趙盼盼，陳卯蒸,2

(1. 中國科學院新疆天文臺，新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國科學院射電天文重點實驗室，江蘇 南京 210008)

寬頻帶波紋波導差分移相器的研究*

趙盼盼1，陳卯蒸1,2

(1. 中國科學院新疆天文臺，新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國科學院射電天文重點實驗室，江蘇 南京 210008)

波導極化器是射電天文接收機系統(tǒng)中的重要微波器件，其核心部分是差分移相器。通過對移相器的分析，詳細研究了寬帶波紋方波導差分移相器的特性。應用電磁仿真軟件對32 GHz～48 GHz(7 mm波段)的波紋方波導移相器結構進行了設計與優(yōu)化，在整個帶寬范圍內(nèi)得到90°±7.5°的良好相移特性，駐波比僅僅為1.02。研制具備尺寸小、性能優(yōu)和寬頻特點的差分移相器滿足射電天文接收機發(fā)展需求，可以改善接收機的性能，并有效提高對天文射電源相關特性等的觀測能力。

波紋波導移相器；寬帶；相移；駐波比

為滿足現(xiàn)代射電天文觀測的需要，中國科學院新疆天文臺擬建設110 m主動面技術射電望遠鏡(Qitai Radio Telescope, QTT)，預配備數(shù)個波段寬帶接收機系統(tǒng)，將覆蓋0.15 GHz至117 GHz的頻帶范圍。110 m射電望遠鏡接收機性能設計理念空前，目前處在相關技術預研階段。在寬帶/超寬帶接收機饋源與極化器技術領域內(nèi)，7 mm、15 cm、30 cm頻段和多波束設計等成為前期主要的研究工作。7 mm作為一個重要波段，提出了設計目標：相對帶寬40%，接收機噪聲45 K，要求極化器線極化輸出，反射特性優(yōu)于25 dB。

極化器是介于饋源和低噪放大器之間的微波器件，基本作用是把接收的電磁波分解為兩個正交分量，也能將兩個正交分量進行合成。通過混頻、降頻之后，信號被后級設備存儲處理，便于展開對相應射電源偏振等特性的研究。目前通常是通過波導移相器與正交模轉換器結合的方式實現(xiàn)[1]。研制優(yōu)良的波導極化器可以更好地改善接收機器件的性能，增強射電波段天文觀測的能力。

差分移相器作為其核心，負責對信號準確地完成極化轉換[2]。傳統(tǒng)極化器的移相功能主要由添加螺釘、介質(zhì)片、隔板等方式實現(xiàn)。上述極化實現(xiàn)方式在更寬的帶寬上，性能急劇下降。但波紋波導差分移相器具有很好的移相和寬頻帶特性，這在一定程度上推動了寬帶/超寬帶接收機的發(fā)展。本文介紹的寬頻帶波紋波導差分移相器就是應用在7 mm波段范圍內(nèi)，在滿足相對帶寬40%的情況下，實現(xiàn)了良好的極化性能。

1 結構與基本原理

波紋波導移相器有多個種類，包括圓波導、方波導和橢圓波導等[3]。考慮到設計復雜性和加工難度，在32 GHz～48 GHz波段范圍內(nèi)采用的是方形波導加線性漸變波紋結構，如圖1(L表示波導總長度，a為方波導口徑)。

方波導中存在著兩個正交模，即TE01和TE10模。波導波紋結構對TE01模呈現(xiàn)電感性，而對TE10模呈電容性。由于對稱壁上的波紋結構改變了傳播電長度，不同極化方向存在著不同的傳播常數(shù)，兩個正交模在加載了波紋結構的方波導中傳播時會引起不同的相位變化。

在圖2極化轉換示意圖中可以看到，對于左旋圓極化或者右旋圓極化波通過移相器時，可以分解為V和P兩個垂直的極化波。假如V和P是由饋源左旋圓極化波分解而來，則在輸出端可以得到L方向的線極化信號，反之，當V和P是由饋源右旋圓極化波分解而來，則在輸出端可以得到R方向的線極化信號。差分移相器工程上具有可逆性，當在圖2右端加載L或R的線極化波時，同樣可以得到左端的圓極化波。

圖1 波紋波導剖面結構示意圖
Fig.1 Illustration of the structure of the corrugated waveguide

圖2 極化轉換示意圖Fig.2 Illustration of decomposition of polarization modes

假定兩個正交主模之間的相位差，可以表示為

φ=L(βx-βy).

