向小春，張宇環(huán)，金偉清，馬巖冰，沈千朝

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

一種Ka頻段金屬膜片圓極化器設計

向小春，張宇環(huán)，金偉清，馬巖冰，沈千朝

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)對Ka頻段圓極化器的苛刻需求，詳述了一種應用于Ka頻段的金屬膜片式圓波導極化器，通過在圓波導內(nèi)插入一組對稱的金屬膜片實現(xiàn)圓極化，并采用升余弦分布方式調(diào)整膜片插入深度、間距以及膜片厚度等參數(shù)以改善移相量和阻抗匹配特性。利用HFSS軟件對圓極化器進行了仿真設計，仿真結果表明，所設計的圓極化器在所需的工作頻段內(nèi)相移量為90°±2°，電壓駐波比小于1.10，具有良好的圓極化性能及阻抗匹配特性。

圓極化器；圓波導；Ka頻段； 金屬膜片

AbstractFocusing on the strict requirement of Ka-band circular polarizer on satellite communication,a type of Ka-band metal waveguide iris circular polarizer is presented.The characteristic of the circular polarizer is achieved by inserting a set of metal iris into the circular waveguide.The parameters such as insert depth,spacing and thickness of metal iris are adjusted to improve the characteristics of impedance matching and phase shift.The circular waveguide polarizer is modeled and simulated by HFSS software.The simulated results show that the circular polarizer has good circular polarization and impedance matching in Ka-band：the phase shift is within 90°±2°and the VSWR is less than 1.10.

Keywordscircular polarizer;circular waveguide;Ka-band;metal iris

0 引言

隨著對衛(wèi)星通信信道容量需求的增加及C、Ku頻段業(yè)務的逐漸飽和，對工作于更高頻段、較大帶寬的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的需求越來越緊迫。在衛(wèi)星通信中，圓極化天線由于具有較強的抗干擾能力得到了廣泛應用。圓極化器作為衛(wèi)星通信圓極化天線饋電網(wǎng)絡的重要部件，其性能的好壞直接決定了天線的圓極化性能。

圓極化器是一種將入口的線極化波轉化為圓極化波的微波器件，其種類很多，有介質插片圓極化[1-2]、開槽波導圓極化器[3-4]、隔板極化器[5-6]、金屬膜片極化器[7]和圓波導螺釘極化器[8-9]等。金屬膜片圓極化由于其具有結構緊湊、體積小、重量輕和寬頻帶等特點而被廣泛應用于天線饋源系統(tǒng)中。

目前應用于設計金屬膜片圓極化器的方法有模式匹配法[10-11]、解析法和網(wǎng)絡級聯(lián)[12-13]等，力圖解決求解金屬膜片電磁特性算法復雜及對金屬膜片厚度處理不夠準確的問題，實現(xiàn)金屬膜片圓極化設計的可優(yōu)化。隨著HFSS軟件技術的日益成熟，利用軟件的優(yōu)化功能來輔助圓極化設計成為可能。

在總結前人研究的基礎上，基于HFSS軟件結合電路模型設計了一種Ka頻段的金屬膜片圓極化器，并對圓極化器的相位差、幅度一致性和匹配特性進行了分析。

1 圓極化器理論分析

1.1 電路模型分析

圓波導內(nèi)存在2種極化正交的模式，通過在圓波導的對稱壁上加載一定數(shù)量的周期性或非周期性金屬膜片[14]，可以改變2種模式的傳播常數(shù)[15]。利用這個原理，可使圓波導輸出端的2種模式等幅且相差90°，從而形成圓極化[16]。如圖1所示，對稱壁上的金屬膜片對x方向的極化分量呈現(xiàn)出感性，對y方向的極化分量呈現(xiàn)容性，前者使得Ex相位超前，后者使得Ey相位滯后。通過調(diào)節(jié)圓極化器金屬膜片的參數(shù)，即可使得Ex、Ey的相差在一定工作帶寬內(nèi)保持在90°，達到圓極化的使用要求。

