向小春，張宇環(huán)，金偉清，馬巖冰，沈千朝

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

一種Ka頻段金屬膜片圓極化器設(shè)計(jì)

向小春，張宇環(huán)，金偉清，馬巖冰，沈千朝

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)Ka頻段圓極化器的苛刻需求，詳述了一種應(yīng)用于Ka頻段的金屬膜片式圓波導(dǎo)極化器，通過在圓波導(dǎo)內(nèi)插入一組對(duì)稱的金屬膜片實(shí)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(duì)圓極化器進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)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(dǎo)；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(duì)衛(wèi)星通信信道容量需求的增加及C、Ku頻段業(yè)務(wù)的逐漸飽和，對(duì)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(qiáng)的抗干擾能力得到了廣泛應(yīng)用。圓極化器作為衛(wèi)星通信圓極化天線饋電網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)化為圓極化波的微波器件，其種類很多，有介質(zhì)插片圓極化[1-2]、開槽波導(dǎo)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(dǎo)螺釘極化器[8-9]等。金屬膜片圓極化由于其具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕和寬頻帶等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于天線饋源系統(tǒng)中。

目前應(yīng)用于設(shè)計(jì)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(luò)級(jí)聯(lián)[12-13]等，力圖解決求解金屬膜片電磁特性算法復(fù)雜及對(duì)金屬膜片厚度處理不夠準(zhǔn)確的問題，實(shí)現(xiàn)金屬膜片圓極化設(shè)計(jì)的可優(yōu)化。隨著HFSS軟件技術(shù)的日益成熟，利用軟件的優(yōu)化功能來輔助圓極化設(shè)計(jì)成為可能。

在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，基于HFSS軟件結(jié)合電路模型設(shè)計(jì)了一種Ka頻段的金屬膜片圓極化器，并對(duì)圓極化器的相位差、幅度一致性和匹配特性進(jìn)行了分析。

1 圓極化器理論分析

1.1 電路模型分析

圓波導(dǎo)內(nèi)存在2種極化正交的模式，通過在圓波導(dǎo)的對(duì)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(gè)原理，可使圓波導(dǎo)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(duì)稱壁上的金屬膜片對(duì)x方向的極化分量呈現(xiàn)出感性，對(duì)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(dá)到圓極化的使用要求。

圖1 圓波導(dǎo)圓極化器結(jié)構(gòu)

圓波導(dǎo)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(duì)Ex分量來說，相當(dāng)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(duì)Ey分量而言，相當(dāng)于串聯(lián)電感，對(duì)應(yīng)的等效電納和歸一化電納分別為-B和-B/Y0。每個(gè)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(jì)算公式。通過上述公式即可得出金屬膜片對(duì)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(jié)構(gòu)參數(shù)，即可獲得實(shí)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(dǎo)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(jié)構(gòu)為升余弦分布。

1.2 圓極化器的關(guān)鍵參數(shù)分析

根據(jù)上述理論分析，圓波導(dǎo)圓極化器的關(guān)鍵參數(shù)有波導(dǎo)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(huì)增加加工的難度，對(duì)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(duì)。

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(duì)移相量影響很大，通常選取一個(gè)中間的最高金屬膜片深度hmax，兩側(cè)膜片高度按升余弦分布遞減。

2 圓極化器仿真設(shè)計(jì)與分析

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

圖4 圓波導(dǎo)圓極化器仿真模型

利用HFSS軟件的優(yōu)化功能，設(shè)置如表1所示的優(yōu)化目標(biāo)，以波導(dǎo)尺寸、膜片深度、膜片厚度、膜片間距為變量，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表1 圓極化器優(yōu)化目標(biāo)

優(yōu)化項(xiàng)目優(yōu)化目標(biāo)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(jié)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(shè)計(jì)的圓極化器性能達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)，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(luò)級(jí)聯(lián)法設(shè)計(jì)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(chǔ)上利用HFSS軟件進(jìn)行高精度有限元計(jì)算的設(shè)計(jì)方法，一則計(jì)算精度高，二則避開了繁雜的理論分析計(jì)算，大大提高了金屬膜片圓極化器仿真設(shè)計(jì)的效率，更加適用于產(chǎn)品的工程開發(fā)應(yīng)用，對(duì)同類微波器件的設(shè)計(jì)具有較好的參考價(jià)值。

3 結(jié)束語

基于衛(wèi)星天饋系統(tǒng)需求，利用等效電路方法進(jìn)行理論分析并利用HFSS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證了一種工作于Ka頻段的圓波導(dǎo)金屬膜片圓極化器。仿真結(jié)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(yīng)用，其設(shè)計(jì)方法也可為其他微波器件的設(shè)計(jì)提供參考。

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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(shè)計(jì)[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(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2015AA034102)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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。