EHF頻段隔板圓極化器的設計與工藝實現(xiàn)

阮云國，杜 彪，孟則宇

(中國電子科技集團公司第五十四所，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著衛(wèi)星通信和5G移動通信的快速發(fā)展，Ka/EHF雙頻共用天線逐步成為近年多頻共用天線領域的研究熱點，該種天線可以為衛(wèi)通通信系統(tǒng)提供更寬的頻帶，更高的傳輸速率，用以支撐無人機、艦船等各種移動載體通過衛(wèi)通鏈路高效的傳輸信息[1]。因此進行相關(guān)研究，對我國的下一代衛(wèi)星通信發(fā)展，具有重要意義。

Ka/EHF天線一般是雙圓極化工作，需要在饋源網(wǎng)絡中配置圓極化器。圓極化器有多種形式，常用的有波紋波導圓極化器[2]、四脊圓極化器[3]、介質(zhì)片圓極化器[4]、螺釘圓極化器[5]等，由于天線最高工作頻段為43.5～45.5 GHz，介質(zhì)片極化器會有較大損耗，螺釘極化器性能無法保證，四脊和方波導極化器工藝實現(xiàn)較復雜，因此需尋求一種更適合的圓極化器?？紤]到天線只需要左、右旋圓極化輸出，且相對帶寬只有4.5%，因此結(jié)構(gòu)緊湊的隔板圓極化器是比較好的選擇。

隔板圓極化器是射電天文和衛(wèi)星通信天線中常用的微波器件，特點是將正交模耦合器(OMT)和圓極化器的功能合二為一，既可以實現(xiàn)線極化波和圓極化波的轉(zhuǎn)換，又可以進行線極化的正交分離，具有低損耗、低交叉極化的優(yōu)點。隔板圓極化器的原型設計最早由M.H.Chen提出[6]，經(jīng)過多年的發(fā)展，其原理設計已經(jīng)相當成熟，但通過查閱國內(nèi)外文獻發(fā)現(xiàn)[7-8]，類似的研究大多針對Ku頻段以下的應用，而對于毫米波波段的研究則相對較少，且以往的研究側(cè)重于器件的電性能改善，很少對其工藝實現(xiàn)進行研究。

1 工作原理

隔板圓極化器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a)三維結(jié)構(gòu)

(b)尺寸參數(shù)

隔板圓極化器是3端口器件，輸出端口為方波導或圓波導、輸入端口為2個矩形波導。當2個矩形波導連接到一個具有階梯脊的方波導上時，方波導中2個正交的TE01和TE10模就會有不同的傳播常數(shù)，對于TE10模在隔板區(qū)域其傳輸常數(shù)幾乎不變，而對于TE01模，其傳輸常數(shù)受隔板結(jié)構(gòu)尺寸的影響，調(diào)整階梯脊的高度、長度和厚度參數(shù)，使2個正交模式通過階梯脊后的相位差正好為π/2時，矩形波導輸入的線極化波就會在方波導內(nèi)轉(zhuǎn)化成圓極化波，繼而使其具有極化轉(zhuǎn)換功能[9]。

2 設計與優(yōu)化

隔板圓極化器的隔板階梯數(shù)一般為3～5階，隨著階數(shù)的增加，工作帶寬可以相應的提高，但是大于六階之后，帶寬增加量將會非常小，因此相對帶寬在10%以內(nèi)時，隔板階數(shù)一般選擇四階。四階隔板圓極化器的初始參數(shù)已由文獻[10-13]給出，其中方波導口徑與隔板階梯的尺寸都是和波長有關(guān)的參數(shù)。具體參數(shù)如下：方波導口徑尺寸：a=0.605λ，極化片厚度δ=0.03λ；隔板階梯參數(shù)：L1= 0.315λ，S1=0.053λ，S2=0.132λ，L2= 0.245λ，L3= 0.252λ，L4= 0.258λ，S4=0.322λ，L5=0.091λ，S5=0.487λ。

按文獻給定參數(shù)設計的隔板圓極化器只是一個初始模型，由于未考慮方波導到脊波導階梯的轉(zhuǎn)換，脊波導到矩波導分支的轉(zhuǎn)換，電氣性能指標一般不能滿足工程應用要求，須進一步優(yōu)化，以期達到更小駐波反射系數(shù)，更大的端口隔離，更接近90°的相位差。具體實施中，可以借助商業(yè)電磁仿真軟件CST或HFSS進行優(yōu)化[14-15]，其中優(yōu)化目標為端口駐波、端口隔離、90°相位差；優(yōu)化對象是影響使用帶寬的方波導口徑、影響相位差的隔片階梯的齒高和齒長。根據(jù)優(yōu)化目標和優(yōu)化對象在軟件HFSS中建立仿真模型如圖2所示。經(jīng)過仿真優(yōu)化，計算結(jié)果如圖4，圖5和圖6所示。這時對應的隔板圓極化器參數(shù)如下：a=4.326 mm，δ=0.3 mm，L1= 2.254 mm，S1=0.375 mm，L2= 1.751 mm，S2=0.949 mm，L3= 1.798 mm，S3=1.628 mm，L4= 1.846 mm，S4=2.301 mm，L5= 0.651 mm，S5=3.475 mm。

