張海福，朱海波，吳蓉蓉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種Ka/EHF雙頻段圓極化器的設(shè)計(jì)

張海福，朱海波，吳蓉蓉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

為了獲得更大的通信容量，衛(wèi)星通信頻率將由Ku/Ka向更高的Ka/EHF頻段發(fā)展，Ka/EHF雙頻段圓極化器是EHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。設(shè)計(jì)了一種Ka/EHF雙頻段波導(dǎo)圓極化器，同時(shí)提出了一種新穎的Ka/EHF雙頻段極化分解器，該圓極化器和極化分解器獲得了良好的駐波比和相位特性。借助仿真軟件對(duì)圓極化器和極化分解器的尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并進(jìn)行了加工和測(cè)試。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，對(duì)所提出圓極化器和極化分解器的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

圓極化器；極化分解器；Ka/EHF雙頻段；軸比

0 引言

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的飛速發(fā)展，為了獲取更多的通信帶寬以及在有限的空間實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的抗干擾能力，衛(wèi)星通信的工作頻段逐步向雙頻段、更高頻率發(fā)展[1]。目前，Ka頻段在軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛使用，Ku/Ka雙頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)建立，但更高頻率的Ka/EHF等雙頻段仍是一個(gè)尚待研究的領(lǐng)域，是未來(lái)發(fā)展的方向[2]。

雙頻圓極化器是雙頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的重要組成部分，一直是微波天線領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，圓極化器的種類(lèi)有很多，如鐵氧體、微帶和波導(dǎo)等[3]。波導(dǎo)圓極化器相對(duì)而言損耗小、功率容量高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且可靠性高[4]。波導(dǎo)金屬膜片式圓極化器是目前應(yīng)用最為廣泛的形式，其插入損耗小，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)雙頻工作，并能獲得良好的效果[5]。

本文所設(shè)計(jì)的雙頻圓極化器2個(gè)工作頻段分別為EHF和Ka頻段，高低段中心頻率比高達(dá)2.15∶1，且最高頻率達(dá)到45.5 GHz，這在目前鮮有報(bào)道，采用方波導(dǎo)金屬膜片式圓極化器形式，達(dá)到了較高的指標(biāo)。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 金屬膜片式圓極化器結(jié)構(gòu)示意

2個(gè)在空間上相互垂直，幅度相等且相位差為90°的線極化波疊加即可形成圓極化波[6]。金屬膜片圓極化器是利用金屬膜片使饋入波導(dǎo)中的兩正交線極化波形成90°相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)圓極化[7]。膜片對(duì)x和y兩個(gè)方向的極化分別呈現(xiàn)感性電納和容性電納性質(zhì)，從而使Ex分量相位滯后，Ey分量超前[8]。選擇適當(dāng)?shù)牟▽?dǎo)口徑、膜片數(shù)量和深度，就可以使Ex和Ey實(shí)現(xiàn)90°的相位差、實(shí)現(xiàn)圓極化。當(dāng)輸入2個(gè)頻率的正交線極化波時(shí)就可以形成雙頻圓極化波[9]。

1.2 圓極化器設(shè)計(jì)

本文所討論的雙頻段圓極化器低頻段為20.2～21.2 GHz，高頻段為43.5～45.5 GHz，高低頻段相隔太遠(yuǎn)，無(wú)法同時(shí)在高低頻段內(nèi)用單模傳輸[10]。選擇合適的波導(dǎo)邊長(zhǎng)極為關(guān)鍵，要使低頻段能高效通過(guò)，同時(shí)高頻段激勵(lì)起的高次模盡可能少，以減少高次模對(duì)圓極化器性能指標(biāo)的影響[11]。膜片間距主要影響圓極化器的駐波比特性，并對(duì)相移有一定的影響。膜片對(duì)數(shù)主要決定圓極化器的帶寬特性，膜片對(duì)數(shù)越多，越容易獲得較寬的帶寬。膜片深度主要決定圓極化器的相移量，膜片深度越深，相移越大[12]。

