波导圆极化器技术

丁晓磊 孟明霞

(北京遥测技术研究所 北京 100076)

波导圆极化器技术

丁晓磊 孟明霞

(北京遥测技术研究所 北京 100076)

介绍波导圆极化器的发展现状，给出不同种类波导圆极化器的结构特点，为圆极化馈源喇叭的方案选择提供参考。

天线馈源系统； 圆极化； 波导圆极化器

引 言

波导圆极化器是圆极化反射面天线馈源系统的关键组成部分，其作用是将线极化信号变换为圆极化信号。波导圆极化器的结构形式直接决定馈源喇叭的体积、重量和电性能。为满足不同馈源系统的具体要求，已研制出多种形式的圆极化器。除在方波导或圆波导内插入膜片[1～9]、脊[10～12]、销钉[13，14]或介质板[15，16]的结构形式外，还包括在圆波导对称壁上开槽[17，18]，将方波导切角[19～21]，以及圆波导直接过渡到椭圆波导[22]的结构形式。以上结构的圆极化器都是双端口器件，用于同时双圆极化天线系统中需要附加正交模变换器。而在方波导或圆波导内插入隔板式膜片[23～27]的三端口圆极化器可以同时实现双圆极化功能。

波导圆极化器的工作原理是通过在波导内引入特殊结构用以改变两个正交极化分量的传播常数，实现两个分量的相位差90°，进而完成线极化波到圆极化波的转化。本文根据波导圆极化器结构形式的不同做出总结。

1 波纹结构圆极化器

在方波导和圆波导内分别存在着两个极化正交的模式(方波导:TE01、TE10，圆波导:TE11)，为改变两种模式的传播常数，可以在圆波导或方波导内周期性或非周期性加载一定数量的金属膜片。方波导波纹圆极化器的膜片一般加载在两个相对的壁上，圆波导波纹圆极化器的膜片一般加载在对称壁上，如图1所示。在图1所示的坐标系下，膜片对x和y方向的极化分量分别呈现并联电感和并联电容性质，从而使Ex分量相位超前，Ey分量相位滞后。适当选择膜片数量、深度、厚度、间距，就可使Ex和Ey分量的相位差90°，从而实现线极化信号到圆极化信号的转换。

为了实现极低的反射损耗，金属膜片的高度沿波导轴向的分布必须采用渐变结构，图1(c)为圆极化器膜片高度沿波导轴向的分布，通常采用升余弦或高斯分布，从而使反射损耗最小。

由于圆极化器后接的馈源喇叭一般为圆波导喇叭，为了简化加工过程、降低加工成本、减少过渡波导段的数量，可以对圆波导波纹极化器的膜片形状进行优化设计[6]，如图2(a)、图2(b)所示。通过优化图2所示的两个变量(wext、wint)可以在给定波导半径和工作频率的前提下设计出满足要求的圆极化器。

图1 常规膜片形状的波纹波导圆极化器结构示意图

图2 优化膜片形状的波纹波导圆极化器结构示意图

波纹圆极化器的加工方法一般是先铣出对称的两半，然后通过螺钉固定。图3是方波导圆极化器和采用图2(b)所示膜片形状的圆波导圆极化器的实物图。

图4是文献[7]比较的图3所示的两种圆极化器的插入损耗实测结果。由图4可知，方波导圆极化器两个极化分量的插损不一致，其中一个极化分量的插损较大；椭圆膜片的圆波导极化器的两个极化分量一致性较好。方波导圆极化器两个极化分量插损不一致的原因，主要是因为两个正交极化分量的电流分布在剖开面上的不同所致。对于剖分面截断电流的极化分量，其插损必定会大。

图3 波纹波导圆极化器实物图

图4 实测图3所示两种圆极化器的插损

波纹结构圆极化器的主要参数有:圆波导半径或方波导边长、金属膜片的厚度、金属膜片的对数、金属膜片的间距、金属膜片的高度以及金属膜片的高度分布形式。

这种圆极化器经常用于双频点天馈系统中。在轴比小于1.2dB时其最大工作频带可达40%。

以上介绍的波纹结构圆极化器是由截面尺寸不变的圆波导或方波导和一定数量的膜片组成。由于膜片数较多，致使极化器的纵向尺寸较长。为缩短方波导波纹圆极化器的纵向长度，文献[8]设计了一种同时优化方波导截面参数和膜片参数的圆极化器。该圆极化器在确保性能不变的情况下，较常规单一优化膜片参数设计的极化器纵向长度缩短了25%。

以上将金属膜片加载在方波导或圆波导内的波纹结构圆极化器也称为金属膜片式圆极化器。将一定长度的矩形波导和圆波导相级联也可以构成波纹结构的圆极化器[9]，图5所示。这种圆极化器的设计参数包括矩形波导的长ED、宽B、高A和圆波导的半径R0、长度EL。

图5 圆矩波导级联的圆极化器

2 脊波导圆极化器

脊波导圆极化器是在波导轴向加载双脊或四脊构成。双脊结构主要用于圆波导极化器，脊的形式可设计成阶梯型脊[10]或按余弦连续渐变形脊[11]。双脊圆极化器的带宽比较有限，文献[10]中双脊圆极化器的轴比＜1.2dB的带宽约为20%。为满足更宽频带的使用要求，文献[12]设计了轴比＜0.4dB、带宽约为60%的四脊方波导圆极化器，图6所示为其截面示意图。

