超寬帶波紋波導(dǎo)正交模移相器設(shè)計

寧云煒，陳卯蒸，王　惠

(1.中國科學(xué)院 新疆天文臺，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學(xué)院 射電天文重點實驗室，江蘇 南京 210008)

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超寬帶波紋波導(dǎo)正交模移相器設(shè)計

寧云煒1,2，陳卯蒸1,2，王惠1,2

(1.中國科學(xué)院 新疆天文臺，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學(xué)院 射電天文重點實驗室，江蘇 南京 210008)

圓極化器是射電望遠(yuǎn)鏡天線饋線系統(tǒng)的重要器件，其作用是把反射面天線接收的圓極化波變成2個垂直的線極化波。超寬帶圓極化器由正交模耦合器和移相器組成。通過網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的方法和有限元數(shù)值分析相結(jié)合的方法對正交模移相器進行了研究。對方波導(dǎo)高次模精確分析，選擇合適的方波導(dǎo)口徑。利用HFSS電磁仿真軟件，對波紋波導(dǎo)正交模移相器各個參數(shù)對圓極化器的影響進行分析。仿真結(jié)果表明，在30～50 GHz頻率范圍內(nèi)，相移特性達到90°±6.7°，交叉極化和正交隔離度優(yōu)于-65 dB。

正交模移相器；波紋波導(dǎo)；超寬帶

0　引言

毫米波和超寬帶是現(xiàn)代射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)展的趨勢。中國科學(xué)院新疆天文臺正在進行的7 mm超寬帶制冷接收機項目，頻率帶寬為30～50 GHz，相對帶寬為50%，是世界上目前為止在Q波段帶寬最寬的射電天文接收機。正交模移相器是射電望遠(yuǎn)鏡天線饋線的重要器件，它和正交模耦合器連接了反射面天線的饋源和接收機。正交模移相器的相移差直接決定了反射面天線的軸比。7 mm接收機的圓極化器相對帶寬達到50%，且對相位差要求較高，因此結(jié)構(gòu)相對簡單的傳統(tǒng)窄帶極化器[1-2]、金屬隔板圓極化器[3-4]和介質(zhì)插片極化器[5-6]都無法達到要求。常見的波紋方波導(dǎo)正交模移相器在軸比<0.4 dB時，相對帶寬<10%[7-8]；在軸比<1.2 dB時，相對帶寬都<50%。正交模移相器的軸比(或相位差)對相對帶寬非常敏感。工作帶寬擴大，軸比(或相位差)會迅速惡化[9-10]。

本文通過對波紋波導(dǎo)各個參數(shù)進行分析，設(shè)計出高性能的波紋波導(dǎo)正交模移相器，在50%相對帶寬范圍內(nèi)，仍然能保持良好的相位差及正交隔離度特性，為未來新疆110 m射電天線望遠(yuǎn)鏡(Qitai Radio Telescope，QTT)項目提供了技術(shù)積累。

1　波紋波導(dǎo)圓極化器設(shè)計

波紋波導(dǎo)正交模移相器廣泛應(yīng)用于寬帶圓極化天線，波紋方波導(dǎo)與波紋圓波導(dǎo)相比，有2個優(yōu)點：① 波紋方波導(dǎo)更容易加工；② 圓波導(dǎo)進行多模傳輸時，不僅存在模式簡并，還有極化簡并，會使傳輸造成不穩(wěn)定。因此，采用波紋方波導(dǎo)來設(shè)計正交模移相器。

波紋方波導(dǎo)正交模移相器的工作原理如圖1所示，其工作在2個垂直的主模：TE10模和TE01模。波紋結(jié)構(gòu)對TE10模呈電容性不連續(xù)，對TE01模呈感性不連續(xù)，這使TE10模相速減小，TE01模相速增加。經(jīng)過多節(jié)波紋結(jié)構(gòu)，相互正交的TE10模和TE01模的差相移達到90°，就產(chǎn)生了圓極化波。