(1)

上式通過調(diào)整波紋高度、寬度和波紋間距等尺寸，就可以在正交方向上產(chǎn)生90°的相位差，完成極化的轉換。

為了更好體現(xiàn)圓極化率，兩個等幅同相的線極化波通過移相器之后，得到結果可以定義為軸比公式：

(2)

如果實現(xiàn)理想的線圓極化轉換，即兩個線極化波通過移相器之后相位差為90°，則可以達到0dB的軸比。這種情況下，當輸入端加載理想左右旋圓極化波時，右端口就會得到理想線極化波，通過改變設計參數(shù)可以使器件性能接近理想值。

2 差分移相器設計與仿真結果分析

2.1 設計根據(jù)

波紋波導極化器相比隔板圓極化器和介質(zhì)片極化器可以拓展帶寬，在超過30%的帶寬內(nèi)仍然有很好的相移特性，全金屬結構在應用中也具有更好的優(yōu)勢。其對稱結構可以抑制一部分高次模的產(chǎn)生，提高了性能。

依據(jù)設計經(jīng)驗[4-5]，方波導口徑a的尺寸越大越有利于提高極化器性能，但也容易產(chǎn)生高次模；波齒高度和齒寬的趨小化設計對性能提高也十分有利，不過這樣容易使總體尺寸過長，不利于器件制冷需要。

參考微波波導型號與參數(shù)設計標準，矩形波導截止頻率fc、起始頻率和終止頻率與口徑a的關系分別如(3)、(4)、(5)式：

fc=149.9/a(GHz)，

(3)

1.25fc=187.375/a(GHz)，

(4)

1.90fc=284.81/a(GHz)，

(5)

方波導口徑a與波長λc和主模TEmn之間存在如(6)式關系：

(6)

2.2 仿真設計

綜合上述關系，方波導對稱波紋結構移相器確定為設計首選。通過計算分析，適合32 GHz～48 GHz波段的方波導口徑基本寬度需大于5.69 mm。波紋間距為0.15個中心頻率波長，波紋寬度為0.04個中心頻率波長[6]。實驗波紋設計為10對，可以得到30°左右的相移量。根據(jù)指標需求和初始實驗參數(shù)，利用HFSS設計的模型如圖3。

為了得到較高的圓極化率或者低軸比，波紋波導移相器原則上具有較大的口徑和較長的尺寸，以便于抑制高次模。通過反復實驗獲得，方波導端口最優(yōu)尺寸為6.24 mm × 6.24 mm，由上下30對齒構成?？紤]更好的駐波和反射特性，兩端口處3對齒為過渡段，高度呈線性遞增，中間24對齒的高度相等[4]。其他設計參數(shù)如表1。整個移相器尺寸為6.24 mm × 6.24 mm × 50.25 mm。

圖3 波紋波導差分移相器

Fig.3 A model of the difference phase shifter for the corrugated waveguide

表1 波導移相器相關參數(shù)設置Table 1 Parameter values of the phase shifter

2.3 結果分析

通過不斷優(yōu)化齒高和齒間距以及端口尺寸，得到以下仿真結果?？梢钥吹?，在設計帶寬上移相角度已經(jīng)接近90°。

移相曲線如圖4，在40%的相對帶寬內(nèi)可以得到90°±7.5°的相位特性，即可以得到1.2 dB的軸比特性，這是在如此寬的頻帶內(nèi)，其它類型移相器不能達到的性能。

圖4 移相特性
Fig.4 The simulated characteristic curve of phase shift vs. frequency of the phase shifter

圖5和圖6分別顯示了在7 mm波段經(jīng)過HFSS仿真計算后的端口駐波比和兩個主模的回波反射特性。TE01和TE10模都具有小于-40 dB的反射特性，可以得到小于1.02端口駐波比，性能優(yōu)于科學目標設定的25 dB。