圖1 圓波導圓極化器結構

圓波導圓極化器的等效電路如圖2和圖3所示。

圖2 等效電路

圖3 新的等效電路

對Ex分量來說，相當于在微波傳輸中并聯(lián)電容，等效電納為B，歸一化電納為B/Y0；對Ey分量而言，相當于串聯(lián)電感，對應的等效電納和歸一化電納分別為-B和-B/Y0。每個膜片中的電路又可等效為一段新的傳輸線，等效電納和傳播常數(shù)分別為Y0′和β′，如圖3所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～式(4)[18]給出了等效電路計算公式。通過上述公式即可得出金屬膜片對Ex分量和Ey分量的移相量，通過調(diào)整金屬膜片的插入深度、厚度及間距等結構參數(shù)，即可獲得實現(xiàn)圓極化所需的90°移相。

為使極化器獲得良好的匹配特性，金屬膜片深度沿波導軸向需采用漸變分布，如圖1(b)所示，通常采用的漸變分布有升余弦或高斯分布[17]，本文所選用的漸變結構為升余弦分布。

1.2 圓極化器的關鍵參數(shù)分析

根據(jù)上述理論分析，圓波導圓極化器的關鍵參數(shù)有波導口尺寸、膜片深度、膜片間距、膜片厚度及膜片數(shù)量等，膜片數(shù)量的增加，可一定程度上改善圓極化器的帶寬，但會增加加工的難度，對于Ka頻段來說更是如此。因此本文選取的金屬膜片的數(shù)量為10對。

為減小金屬膜片間的耦合，金屬膜片的間距d需滿足大于膜片厚度的2倍：

d>2t。

(5)

金屬膜片的厚度一般選?。?/p>

t=0.05λ0～0.1λ0。

(6)

膜片深度對移相量影響很大，通常選取一個中間的最高金屬膜片深度hmax，兩側膜片高度按升余弦分布遞減。

2 圓極化器仿真設計與分析

根據(jù)以上分析結果，選取了圓波導圓極化器的初始尺寸，在HFSS軟件中進行建模仿真，仿真模型如圖4所示。

圖4 圓波導圓極化器仿真模型

利用HFSS軟件的優(yōu)化功能，設置如表1所示的優(yōu)化目標，以波導尺寸、膜片深度、膜片厚度、膜片間距為變量，進行優(yōu)化設計。

表1 圓極化器優(yōu)化目標

優(yōu)化項目優(yōu)化目標相位差/(°)90±2幅度差/dB≤±0.1電壓駐波比≤1.10插入損耗/dB≤0.2

圓極化器的仿真結果如圖5～圖8所示，從中可以看出，圓極化的輸出端口相差在工作頻段內(nèi)保持在90°±2°，幅度一致性在0.1 dB以內(nèi)，具有良好的圓極化性能；端口電壓駐波比≤1.10，插損≤0.1 dB，說明該極化器獲得了良好的阻抗匹配。因此，設計的圓極化器性能達到了優(yōu)化目標，能夠滿足Ka衛(wèi)星通信系統(tǒng)的使用需求。

圖5 圓極化器相移曲線

圖6 圓極化器電壓駐波比曲線

圖7 圓極化器幅度一致性

圖8 圓極化器插損

與以往純粹使用模式匹配法、等效電路法和網(wǎng)絡級聯(lián)法設計圓極化器相比，先采用等效電路得出圓極化器的初始模型并在此基礎上利用HFSS軟件進行高精度有限元計算的設計方法，一則計算精度高，二則避開了繁雜的理論分析計算，大大提高了金屬膜片圓極化器仿真設計的效率，更加適用于產(chǎn)品的工程開發(fā)應用，對同類微波器件的設計具有較好的參考價值。

3 結束語

基于衛(wèi)星天饋系統(tǒng)需求，利用等效電路方法進行理論分析并利用HFSS軟件進行設計驗證了一種工作于Ka頻段的圓波導金屬膜片圓極化器。仿真結果表明，圓極化器的所有性能滿足Ka頻段天線饋源系統(tǒng)的要求，該圓極化器已在衛(wèi)星通信天饋系統(tǒng)中得到應用，其設計方法也可為其他微波器件的設計提供參考。

[1] WANG S W,CHIEN C H,WANG C L.A Circular Polarizer Designed with a Dielectric Septum Loading[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech,2004,52(7):1719-1723.

