一种X频段双圆极化器的设计

李珊珊

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

随着卫星遥感器数目的增加、遥感器分辨率的提高和新型遥感器的在轨运行，星地数据传输问题日渐突出。数据传输速率越来越大，使卫星通信信道的频带资源非常紧张，成为我国传输型对地观测卫星面临的技术挑战之一。在解决数据传输频带受限问题的众多技术途径中，极化复用技术是一种较简单的有效方法。采用极化复用方式，利用双圆极化数传天线，能够提高1倍的频带利用率［1］。

目前，我国遥感卫星的数传系统大多基于X 频段，因此设计用于实现双圆极化特性的X 频段双圆极化器十分重要［1］。本文基于隔片式双圆极化器的设计原理，设计了方波导（又称为矩形波导）和圆波导两种形式的X 频段双圆极化器。方波导双圆极化器采用BJ100标准波导作为输入端，结构为直通型，更为紧凑，且相位差范围在（90°±2°），轴比达到0.5dB，在性能上有明显的优点。另外，针对圆波导双圆极化器的主要参数（不包括馈电部分），进行了调试，获得了较满意的结果，可为圆波导双圆极化器的实现提供参考。

2 隔片式双圆极化器的设计原理

在圆波导或方波导中插入一隔片（隔片为阶梯状），使圆波导或方波导在物理上由二端口网络变成三端口网络。用奇偶模理论来定性其工作原理：从端口1或端口2输入TE10或TE11模信号，通过隔片之后，在公共端口3产生2个正交的电场强度。当2个正交的电场强度满足幅度相等、相位差＋90°或-90°时，就会形成左旋圆极化或右旋圆极化电磁波。这是因为：对于TE10模，在隔片区的传播常数相对于空的方波导几乎没有变化；而对于TE01模，隔片区可以看成是鳍形或脊形波导，其传播常数是隔片上阶梯的高度和长度的函数。调整隔片中每段阶梯的高度和长度，使入射信号在经过整个隔片后产生所需的圆极化电磁波，并保证输入端口具有良好的匹配性，以及输入端口间的高隔离度。

虽然从几何形状上看，双圆极化器是三端口网络，但是从电性能上看，应等效为四端口网络，这因为方波导处的端口有两个模式的波在传输，一个是TE10模，另一个是TE01模。双圆极化器可能存在多种模式，但在选定网络端口的参考面时，都让其远离多模区域。在以下的分析中，假设双圆极化器中的高次模都是截止的，且隔片无限薄。

如图1所示，用ei和fi来分别描述一个行波在端口i（i＝1，2，3，4）的激励和反射波幅值。其中：f1为反射回输入端的功率，f2为无激励输入的耦合功率，f3和f4分别为相对幅度和相位。当方波导内偶模激励，即e1＝e2＝1、e3＝e4＝0时，上下波导的电场和磁场分布相同，而公共壁两边的电流方向相反，因此，公共壁的槽缝对场的分布不产生影响，偶模的传输不受隔片的影响，并且会将所有的能量在方波导口处转换成TE10模式［2］。当方波导内奇模激励，即e1＝1、e2＝-1、e3＝e4＝0时，下波导内的场和电流沿着与偶模激励时相反的方向流动，此时，公共壁两边的电流流向相同，公共壁的槽缝会影响场的分布，导致模式的耦合和反射。双矩形波导中奇模的横向场是奇模上下对称，而方波导中TE10模是偶模上下对称，它们之间无耦合。因此，奇模的能量在方波导中部分转化成TE01模，部分反射。

图1 双圆极化器等效网络Fig.1 Equivalent network of dual-circular polarizer

双圆极化器工作时，端口1的激励等效为偶模和奇模激励的叠加，可得

式中：Γ 为奇模激励的反射系数；θ为输出端口相位差，决定了轴比和椭圆极化波的主轴倾角。

在反射波幅值中，f1决定了电压驻波比（VSWR），f2决定了隔离度，对于理想的圆极化波，f3和f4必须幅度相等，相位差90°，因此设计时的主要工作就是减小｜Γ｜，并且保持相位角尽可能接近90°［2］。文献［3］中给出了几种工作在不同频带下的隔片式双圆极化器结构，在实际设计中，可将此作为设计参考。

3 设计实例与仿真验证

3.1 设计实例

根据任务要求，双圆极化器的设计指标如下：工作频段为7.8～8.6GHz；极化隔离度不小于25dB；端口电压驻波比小于1.2。在满足此设计目标的前提下，为适应星载使用，需要使产品尺寸尽量小，且接口具有通用性。

经过数次仿真发现，波导尺寸的大小对中心频率的高低有很大的影响，因此，经过反复计算，最后确定使用BJ100波导作为双圆极化器的输入端口。方波导口的尺寸设定为：波导窄边a＝10.2mm；波导宽边b＝22.9mm；隔片厚度t＝2.5mm。其他参数在设计时以此端口尺寸为设计前提，隔片结构见图2。

