，在傳輸路徑實(shí)際長度不變的情況下，其傳輸電長度改變，因而就有了相位差。通過波紋的設(shè)計(jì)可以使得兩個(gè)正交模式的電磁波波數(shù)不同從而產(chǎn)生所需的相位差。

四壁波紋的移相器可以得到比雙壁波紋移相器更優(yōu)秀的性能和帶寬，比如文[2]采用的就是四壁波紋的移相器。但實(shí)際雙壁波紋移相器已經(jīng)可以滿足要求，且設(shè)計(jì)和加工更為簡單方便，因此本文采用了雙壁波紋移相器。

圖2 扭波導(dǎo)的信號變化

理想情況下，移相器的軸比可用下述公式描述：

(6)

式中θ表示兩個(gè)模式的相位差。根據(jù)上式若要滿足軸比小于0.5 dB，則需使得90°移相器的相移誤差小于3.3°。

在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)使用0.42英寸邊長的波導(dǎo)口難以設(shè)計(jì)出滿足相移誤差小于3.3°要求的移相器。適當(dāng)增大波導(dǎo)口尺寸可使得工作帶寬更寬。但應(yīng)注意，擴(kuò)大波導(dǎo)口的同時(shí)增加了產(chǎn)生高次模的風(fēng)險(xiǎn)，所以最終設(shè)計(jì)的波導(dǎo)口邊長為0.515英寸的非標(biāo)尺寸。移相器前為圓口波導(dǎo)輸出的饋源，后為45°扭波導(dǎo)。因此前后的連結(jié)部件可設(shè)計(jì)成與此移相器相配合的形式，可省去將非標(biāo)0.515英寸端口至標(biāo)準(zhǔn)0.42尺寸端口的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。波紋的構(gòu)建存在兩種形式，可以是波導(dǎo)內(nèi)壁的 “突起”，也可以是 “凹槽”。在實(shí)際設(shè)計(jì)中實(shí)驗(yàn)了這兩種形式，均可達(dá)到移相的效果。但考慮到本器件已將波導(dǎo)口加大，若使用 “凹槽” 形式的結(jié)構(gòu)會使得器件整體尺寸再次加大，因此選用了 “突起” 式的波紋。

圖3～5為移相器內(nèi)腔模型圖以及仿真結(jié)果圖。本文設(shè)計(jì)的移相器可取得相移誤差小于3.0°的移相效果，且回波損耗小于-30 dB。以下仿真結(jié)果由HFSS軟件仿真得出。

圖3 移相器模型圖

圖4 移相器S參數(shù)(仿真結(jié)果)

圖5 移相器相移效果(仿真結(jié)果)

3 正交模式轉(zhuǎn)換器

正交模式轉(zhuǎn)換器用于分離輸入的兩個(gè)正交模式的電磁波，并分別從兩個(gè)矩形波導(dǎo)端口輸出。正交模式轉(zhuǎn)換器有多種形式，針對低頻寬帶使用四脊形的正交模式轉(zhuǎn)換器[4]、 “Boifot節(jié)” 形式的正交模式轉(zhuǎn)換器[5]和旋轉(zhuǎn)節(jié)正交模式轉(zhuǎn)換器[6]。其形式多樣，但設(shè)計(jì)的核心思想一致，即創(chuàng)造出只能接納一個(gè)模式的結(jié)構(gòu)迫使另一模式的電磁波只能從別的路徑傳輸。

針對K波段18～26.5 GHz設(shè)計(jì)要求，本文采用了基于文[7]的改進(jìn)型雙脊波導(dǎo)正交模式轉(zhuǎn)換器[8]。其沒有傳統(tǒng)Boifot節(jié)的 “墊片” 結(jié)構(gòu)，因而更適宜高頻率小尺寸的結(jié)構(gòu)。其 “脊” 在高度及寬度上均為階梯變換型結(jié)構(gòu)，更適宜寬帶設(shè)計(jì)，且可通過增加階梯數(shù)目來達(dá)到更寬的帶寬。圖6為內(nèi)腔模型示意圖。