[2] 李方,鄢澤洪,張?zhí)忑g.Ka頻段雙頻圓極化器小型化設計[J].電子科技,2008,21(10):15-18.

[3] YONEDA N,MIYAZAKI M,MATSUMURE H,et al.A Design of Novel Grooved Circular Waveguide Polarizers[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech，2000,48(12):2446-2452.

[4] YONEDA N,MIYAZAKI M,HORIE T,et al.Mono-Grooved Circular Waveguide Polarizers[J].International Microwave Symposium Digest,2002,2(2):821-824.

[5] 辛麗,萬繼響.C頻段隔板式圓極化器的優(yōu)化設計和容差分析[J].微波學報,2012 (S2):50 -53.

[6] 徐繼東.隔片圓極化器的設計及S參數(shù)的分析[J].現(xiàn)代雷達,2005,27(8):52-54.

[7] VIRONE G,TASCONE R,PEVERINI O A,et al.Optimum-iris-set Concept for Waveguide Polarizers[J].IEEE Microwave and Wireless Components.Letters,2007,17(3):202-204.

[8] 蘇麗萍.圓波導螺釘極化器的分析與設計[J].微波與衛(wèi)星通信,1999(3):25-29.

[9] 施陽,石志東,李銘祥,等.8mm圓波導螺釘極化器的設計與優(yōu)化[J].上海大學學報,2007,13(2):134-137.

[10] 阮云國,李振生,鄧智勇.波紋波導極化器的分析[J].無線電通信技術,2008,34(2):36-37.

[11] 張本全.微波無源器件設計中的模式匹配法研究[D].成都:電子科技大學,2004:7-17.

[12] 韓俊,何明浩,郭利榮.寬帶阻抗匹配變換器的設計[J].中國電子科學研究院學報,2015,10(1):79-81.

[13] 袁小娜,馬伊民.用二維S參數(shù)分析動態(tài)功率調(diào)配網(wǎng)絡[J].現(xiàn)代電子技術,2013,36(3):85-88.

[14] 丁曉磊,孟明霞.波導圓極化器技術[J].遙測遙控,2014,35(4)：10-15.

[15] 謝處方,饒克謹.電磁場與電磁波[M].北京:高等教育出版社,2006:200-202.

[16] 林昌祿,聶在平.天線工程手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社,2002:13-14.

[17] 劉蕊花.圓極化技術的研究[D].西安：西安電子科技大學,2010:17-20.

[18] SIMMONS A J.Phase Shift by Periodic Loading of Waveguide and Its Application to Broad-Band Circular Polarization[J].Ire Transaction on Microwave Thoery & Techniques,1955,3(6):18-21.

ADesignofKa-bandMetalWaveguideIrisCircularPolarizer

XIANG Xiao-chun,ZHANG Yu-huan,JIN Wei-qing,MA Yan-bing,SHEN Qian-chao

(ShanghaiAerospaceElectronicTechnologyInstitute,Shanghai201109,China)

TN015

A

1003-3106(2017)11-0059-04

向小春男，(1985—)，碩士，工程師。主要研究方向：天線與射頻電路。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.11.13

向小春,張宇環(huán),金偉清,等.一種Ka頻段金屬膜片圓極化器設計[J].無線電工程,2017,47(11):59-62.[XIANG Xiaochun,ZHANG Yuhuan,JIN Weiqing,et al.A Design of Ka-band Metal Waveguide Iris Circular Polarizer[J].Radio Engineering,2017,47(11):59-62.]

2017-07-31

國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2015AA034102)；國家自然科學基金資助項目(61371053，61271038，51472042)。

張宇環(huán)男，(1987—)，碩士，工程師。主要研究方向：天線與射頻電路。