3 螺钉式圆极化器

螺钉式圆极化器因其成本低、容易制作、调整方便、插入损耗小、带宽适中而经常被采用。其工作原理是:穿入圆波导内的金属螺钉对于与其平行的电场(V极化波)等效为一个并联的容性电纳，使V极化波的相位滞后；而对于与其正交的电场(H极化波)等效为一个并联的感性电纳，使H极化波的相位超前。适当选择圆波导的直径、金属螺钉的直径、螺钉间距和螺钉穿入波导内的深度，可以使与螺钉轴向成45°夹角的线极化波分解成V极化波和H极化波，经过极化器后，两个极化波分量产生90°的相移差，从而实现线极化波向圆极化波的变换。

图7是文献[14]设计的工作于8.0～8.6GHz的右旋圆极化器。该圆极化器在工作频带内的反射损耗优于20dB，轴比小于2.5dB。

图6 四脊方波导圆极化器[12]

图7 同轴馈电的螺钉圆极化器[14]

4 介质插片圆极化器

介质插片圆极化器是在圆波导内插入一个特定形状和长度的介质片构成。圆波导内的介质片对平行和垂直于它的两个正交极化波分别产生两个等效介电常数，通过改变介质插片的结构和长度，实现两个正交极化波通过插片区后相位差90°，从而完成线极化波到圆极化波的转换。这类圆极化器加工简单，易于调试，应用也比较广泛。图8是介质插片圆极化器的工作原理[16]示意图。

图8 介质插片圆极化器[16]

5 开槽圆波导圆极化器

开槽圆波导圆极化器是在圆波导壁上沿波导轴向开一组耦合凹槽或正对的两组耦合凹槽，如图9所示。每个耦合凹槽相当于一段终端短路的矩形波导。圆波导内与耦合凹槽口面法线呈45°角的线极化波，通过开有凹槽的圆波导段后转换为极化正交、相位差90°的两个线极化波，从而实现线极化波到圆极化波的转换。图9(a)所示的单组开槽结构适用于小波导口径的情况。图9(b)所示的双组开槽结构适用于大波导口径、轴向长度短的情况。由于耦合槽位于圆波导的波导壁上，与插在波导内的介质片式圆极化器相比，开槽圆波导圆极化器的优点是对加工误差不太敏感，适合用于 Ka频段或更高的工作频段。

6 切角方波导圆极化器

由矢量分解原理可知，图10所示的方波导中的电场E1或E2可以分解为E∥和E丄两个正交分量的叠加。适当优化参数b和过渡截面的参数，可以实现两个正交分量的相位差90°和端口的理想匹配。由图10可知，该圆极化器结构简单，但工作频带有限。

图9 开槽圆波导圆极化器

文献[21]通过一个波导端头的缝隙激励图10所示的圆极化器，设计了一种小尺寸的圆极化开口波导天线。其轴比小于3dB、反射损耗小于－10dB的带宽约为15%。

图10 切角方波导圆极化器

7 椭圆波导圆极化器

在高功率微波(HPM)应用中，波导型圆极化器具有明显的优势。前文介绍的几种圆极化器，由于微波传输路径边界条件的不连续，在吉瓦(GW)级的HPM应用条件下，容易引起击穿，不利于GW级HPM的传输。椭圆波导圆极化器是利用自身的渐变结构完成线极化波到圆极化波的转换，且波导内不需要增加任何金属片或介质插片。图11是椭圆波导圆极化器的结构示意图，它主要由圆波导、圆波导到椭圆波导的过渡波导和椭圆波导组成。

椭圆波导圆极化器的工作原理是:首先，当极化方向与椭圆波导的长轴呈45°角的线极化信号从一端的圆波导馈入后，在圆波导内激励出与椭圆波导的长轴呈45°角的TE11模，该TE11模电磁波经过圆波导到椭圆波导的过渡段后分解为两个幅度相等、极化正交的TE11模分量；然后，由于这两个正交分量在椭圆波导内传输常数的不同，经椭圆波导和椭圆波导到圆波导过渡段后，两个正交分量产生90°的相位差；最后，两个正交极化的TE11模分量在圆波导内合成，形成所需要的圆极化波。

图11 椭圆波导圆极化器

由于椭圆波导的短轴直径和圆波导的直径相同，这种圆极化器的功率容量取决于圆波导的口径参数。文献[22]研制的圆极化器在工作频率9～10GHz范围内，轴比小于1dB，驻波比小于1.1。

8 隔板式圆极化器

隔板式圆极化器是在方波导口内插入不对称的阶梯膜片形成的三端口器件，其结构如图12所示。方波导口端是圆极化电磁波的输入或输出端，另一端的两个相同的矩形波导口分别对应于右旋圆极化波和左旋圆极化波的线极化信号的输入或输出端。隔板式极化器由三个部分组成:方波导部分、阶梯状隔板部分、分支波导部分。

隔板式圆极化器的相对带宽可以做到20%左右。这种圆极化器与前面介绍的双端口圆极化器相比较，其主要特点是不需要外加正交模变换器就能够实现左、右旋双圆极化的同时工作。

隔板式圆极化器由于结构紧凑、易于加工、体积小和重量轻等特点被广泛应用于左、右旋同时接收或收、发共用的双圆极化馈源中。

图12 隔板式圆极化器

9 结束语

由不同结构形式的波导圆极化器的对比可知，四脊方波导结构的圆极化器工作带宽最宽(60%)，螺钉型圆极化器的结构最简单，开槽圆波导结构的圆极化器可适用于更高的工作频率，椭圆波导圆极化器的功率容量最高。隔板式圆极化器结构简单，且可同时实现双圆极化工作，但工作频带只有20%左右。

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声 明

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《遥测遥控》编辑部

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

丁晓磊 1971年生，博士，研究员，主要研究方向为天线理论与技术。

孟明霞 1984年生，硕士，工程师，主要研究方向为天线理论与技术。