圖6 正交模式轉(zhuǎn)換器模型圖

從模型圖即可看出此器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分析其工作方式可劃分為數(shù)個(gè)獨(dú)立部分以分別進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)，增加設(shè)計(jì)效率。正交模式轉(zhuǎn)換器的工作方式如下。設(shè)電磁波由方口波導(dǎo)進(jìn)入，先經(jīng)過 “波導(dǎo)-脊波導(dǎo)變換” 結(jié)構(gòu)。橫向電磁波經(jīng)脊波導(dǎo)變換結(jié)構(gòu)進(jìn)行功率分配并在脊兩側(cè)傳輸，后經(jīng)功率合成器合成矩形端口輸出?？v向電磁波由波導(dǎo)傳播模式變?yōu)榧共▽?dǎo)傳播模式，能量集中在雙脊之間，然后變?yōu)檩^ “扁” 的矩形波導(dǎo)，隨后變換為正常尺寸的矩形波導(dǎo)，再經(jīng)過90°轉(zhuǎn)彎后輸出。

根據(jù)其工作方式，可將正交模式轉(zhuǎn)換器劃分為幾部分，比如可以分為 “波導(dǎo)-脊波導(dǎo)變換”、 “節(jié)”、“功率合成器”、 “90°轉(zhuǎn)彎” 這幾部分。其中 “波導(dǎo)-脊波導(dǎo)變換” 在設(shè)計(jì)完成后需要并入 “節(jié)” 結(jié)構(gòu)再進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的正交模式轉(zhuǎn)換器考慮到尺寸等問題， “波導(dǎo)-脊波導(dǎo)變換” 采用了4級階梯變換，以剛好滿足并略優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。在所有部分預(yù)設(shè)計(jì)完成后建立完整模型再次進(jìn)行尺寸優(yōu)化。

由于兩個(gè)模式經(jīng)過的結(jié)構(gòu)并不相同，因此兩個(gè)模式之間有相位差。設(shè)經(jīng)過脊波導(dǎo)后直接輸出的模式為 “模式1”，先分路再合路的模式為 “模式2”。一般而言模式2經(jīng)過的路程更長，因而比模式1的相位落后?？梢栽?端口外增加一定長度的波導(dǎo)使得兩個(gè)模式的相位相同。分別對兩個(gè)模式傳輸路徑長度進(jìn)行簡單的測量和計(jì)算可以得到大概的路程差，再通過仿真可以進(jìn)一步確定具體的路程差。如圖7，通過時(shí)域有限差分法進(jìn)行仿真可以得到時(shí)域信號表示的信號到達(dá)時(shí)間?？煽吹皆谘娱L前兩路輸出時(shí)間不同，而經(jīng)過延長后兩輸出信號幾乎重合。但仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn)下圖進(jìn)行延長后，實(shí)際上只是輸出信號的結(jié)束處重合，起始處并不重合。即信號在時(shí)域的寬度發(fā)生了變化，相位并不能完美地重合。

圖7 正交模式轉(zhuǎn)換器時(shí)域信號

通過進(jìn)一步仿真發(fā)現(xiàn)即使增加一定長度的波導(dǎo)，兩個(gè)模式的相位也無法完全重合。兩個(gè)模式的相位并不是 “平行” 的，如圖8～9。圖8中，虛線為模式2的相位，實(shí)線為模式1的相位。圖9為相位差，圖中包括3種不同的延長長度。

圖8 正交模式轉(zhuǎn)換器兩路輸出信號相位

圖9 正交模式轉(zhuǎn)換器兩路輸出信號相位差

在實(shí)際中進(jìn)行波導(dǎo)延長時(shí)可根據(jù)仿真結(jié)果選擇合適的延長長度以使得整體的相位差異最小。正交模式轉(zhuǎn)換器的具體性能的仿真結(jié)果如圖10～11，由HFSS軟件仿真得出。其插入損耗大于-0.035 dB，回波損耗小于-21 dB，隔離度及交叉極化優(yōu)于-48 dB。