圖1　波紋波導(dǎo)極化器原理

1.1設(shè)計方法

波紋波導(dǎo)正交模移相器一般是通過網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)模型來分析波導(dǎo)內(nèi)的周期結(jié)構(gòu)加載，就是利用一個傳輸矩陣來表示一個不連續(xù)性的加載，最后級聯(lián)成整體傳輸矩陣，求出相移量和S參數(shù)。2個互相垂直的主模的傳輸矩陣分別為：

(1)

(2)

TEn10和TE n01分別為第n對波紋不連續(xù)的傳輸矩陣：

(3)

(4)

圓極化器2個主模的S參數(shù)分別為：

(5)

(6)

相位差為：

(7)

令

(8)

則軸比

(9)

網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)方法的優(yōu)點是數(shù)學(xué)模型簡單明了，但也有極其明顯的缺點，如：① 波導(dǎo)橫截面的不連續(xù)性不能僅僅用阻抗變化來表示，當(dāng)頻率比較低的時候，所造成的誤差可以忽略。但是在毫米波段，這個誤差會對極化器的性能產(chǎn)生很大的影響。② 波紋波導(dǎo)的不連續(xù)性會產(chǎn)生高次模，而網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)無法分析出波紋間高次模所造成的影響，所以網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)法的分析結(jié)果不是很準(zhǔn)確。數(shù)值法可以彌補網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)方法的不足，但是數(shù)值法計算非常復(fù)雜，靠人工是無法完成。

本設(shè)計采用二者結(jié)合的方法，先采用網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的辦法，估算出波紋波導(dǎo)極化器各個參數(shù)的初值，然后利用三維電磁仿真軟件HFSS對波紋波導(dǎo)極化器進行建模，并對各個參數(shù)進行優(yōu)化。

1.2參數(shù)優(yōu)化及設(shè)計

波紋方波導(dǎo)正交模移相器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　波紋方波導(dǎo)正交模移相器結(jié)構(gòu)

1.2.1波紋方波導(dǎo)的口徑選擇

波紋方波導(dǎo)的口徑長度是設(shè)計正交模移相器首先要確定的參數(shù)。由于金屬波導(dǎo)的傳輸特性，電磁波在金屬波導(dǎo)會以一系列的離散模式傳播。為了保證金屬波導(dǎo)無源器件的性能，一般要求金屬波導(dǎo)只能傳輸主模，而抑制其他高次模[11-12]。金屬波導(dǎo)口徑越小，越有利于抑制高次模。但是金屬波導(dǎo)口徑越小，移相差曲線在低頻端的斜率越大，導(dǎo)致相位差性能惡化。因此必須精確計算波導(dǎo)口徑的長度，使金屬波導(dǎo)在能抑制高次模的基礎(chǔ)上，波導(dǎo)口徑盡可能地大。根據(jù)波導(dǎo)傳播特性計算出的口徑大小和傳輸模式的關(guān)系，如表1所示。

表1　方波導(dǎo)口徑所對應(yīng)的各模式截止頻率　(GHz)

由于波紋波導(dǎo)是對稱結(jié)構(gòu)，因此能在波紋波導(dǎo)激勵的高次模為TE2n+1,2n。對照表1，波紋方波導(dǎo)里傳播的第1個高次模為TE21、TM21、TE12和TM12模。本設(shè)計2個主模的工作頻率帶寬為30～50 GHz，因此要保證第1個高次模的截止頻率大于50 GHz。極化器所連接的正交模耦合器方波導(dǎo)口徑長度為5.69 mm，因此波紋方波導(dǎo)正交模移相器的口徑長度選擇為b=6.69 mm。