圖2 隔板圓極化器仿真模型

從計算結(jié)果可以看出，全頻段內(nèi)回波損耗小于-25 dB，端口隔離小于-24 dB，相位差只有90°±3°。從優(yōu)化后的參數(shù)上看，隔板極化器的方波導口徑、隔片階梯尺寸都有所變化，說明優(yōu)化后的結(jié)果更能滿足電氣指標要求。

3 參數(shù)容差分析

當極化器工作于毫米波波段時，器件某些參數(shù)的細微變化就可能嚴重惡化電氣指標，造成器件性能不滿足設計要求[16-17]。為避免此類情況發(fā)生，一般要對器件結(jié)構(gòu)參數(shù)做容差分析，即敏感參數(shù)分析。具體做法是：刻意給予器件結(jié)構(gòu)參數(shù)一些偏離，通過分析這些參數(shù)對計算結(jié)果的影響量，來確定參數(shù)是否為敏感參數(shù)。在對EHF頻段隔板極化器多個參數(shù)分析后，發(fā)現(xiàn)隔片在方波導中的位置不同于其他參數(shù)，該參數(shù)的分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 參數(shù)敏感度分析結(jié)果

從隔板圓極化器傳輸參數(shù)S31的計算結(jié)果可以看出，當隔板偏離中心一個很小尺寸時，信號傳輸就會有很大的變化，證明該參數(shù)具有一定的敏感性。需要在實際加工制造過程中給予足夠的重視，必要時應采取一定的工藝措施予以避免。

4 加工與制造

隨著微波器件應用頻段越來越高，微波器件的工藝制造方法也越發(fā)受到關(guān)注。隔板圓極化器的方波導尺寸為4.326 mm，能容許的尺寸公差小于0.005 mm，雖然單個零件的機械加工精度還可以實現(xiàn)，但裝配后的精度卻是較難達到。對器件結(jié)構(gòu)進行分析，發(fā)現(xiàn)裝配中存在2個問題，一是裝配后如何保證所有的貼合面完全接觸，二是隔片較薄，裝配后如何保證其不變形，且能置于中心位置，鑒于上述2個難點本文提出了2種工藝解決方案，分別是精密電鑄和真空爐釬焊。

精密電鑄是利用電沉積方法，在作為陰極的原型上進行加厚電鍍，從而復制出與原型一樣的制品[18-19]。隔板圓極化器的電鑄，首先將器件內(nèi)腔原型加工出來，此過程要保證內(nèi)芯的光潔度和尺寸精度，然后將其放入電鍍池中，通過控制電流的強弱，使內(nèi)芯的周圍生長出金屬銅，當殼體達到一定的厚度，用溶液祛除內(nèi)芯。使用該方法加工的器件實物如圖4(左)所示。

真空爐釬焊是目前復雜微波器件常采用的工藝方法，先將需要焊接的零件用高精度銑床加工好，然后把涂抹好專用焊料的零件放入真空爐中進行焊接[20 ]。對于設計者來說，并不需要掌握具體的焊接操作，但要對焊接件進行零件拆分。根據(jù)隔板圓極化器的結(jié)構(gòu)特點，有2種拆分方法可選：一是將器件拆分為腔體、隔片、腔體蓋板3個零件；另一種是將其拆分為帶有隔片的腔體和腔體蓋板2個零件.對于前者，由于3個零件是分離的，較難保證焊接后隔片能準確處于中心位置；對于后者，隔片和腔體是一體加工，雖然增加了機加工的難度，但可以保證隔片的位置，權(quán)衡之后本文選擇后一種加工方案。采取真空爐釬焊方式的加工實物如圖4(右)所示。

圖4 電鑄與焊接加工隔板極化器實物

5 測試與分析

EHF頻段圓極化器加工裝配完成后，利用矢量網(wǎng)絡分析儀與BJ400的定向耦合器組成的測試系統(tǒng)進行了電性能測試，測試結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 隔板極化器相位差結(jié)果對比

圖6 隔板極化器回波損耗結(jié)果對比

圖7 隔板極化器端口隔離度結(jié)果對比

從實測結(jié)果可以看出，回波損耗小于-21.8 dB，端口相位差為90°±3°，實測結(jié)果與仿真計算結(jié)果基本吻合，端口隔離-22 dB，與仿真結(jié)果有一定的偏差，在機加工和焊接的過程中形位公差沒有控制好。

6 結(jié)束語

本文詳細介紹了一種EHF頻段毫米波隔板圓極化器的優(yōu)化設計和工藝制造過程，其中計算機輔助分析方法發(fā)揮了重大作用，它不僅提前預估了器件性能，而且又對器件的敏感參數(shù)進行了分析。采用2種工藝方案對優(yōu)化后的隔板圓極化器進行加工，測試結(jié)果與仿真計算結(jié)果基本吻合。驗證了本文針對隔板圓極化器的設計方法與加工工藝方法的正確性與有效性。