方波導(dǎo)圓極化器為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)以TE10模和TE01模激勵(lì)時(shí)，最先出現(xiàn)的高次模為T(mén)E12模、TM12模、TE21模和TM21模，為使其在圓極化器內(nèi)截止，同時(shí)考慮低段傳輸特性，方波導(dǎo)邊長(zhǎng)選為9.1 mm[13]。為了在高低段都達(dá)到良好的駐波特性，膜片間距初步選為高頻段中心頻率的1/6[14]。高低段相對(duì)帶寬都達(dá)到5%，為保證良好的寬帶特性，膜片對(duì)數(shù)最終選28對(duì)。膜片深度采用兩邊逐漸加深、中間膜片等深度分布的布局，這樣既能保證駐波良好，又能保證所需的相移量[15]。

1.3 極化分解器設(shè)計(jì)

當(dāng)圓極化器的輸入用方波導(dǎo)饋入時(shí)，首要任務(wù)是形成2個(gè)空間上相互正交的線極化波，這就需要一個(gè)極化分解裝置將一路線極化信號(hào)分解成2路幅度相等，極化角相差90°的信號(hào)[16]。

雙頻段線極化分解器的設(shè)計(jì)基于對(duì)稱(chēng)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)中極化角漸變的思想，提出了一種對(duì)稱(chēng)漸變過(guò)渡的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使其能實(shí)現(xiàn)線極化的分解功能，將一路線極化波分解成2路幅度相等并且相互正交的線極化波(45°斜極化)，有效地解決了方波導(dǎo)饋入時(shí)圓極化器無(wú)法獲得高性能的問(wèn)題[17]。

極化分解器同樣要兼顧2個(gè)頻段，為消除高次模影響，其邊長(zhǎng)尺寸與圓極化器一致，為9.1 mm[18]。為達(dá)到良好的駐波比及帶寬特性，其長(zhǎng)度由精確仿真確定。

2 仿真優(yōu)化

使用HFSS電磁仿真軟件對(duì)所提出的圓極化器和極化分解器方案進(jìn)行仿真，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，仿真建模時(shí)充分考慮加工的可實(shí)現(xiàn)性，對(duì)加工精度的要求進(jìn)行了一定的控制，并對(duì)一些不易加工的地方做了相關(guān)處理[19]。圓極化器建模過(guò)程中考慮到了結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，設(shè)置一個(gè)對(duì)稱(chēng)E面，一個(gè)對(duì)稱(chēng)H面，只仿真了整體結(jié)構(gòu)的1/4，使仿真時(shí)間大大減少。最終尺寸和仿真模型如圖2和圖3所示，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖2 金屬膜片式圓極化器仿真模型

圖3 極化分解器仿真模型

仿真時(shí)為減少高次模的影響，調(diào)整膜片間距將高次模移到帶外，得到的仿真結(jié)果令人滿意。其中，圖4(a)和圖4(b)分別為圓極化器高低頻段的駐波比；圖4(c)和圖4(d)分別為圓極化器高低頻段兩正交極化波的相位差。圖5(a)和圖5(b)分別為極化分解器高低頻段的駐波比。仿真結(jié)果表明，圓極化器在高低頻段內(nèi)駐波比均<1.15，高低頻段內(nèi)的相位差均在90°±6°以?xún)?nèi)，極化分解器在高低頻段內(nèi)駐波比<1.1。所優(yōu)化雙頻圓極化器和極化分解器的結(jié)構(gòu)和尺寸得到了十分優(yōu)越的性能，不僅達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)值，而且有較高冗余。

圖4 圓極化器仿真結(jié)果

圖5 極化分解器高低頻段駐波比

3 測(cè)試結(jié)果分析

實(shí)際制作的雙頻段圓極化器和極化分解器如圖6所示。圓極化器結(jié)構(gòu)采用2個(gè)對(duì)稱(chēng)的金屬結(jié)構(gòu)用螺釘鎖緊方式，貼合面加銷(xiāo)釘以使上下面嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)。極化分解器采用一體加工成型結(jié)構(gòu)以保證尺寸精度。