圖5 駐波比特性曲線
Fig.5 The simulated characteristic curves of VSWR vs. frequency of the phase shifter

圖6 端口回波反射特性曲線
Fig.6 The simulated characteristic curves of port reflecion vs. frequency of the phase shifter

3 結 論

通過研究，提出采用波紋波導差分極化器的方式實現(xiàn)7 mm波段寬頻帶的移相性能。利用HFSS軟件，仿真并優(yōu)化了該差分移相器的具體尺寸和性能。結果表明，在32 GHz～48 GHz頻段得到了很好的性能指標。在40%的帶寬內(nèi)得到90°±7.5°的相位特性，兩個主模的帶內(nèi)反射系數(shù)均小于-40 dB(即小于1.02的駐波比特性)，軸比小于1.2 dB?？傞L度尺寸較小，端口符合國際標準，便于下一步展開對正交模轉換器的設計及組合測試，適合射電天文接收機設備制冷需要。鑒于整個饋源與極化器技術路線設計復雜，上述結果是在假定理想狀態(tài)下測得；雖然如此，良好的性能也為日后進一步的設計和制造提供了有用價值。

[1] 梁曉靖. 8 GHz～18 GHz波紋方波導移相器的研究[J]. 現(xiàn)代雷達, 2010, 32(10): 70-72+76. Liang Xiaojing. Analysis and design of 8GHz-18GHz square waveguide phase shifter with rectangular iris[J]. Modern Radar, 2010, 32(10): 70-72+76.

[2] 王錦清, 仲偉業(yè). 上海65 m射電望遠鏡Ka波段極化器設計[J].中國科學院上海天文臺年刊, 2009(30): 39-50. Wang Jinqing, Zhong Weiye. The design of SH 65 radio telescope Ka band polarizer[J]. Annals of Shanghai Observatory Academia Sinica, 2009(30): 39-50.

[3] Yan Runqing. Base of microwave technology[M]. Beijing: Beijing institute of Technology Press, 2004.

[4] 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): 36-38. Ruan Yunguo, Li Zhensheng, Deng Zhiyong. Analysis of corrugated waveguide polarizer[J]. Radio Communications Technology, 2008, 34(2): 36-38.

[5] 陳錫斌. 圓波導極化器原理及設計[J]. 電子技術, 1987(8): 363-365.

[6] 魏振華. 倍頻程圓極化喇叭天線的研究[D]. 北京: 國防科學技術大學, 2008.

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

A Study of a Broadband Difference Phase Shifter for a Corrugated Waveguide

Zhao Panpan1, Chen Maozheng1,2

(1. Xinjiang Observatory, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China, Email: qfnu0537@163.com; 2. Key Laboratory of Radio Astronomy, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

Radio telescopes for future observations need to have outstanding capacities and high levels of versatility. It is also important to enlarge detection fields of radio telescopes through increasing efficiencies and sensitivities. A waveguide polarizer is the most important device in a radio receiver, and a phase shifter is a key component of a waveguide polarizer. A high-performance phase shifter can enhance astronomical applications of a radio receiver. Based on a detailed analysis of characteristics of a phase shifter for a corrugated waveguide we propose a design to optimize the structure of a difference phase shifter working in 32GHz-48GHz (7mm-band) for a corrugated waveguide. Our simulations show that it can generate phase shifts within 90°±7.5° throughout a relative bandwidth of 40% with its VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) only about 1.02. The design is expected to help development of receiver systems in radio astronomy given the small size, broad working bandwidth, and high performance of the phase shifter.

Waveguide phase shifter; Broadband; Phase shift; VSWR

國家自然科學基金 (11253001, 11153002) ；“西部之光”人才培養(yǎng)計劃 (RCPY201002) 資助.

2014-02-20；修定日期：2014-03-10

趙盼盼，男，碩士. 研究方向：射電天文技術與方法. Email: qfnu0537@163.com

TN623

A

1672-7673(2015)01-0009-05