超宽带波纹波导正交模移相器设计

宁云炜，陈卯蒸，王　惠

(1.中国科学院 新疆天文台，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国科学院 射电天文重点实验室，江苏 南京 210008)



超宽带波纹波导正交模移相器设计

宁云炜1,2，陈卯蒸1,2，王惠1,2

(1.中国科学院 新疆天文台，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国科学院 射电天文重点实验室，江苏 南京 210008)

圆极化器是射电望远镜天线馈线系统的重要器件，其作用是把反射面天线接收的圆极化波变成2个垂直的线极化波。超宽带圆极化器由正交模耦合器和移相器组成。通过网络级联的方法和有限元数值分析相结合的方法对正交模移相器进行了研究。对方波导高次模精确分析，选择合适的方波导口径。利用HFSS电磁仿真软件，对波纹波导正交模移相器各个参数对圆极化器的影响进行分析。仿真结果表明，在30～50 GHz频率范围内，相移特性达到90°±6.7°，交叉极化和正交隔离度优于-65 dB。

正交模移相器；波纹波导；超宽带

0　引言

毫米波和超宽带是现代射电望远镜发展的趋势。中国科学院新疆天文台正在进行的7 mm超宽带制冷接收机项目，频率带宽为30～50 GHz，相对带宽为50%，是世界上目前为止在Q波段带宽最宽的射电天文接收机。正交模移相器是射电望远镜天线馈线的重要器件，它和正交模耦合器连接了反射面天线的馈源和接收机。正交模移相器的相移差直接决定了反射面天线的轴比。7 mm接收机的圆极化器相对带宽达到50%，且对相位差要求较高，因此结构相对简单的传统窄带极化器[1-2]、金属隔板圆极化器[3-4]和介质插片极化器[5-6]都无法达到要求。常见的波纹方波导正交模移相器在轴比<0.4 dB时，相对带宽<10%[7-8]；在轴比<1.2 dB时，相对带宽都<50%。正交模移相器的轴比(或相位差)对相对带宽非常敏感。工作带宽扩大，轴比(或相位差)会迅速恶化[9-10]。

本文通过对波纹波导各个参数进行分析，设计出高性能的波纹波导正交模移相器，在50%相对带宽范围内，仍然能保持良好的相位差及正交隔离度特性，为未来新疆110 m射电天线望远镜(Qitai Radio Telescope，QTT)项目提供了技术积累。

1　波纹波导圆极化器设计

波纹波导正交模移相器广泛应用于宽带圆极化天线，波纹方波导与波纹圆波导相比，有2个优点：① 波纹方波导更容易加工；② 圆波导进行多模传输时，不仅存在模式简并，还有极化简并，会使传输造成不稳定。因此，采用波纹方波导来设计正交模移相器。

波纹方波导正交模移相器的工作原理如图1所示，其工作在2个垂直的主模：TE10模和TE01模。波纹结构对TE10模呈电容性不连续，对TE01模呈感性不连续，这使TE10模相速减小，TE01模相速增加。经过多节波纹结构，相互正交的TE10模和TE01模的差相移达到90°，就产生了圆极化波。

图1　波纹波导极化器原理

1.1设计方法

波纹波导正交模移相器一般是通过网络级联模型来分析波导内的周期结构加载，就是利用一个传输矩阵来表示一个不连续性的加载，最后级联成整体传输矩阵，求出相移量和S参数。2个互相垂直的主模的传输矩阵分别为：

(1)

(2)

TEn10和TE n01分别为第n对波纹不连续的传输矩阵：

(3)

(4)

圆极化器2个主模的S参数分别为：

(5)

(6)

相位差为：

(7)

令

(8)

则轴比

(9)

网络级联方法的优点是数学模型简单明了，但也有极其明显的缺点，如：① 波导横截面的不连续性不能仅仅用阻抗变化来表示，当频率比较低的时候，所造成的误差可以忽略。但是在毫米波段，这个误差会对极化器的性能产生很大的影响。② 波纹波导的不连续性会产生高次模，而网络级联无法分析出波纹间高次模所造成的影响，所以网络级联法的分析结果不是很准确。数值法可以弥补网络级联方法的不足，但是数值法计算非常复杂，靠人工是无法完成。

本设计采用二者结合的方法，先采用网络级联的办法，估算出波纹波导极化器各个参数的初值，然后利用三维电磁仿真软件HFSS对波纹波导极化器进行建模，并对各个参数进行优化。

1.2参数优化及设计

波纹方波导正交模移相器结构如图2所示。

图2　波纹方波导正交模移相器结构

1.2.1波纹方波导的口径选择

波纹方波导的口径长度是设计正交模移相器首先要确定的参数。由于金属波导的传输特性，电磁波在金属波导会以一系列的离散模式传播。为了保证金属波导无源器件的性能，一般要求金属波导只能传输主模，而抑制其他高次模[11-12]。金属波导口径越小，越有利于抑制高次模。但是金属波导口径越小，移相差曲线在低频端的斜率越大，导致相位差性能恶化。因此必须精确计算波导口径的长度，使金属波导在能抑制高次模的基础上，波导口径尽可能地大。根据波导传播特性计算出的口径大小和传输模式的关系，如表1所示。

表1　方波导口径所对应的各模式截止频率　(GHz)

由于波纹波导是对称结构，因此能在波纹波导激励的高次模为TE2n+1,2n。对照表1，波纹方波导里传播的第1个高次模为TE21、TM21、TE12和TM12模。本设计2个主模的工作频率带宽为30～50 GHz，因此要保证第1个高次模的截止频率大于50 GHz。极化器所连接的正交模耦合器方波导口径长度为5.69 mm，因此波纹方波导正交模移相器的口径长度选择为b=6.69 mm。