(a) 圓極化器

(b) 極化分解器

為了對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，將圓極化器和極化分解器級(jí)聯(lián)起來(lái)并連接相對(duì)應(yīng)的正交模耦合器和天線，對(duì)整個(gè)饋源的駐波比和軸比進(jìn)行了測(cè)試，以檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)圓極化器和極化分解器的駐波及相位特性指標(biāo)。整體測(cè)試得到的駐波比特性如圖7所示，實(shí)測(cè)的軸比如表1所示。

從圖7中可以看出，整個(gè)饋源在高低頻段內(nèi)的駐波比均<1.5，完全可以滿足使用要求?？紤]到正交模耦合器和天線引入的駐波，圓極化器和極化分解器級(jí)聯(lián)后的駐波比基本在1.3以?xún)?nèi)，和仿真指標(biāo)相比有一定的惡化。考慮到膜片加工精度要求較高，加工誤差帶來(lái)的影響是指標(biāo)惡化的主要因素。

圖7 實(shí)測(cè)饋源駐波比特性

頻率/GHz20.220.721.243.544.545.5軸比/dB1.370.520.650.50.851.58

饋源軸比測(cè)試結(jié)果為<1.58，沒(méi)有達(dá)到理想的指標(biāo)，但仍在可接受范圍之內(nèi)。分析認(rèn)為加工誤差仍為主要因素，造成圓極化器相位特性惡化，極化分解器能量分配誤差增大，最終導(dǎo)致軸比變差。同時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試過(guò)程本身也會(huì)引入一定的軸比惡化。

從最終測(cè)試結(jié)果來(lái)看，受加工誤差所限，實(shí)際測(cè)得的指標(biāo)和仿真結(jié)果有一定的差距，但仍能保持良好的駐波比和軸比特性，完全滿足工程使用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)Ka/EHF頻段雙極化圓極化器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并提出了一種新穎的雙頻段極化分解器，得到了良好的駐波比和相位特性，最終的測(cè)試結(jié)果也能很好地滿足工程使用要求。為今后的Ka/EHF雙頻段衛(wèi)星天線和地球站天饋系統(tǒng)以及大規(guī)模陣列提供高性能圓極化器，具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。

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Designing of a Ka/EHF Dual-band Circular Polarizer

ZHANG Hai-fu,ZHU Hai-bo,WU Rong-rong

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

The frequency of satellite communication will move from Ku/Ka to higher Ka/EHF band to obtain greater communication capacity.Ka/EHF dual-band circular polarizer is one key device of satellite communication systems.A Ka/EHF dual-band circular polarizer is designed,while a new type of Ka/EHF dual-band polarization divider is proposed.The circular polarizer exhibits good VSWR and phase characteristic.And the polarization divider also exhibits good performance.Simulations software is employed to design and optimize the dimensions.And fabrication and test are also performed.Test results show a good agreement with simulations,which validates the performance of the proposed circular polarizer and polarization divider.

circular polarizer;polarization divider;Ka/EHF dual-band;axial ratio

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.07.15

張海福,朱海波,吳蓉蓉.一種Ka/EHF雙頻段圓極化器的設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2017,47(7):62-65.[ZHANG Haifu,ZHU Haibo,WU Rongrong.Designing of a Ka/EHF Dual-band Circular Polarizer[J].Radio Engineering,2017,47(7):62-65.]

2016-11-17

河北省重大科技成果轉(zhuǎn)化專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(14040322Z)。

TN622

A

1003-3106(2017)07-0062-04

張海福 男，(1986—)，工程師。主要研究方向：微波電路設(shè)計(jì)。

朱海波 男，(1986—)，工程師。主要研究方向：電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。