圖10 正交模式轉(zhuǎn)換器的S參數(shù)(仿真結(jié)果)

圖11 正交模式轉(zhuǎn)換器的隔離度、交叉極化(仿真結(jié)果)

4 整體仿真結(jié)果及總結(jié)

圖12～13為移相器、45°扭波導(dǎo)、正交模式轉(zhuǎn)換器的整體仿真結(jié)果。插入損耗為正交模式轉(zhuǎn)換器的一個(gè)矩形端口作為輸入，移相器的方口兩個(gè)正交模式作為輸出。相當(dāng)于輸入一個(gè)線極化波，輸出一個(gè)圓極化波。因此其插入損耗理論最優(yōu)值應(yīng)當(dāng)是-3 dB，即功率平分。輸出的兩個(gè)模式的相位理想情況下應(yīng)當(dāng)相差90°或-90°，以對應(yīng)左旋極化或右旋極化。圖12～14結(jié)果由HFSS軟件仿真得出。

圖12 整體模型的S參數(shù)(仿真結(jié)果)

圖13 整體模型的隔離度(仿真結(jié)果)

由仿真結(jié)果可見，本文設(shè)計(jì)兩個(gè)器件的仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。移相器的各端口回波損耗小于-30 dB，移相誤差小于3.0°；正交模式轉(zhuǎn)換器的各端口回波損耗小于-21 dB。整體仿真結(jié)果工作頻帶內(nèi)大部分區(qū)域小于-20 dB，高頻處(25.7 GHz處)略高，為-19 dB。仿真結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)需求，為日后的實(shí)際生產(chǎn)和測試做好了理論準(zhǔn)備，并積累了一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。接下來的工作在于進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，考慮實(shí)際生產(chǎn)、加工問題并做出一定調(diào)整，并在實(shí)物生產(chǎn)完成時(shí)進(jìn)行測試以更加具體地進(jìn)行評估及分析。

圖14 其中一個(gè)圓極化輸出的兩個(gè)模式的相位差(仿真結(jié)果)

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A Design of a K-Band Circular Polarizer

Wang Hailun, Li Bin

(Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy Scienses, Shanghai 200030, China, Email: imwanghl@163.com)

In this paper we present a design of a circular polarizer working in the K band. More specifically, it works in the frequency range of 18GHz to 26.5GHz. There are many important spectral lines in the K band, so that a design of a circular polarizer working in this band can highly significantly facilitate astronomical observation and scientific research. The circular polarizer is used to transform linearly polarized signals received by a feed to circularly polarized signals for the convenience of radio-telescope observation. We describe the principle, key aspects, simulation results, and other relevant issues about the design. Our descriptions mainly cover two important devices, the orthogonal mode transducer (OMT) and the phase shifter. The OMT is used to separate signals in modes orthogonal to each other, and the phase shifter is used to induce a phase difference of 90 degrees between signals of two such modes. By combining the two devices and a twisted waveguide of square cross sections and a twist angle of 45 degrees, we construct a K-band circular polarizer. Based on the principle and 3D electromagnetic simulations we specify the details of the design. Our simulations show that the losses of the OMT and phase shifter are both less than -20dB, and the error of phase shifting by the phase shifter is less than 3.3 degrees. We finally show some simulation results of the entire system of the circular polarizer.

Circular polarizer; OMT; Phase shifter; K-band

國家自然科學(xué)基金 (11078003)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 (2012AA121603)；上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研計(jì)劃項(xiàng)目 (08DZ1160100) 資助.

2015-01-15；修定日期：2015-02-03

王海倫，男，碩士. 研究方向：微波無源器件. Email: imwanghl@163 com

TN609

A

1672-7673(2015)04-0455-06

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673