图2 隔片结构图Fig.2 Configuration of septum

假定设计中心频率在自由空间的波长为λ0，经过计算和仿真，确定隔片参考尺寸。其中：a1＝0.329λ0，b1＝0.093λ0；a2＝0.299λ0，b2＝0.214λ0；a3＝0.293λ0，b3＝0.315λ0；a4＝0.096λ0，b4＝0.471λ0；a5＝0.153λ0，b5＝22.9mm。

目前，圆波导隔片式双圆极化器在国内应用很少，其主要结构与方波导的类似，具有极化器与馈源连接简单、易于匹配等优点。文献［4］中给出了圆波导中的正交模激励图。经过调试，本文设计的圆波导隔片式双圆极化器选择隔片为6阶，参考尺寸如下：a1＝0.19λ0，b1＝0.019λ0；a2＝0.334λ0，b2＝0.11λ0；a3＝0.253λ0，b3＝0.219λ0；a4＝0.252λ0，b4＝0.334λ0；a5＝0.096λ0，b5＝0.595λ0；a6＝0.417λ0，b6＝0.712λ0；圆波导直径d＝b6，隔片厚度t＝0.044λ0。

3.2 仿真验证

使用CST仿真软件对上述设计进行仿真验证，并对设计参数进行相应调整。仿真模型见图3。

图3 双圆极化器仿真模型Fig.3 Simulation model of dual-circular polarizer

方波导双圆极化器的仿真结果，见图4～6。圆极化波的实现条件是两空间正交的电场矢量等幅，且相位差±90°。通过数值方法，首先计算横向电场平行和垂直于方波导中部分高度隔片的两电磁波传播常数的差，同时还要考虑到隔片台阶对两模产生的相位差，使两模的总相位差在90°附近。具体参见文献［5-6］。经过调试后，双圆极化器在设计频段的相位差控制在（90°±2°）。

图4 隔离度仿真结果（方波导）Fig.4 Simulation results of disturbance isolation（square waveguide）

图5 相位差仿真结果（方波导）Fig.5 Simulation results of phase difference（square waveguide）

图6 输入端口1的电压驻波比仿真结果（方波导）Fig.6 Simulation results of VSWR1（1）（square waveguide）

将上述方波导双圆极化器与一波纹喇叭结合，形成双圆极化天线（见图7），双圆极化器轴比仿真结果见图8。在该天线辐射范围（轴向±4°）内，双圆极化器的轴比小于0.5dB，特性很好。

图7 双圆极化天线的仿真模型Fig.7 Simulation model of dual-circular polarization antenna

图8 双圆极化器轴比仿真结果Fig.8 Simulation results of axis ratio for dual-circular polarizer

在圆波导双圆极化器中，通过适合的阶梯式隔片结构，每个输入端口在圆波导中激励出两个正交的幅度近似相等的TE11⊥和TE11‖模［4，7］，仿真结果见图9～11。

图9 隔离度仿真曲线（圆波导）Fig.9 Simulation results of disturbance isolation（circular waveguide）

图10 电压驻波比仿真结果（圆波导）Fig.10 Simulation results of VSWR（circular waveguide）

图11 相位差仿真结果（圆波导）Fig.11 Simulation results of phase difference（circular waveguide）

双圆极化器性能参数见表1。

表1 双圆极化器性能参数Table 1 Performance parameters of dual-circular polarizer

4 结论

本文基于隔片式双圆极化器的设计原理，设计了方波导和圆波导两种不同波导形式的X 频段双圆极化器，并经过计算和仿真确定了设计参数。该设计方法可用于实现大功率、宽频带的双圆极化器，使双圆极化器具有结构紧凑、可靠性高、功率容量大和适宜星载使用等优点。仿真结果显示，设计出的双圆极化器，其相位误差小于3°，隔离度大于29dB，电压驻波比小于1.2，轴比小于0.5dB，具有很好的圆极化性能，可用于星载X 频段双圆极化数传天线的设计。

（References）

［1］赵宁.极化复用技术在遥感卫星数据传输中的应用［J］.航天器工程，2010，19（4）：55-60 Zhao Ning.Application of dual-polarized technology in remote sensing satellite data transmission［J］.Spacecraft Engineering，2010，19（4）：55-60（in Chinese）

［2］Chen Ming，Tsandoulas G N.A wide-band squarewaveguide array polarizer［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1973，21（3）：389-391

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［6］罗耀辉，王五兔.紧凑式宽带双圆极化双工器的设计［J］.空间电子技术，2008，5（1）：51-62 Luo Yaohui，Wang Wutu.Design of broadband compact duplexer-polarizer［J］.Space Electronic Technology，2008，5（1）：51-62（in Chinese）

［7］Yu Zhiru，Pan Jin.A novel optimization strategy for the design of large tolerance circular waveguide septum polarizer［C］／／Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium.New York：IEEE，2009：1-4