1.2.2波纹参数的设计

波纹参数包括波纹对数n、波纹高度(b-bn)/2、波纹宽s、波纹间距w、过渡段的形状和过渡段到方波导端口的距离e，如图2所示。

波纹对数是波纹参数首先要确定的值，波纹对数越多，正交模移相器波纹的高度越低，正交模移相器的回波损耗性能越好，而且相位差曲线越平缓，轴比性能越好。但是随着波纹对数的增加，极化器的长度会变长，波纹高度变小，且波纹高度的误差对相位差的影响越大，也就是说对加工精度要求越高。通过对波纹对数的仿真发现，当波纹对数n<30时，波纹对数对正交模移相器性能影响较大；当n>30时，波纹对数对极化器的性能影响很小。因此，选定膜片对数n=30。

(3) 测试人员——一般由城市轨道交通建设管理单位牵头组织，供电系统施工单位与直流开关柜厂家具体实施，城市轨道交通运营管理单位、供电系统设计及监理单位参与见证，车辆厂家现场保驾。

波纹高度(b-b6)/2、波纹宽度s和波纹间距w这3个波纹参数对极化器的相位差曲线同时都有影响，设计时应该综合考虑。利用HFSS对3个参数分别进行仿真。波纹高度越小，正交模移相器的回波损耗特性越好，相位差曲线越平坦，轴比性能越好，但是减小波纹高度，必须增加波纹对数相位差才能达到90°。波纹宽度越小，相位差曲线越平坦，但是加工难度越大；波纹间距对相位差曲线影响不大，但是波纹宽度与波纹间距的比值对相位差曲线有影响，比值越小，相位差曲线越平坦，轴比性能越好。然而这个比值过于小时，会急剧恶化极化器的驻波比带宽。最后，通过HFSS仿真优化得出最佳值：波纹高度(b-b6)/2=0.33 mm，波纹宽度s=0.2 mm，波纹间距w=1.55 mm。

当波纹对数比较少，波纹高度比较高时[13]，过渡段的形状对正交模移相器的回波损耗影响较大[14-15]。常用的过渡段的形状主要有线形、正弦(余弦)形和传统对数形等等，一些新的比较复杂的形状也陆续被发现[16-17]。因为，本设计的波纹对数n=30,波纹高度只有方波口径长度的1/20，通过仿真发现，此时过渡段的形状对正交模移相器的回波损耗性能影响很小，采用复杂的形状反而会提高加工难度，因此，本设计采用最简单的线形形状，两边各5对。过渡段波纹的高度为(b-b6)×n/6,(n=1，2，3，4，5)。

波纹产生的不连续性会产生大量高次模，由方波导的口径选择，产生的高次模都是凋落模，凋落模的抑制需要一定的距离，一般最少为1/4的波导波长。过渡段到方波导端口的距离就是抑制凋落模所需的长度，e=5 mm。

整个波纹方波导极化器模型如图3所示。

图3　波纹方波导极化器模型

2　仿真结果分析

波纹波导正交模移相器的相位差曲线如图4所示。在50%的相对带宽下(30～50 GHz),相位差小于90°±6.7°，由式(9)轴比相位差换算，轴比优于1 dB。

图4　相位差曲线

图5　回波损耗曲线

波纹波导正交模移相器2个主模的回波损耗如图5所示，回波损耗优于-34 dB。波纹波导极化器对高次模的抑制如图6所示。

图6　高次模抑制曲线

由表1和波纹方波导口径选择可知，波纹波导不连续的对称结构，使其所激励的离主模工作带宽最近的高次模是TE21、TM21、TE12和TM12模。图6中2条曲线分别代表了4个高次模的插入损耗(都低于-60 dB)，说明极化器对所激励的高次模有良好的抑制作用，这证明通过合理选择方波导口径在使相位差曲线最优化的同时使波纹波导产生的高次模成为凋落模，并合理选择过渡段到方波导端口的长度，使波纹波导对凋落模衰减的方法是很有效的。

图7　交叉极化和正交隔离度曲线

正交隔离度是指正交模移相器输出的2个互相垂直的线极化主模信号的隔离度。交叉极化是指正交模移相器输入的线极化信号，经过不连续性后，会在与它垂直方向产生交叉极化分量。这2个指标决定了圆极化器2个互相垂直的线极化信号互相干扰的程度。由图7所示，正交隔离度优于-70 dB，交叉极化优于-67 dB，说明正交模移相器的2个垂直的信号互相干扰的程度非常小。

3　结束语

正交模移相器的相位差曲线是一个二次曲线，因此受相对带宽的影响很大，尤其是在宽带应用中。通常正交模移相器的输入端口尺寸要大于正交模耦合器端口尺寸。因为增加端口尺寸有利于极化器相位曲线的带内平坦尤其是在低频端，但是增加端口尺寸又不利于高次模的抑制。本文精确地分析了方波导端口尺寸对高次模的影响，在良好抑制高次模的基础上，最大限度地减小相位差。设计的波纹方波导移相器工作频带宽，功率容量大，可靠性强，一次加工成形，不需要调试，非常适合工程应用。设计过程对于QTT其他波段的天线馈线系统设计也有着重要的参考意义。

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宁云炜男，(1980—)，硕士，工程师。主要研究方向：微波毫米波天线与电路系统。

陈卯蒸男，(1975—)，硕士，高级工程师。主要研究方向：射电天文接收机。

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

国家重点基础研究发展计划项目(2015CB857100)；国家自然科学基金资助项目(U1431230)；“西部之光”后续支持项目(2015-HXZC-01)。

TN823.28

A

1003-3106(2016)09-0061-05

引用格式：宁云祎,陈卯蒸,王惠.超宽带波纹波导正交模移相器设计[J].无线电工程,2016,46(9):61-65.