1.2.2波紋參數(shù)的設(shè)計

波紋參數(shù)包括波紋對數(shù)n、波紋高度(b-bn)/2、波紋寬s、波紋間距w、過渡段的形狀和過渡段到方波導(dǎo)端口的距離e，如圖2所示。

波紋對數(shù)是波紋參數(shù)首先要確定的值，波紋對數(shù)越多，正交模移相器波紋的高度越低，正交模移相器的回波損耗性能越好，而且相位差曲線越平緩，軸比性能越好。但是隨著波紋對數(shù)的增加，極化器的長度會變長，波紋高度變小，且波紋高度的誤差對相位差的影響越大，也就是說對加工精度要求越高。通過對波紋對數(shù)的仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)波紋對數(shù)n<30時，波紋對數(shù)對正交模移相器性能影響較大；當(dāng)n>30時，波紋對數(shù)對極化器的性能影響很小。因此，選定膜片對數(shù)n=30。

(3) 測試人員——一般由城市軌道交通建設(shè)管理單位牽頭組織，供電系統(tǒng)施工單位與直流開關(guān)柜廠家具體實施，城市軌道交通運營管理單位、供電系統(tǒng)設(shè)計及監(jiān)理單位參與見證，車輛廠家現(xiàn)場保駕。

波紋高度(b-b6)/2、波紋寬度s和波紋間距w這3個波紋參數(shù)對極化器的相位差曲線同時都有影響，設(shè)計時應(yīng)該綜合考慮。利用HFSS對3個參數(shù)分別進行仿真。波紋高度越小，正交模移相器的回波損耗特性越好，相位差曲線越平坦，軸比性能越好，但是減小波紋高度，必須增加波紋對數(shù)相位差才能達到90°。波紋寬度越小，相位差曲線越平坦，但是加工難度越大；波紋間距對相位差曲線影響不大，但是波紋寬度與波紋間距的比值對相位差曲線有影響，比值越小，相位差曲線越平坦，軸比性能越好。然而這個比值過于小時，會急劇惡化極化器的駐波比帶寬。最后，通過HFSS仿真優(yōu)化得出最佳值：波紋高度(b-b6)/2=0.33 mm，波紋寬度s=0.2 mm，波紋間距w=1.55 mm。

當(dāng)波紋對數(shù)比較少，波紋高度比較高時[13]，過渡段的形狀對正交模移相器的回波損耗影響較大[14-15]。常用的過渡段的形狀主要有線形、正弦(余弦)形和傳統(tǒng)對數(shù)形等等，一些新的比較復(fù)雜的形狀也陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)[16-17]。因為，本設(shè)計的波紋對數(shù)n=30,波紋高度只有方波口徑長度的1/20，通過仿真發(fā)現(xiàn)，此時過渡段的形狀對正交模移相器的回波損耗性能影響很小，采用復(fù)雜的形狀反而會提高加工難度，因此，本設(shè)計采用最簡單的線形形狀，兩邊各5對。過渡段波紋的高度為(b-b6)×n/6,(n=1，2，3，4，5)。

波紋產(chǎn)生的不連續(xù)性會產(chǎn)生大量高次模，由方波導(dǎo)的口徑選擇，產(chǎn)生的高次模都是凋落模，凋落模的抑制需要一定的距離，一般最少為1/4的波導(dǎo)波長。過渡段到方波導(dǎo)端口的距離就是抑制凋落模所需的長度，e=5 mm。

整個波紋方波導(dǎo)極化器模型如圖3所示。

圖3　波紋方波導(dǎo)極化器模型

2　仿真結(jié)果分析

波紋波導(dǎo)正交模移相器的相位差曲線如圖4所示。在50%的相對帶寬下(30～50 GHz),相位差小于90°±6.7°，由式(9)軸比相位差換算，軸比優(yōu)于1 dB。

圖4　相位差曲線

圖5　回波損耗曲線

波紋波導(dǎo)正交模移相器2個主模的回波損耗如圖5所示，回波損耗優(yōu)于-34 dB。波紋波導(dǎo)極化器對高次模的抑制如圖6所示。

圖6　高次模抑制曲線

由表1和波紋方波導(dǎo)口徑選擇可知，波紋波導(dǎo)不連續(xù)的對稱結(jié)構(gòu)，使其所激勵的離主模工作帶寬最近的高次模是TE21、TM21、TE12和TM12模。圖6中2條曲線分別代表了4個高次模的插入損耗(都低于-60 dB)，說明極化器對所激勵的高次模有良好的抑制作用，這證明通過合理選擇方波導(dǎo)口徑在使相位差曲線最優(yōu)化的同時使波紋波導(dǎo)產(chǎn)生的高次模成為凋落模，并合理選擇過渡段到方波導(dǎo)端口的長度，使波紋波導(dǎo)對凋落模衰減的方法是很有效的。

圖7　交叉極化和正交隔離度曲線

正交隔離度是指正交模移相器輸出的2個互相垂直的線極化主模信號的隔離度。交叉極化是指正交模移相器輸入的線極化信號，經(jīng)過不連續(xù)性后，會在與它垂直方向產(chǎn)生交叉極化分量。這2個指標(biāo)決定了圓極化器2個互相垂直的線極化信號互相干擾的程度。由圖7所示，正交隔離度優(yōu)于-70 dB，交叉極化優(yōu)于-67 dB，說明正交模移相器的2個垂直的信號互相干擾的程度非常小。

3　結(jié)束語

正交模移相器的相位差曲線是一個二次曲線，因此受相對帶寬的影響很大，尤其是在寬帶應(yīng)用中。通常正交模移相器的輸入端口尺寸要大于正交模耦合器端口尺寸。因為增加端口尺寸有利于極化器相位曲線的帶內(nèi)平坦尤其是在低頻端，但是增加端口尺寸又不利于高次模的抑制。本文精確地分析了方波導(dǎo)端口尺寸對高次模的影響，在良好抑制高次模的基礎(chǔ)上，最大限度地減小相位差。設(shè)計的波紋方波導(dǎo)移相器工作頻帶寬，功率容量大，可靠性強，一次加工成形，不需要調(diào)試，非常適合工程應(yīng)用。設(shè)計過程對于QTT其他波段的天線饋線系統(tǒng)設(shè)計也有著重要的參考意義。

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寧云煒男，(1980—)，碩士，工程師。主要研究方向：微波毫米波天線與電路系統(tǒng)。

陳卯蒸男，(1975—)，碩士，高級工程師。主要研究方向：射電天文接收機。

Design of Ultra Wideband Corrugated WaveguideOrthogonal Phase Shifter

NING Yun-wei1,2,CHEN Mao-zheng1,2,WANG Hui1,2

(1.Xinjiang Observatory,Chinese Academy of Sciences,Urumqi Xinjiang 830011,China;2.KeyLaboratoryofRadioAstronomy,ChineseAcademyofSciences,NanjingJiangsu210008,China)

Circular polarizer is an important device of a radio telescope antenna feeder system,its role is to convert the circular polarized wave received by the reflector into two mutually perpendicular linear polarized waves.The ultra wideband circular polarizer is composed of orthogonal mode transducer and phase shifter.The article studies the orthogonal mode phase shifter through the network cascade method and finite element numerical analysis method.The high modes of the square waveguide are analyzed accurately and the appropriate square waveguide caliber is selected.Using HFSS electromagnetic simulation software,the effects of parameters of the corrugated waveguide orthogonal mode phase shifter on the circular polarizer are analyzed.The simulation results show that phase shift characteristics is better than 90°±6.7°,and the orthogonal isolation is better than -65 dB within the bandwidth of 30 GHz to 50 GHz.

orthogonal phase shifter;corrugated waveguide;ultra wideband

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.16

2016-06-21

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2015CB857100)；國家自然科學(xué)基金資助項目(U1431230)；“西部之光”后續(xù)支持項目(2015-HXZC-01)。

TN823.28

A

1003-3106(2016)09-0061-05

引用格式：寧云祎,陳卯蒸,王惠.超寬帶波紋波導(dǎo)正交模移相器設(shè)計[J].無線電工程,2016,46(9):61-65.