一種Ka/EHF雙頻段圓極化器的設計

張海福，朱海波，吳蓉蓉

(中國電子科技集團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計

張海福，朱海波，吳蓉蓉

(中國電子科技集團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，衛星通信頻率將由Ku/Ka向更高的Ka/EHF頻段發展，Ka/EHF雙頻段圓極化器是EHF衛星通信系統中的關鍵技術之一。設計了一種Ka/EHF雙頻段波導圓極化器，同時提出了一種新穎的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。借助仿真軟件對圓極化器和極化分解器的尺寸和結構進行了優化，并進行了加工和測試。測試結果與仿真結果吻合較好，對所提出圓極化器和極化分解器的性能進行了驗證。

圓極化器；極化分解器；Ka/EHF雙頻段；軸比

0 引言

隨著衛星通信技術的飛速發展，為了獲取更多的通信帶寬以及在有限的空間實現更強的抗干擾能力，衛星通信的工作頻段逐步向雙頻段、更高頻率發展[1]。目前，Ka頻段在軍事衛星通信系統中已經得到廣泛使用，Ku/Ka雙頻段的衛星通信系統已經建立，但更高頻率的Ka/EHF等雙頻段仍是一個尚待研究的領域，是未來發展的方向[2]。

雙頻圓極化器是雙頻段衛星通信系統中的重要組成部分，一直是微波天線領域研究的熱點之一，圓極化器的種類有很多，如鐵氧體、微帶和波導等[3]。波導圓極化器相對而言損耗小、功率容量高、結構簡單且可靠性高[4]。波導金屬膜片式圓極化器是目前應用最為廣泛的形式，其插入損耗小，通過合理的設計可實現雙頻工作，并能獲得良好的效果[5]。

本文所設計的雙頻圓極化器2個工作頻段分別為EHF和Ka頻段，高低段中心頻率比高達2.15∶1，且最高頻率達到45.5 GHz，這在目前鮮有報道，采用方波導金屬膜片式圓極化器形式，達到了較高的指標。

1 總體設計

1.1 工作原理

結構示意圖如圖1所示。

圖1 金屬膜片式圓極化器結構示意

2個在空間上相互垂直，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中的兩正交線極化波形成90°相位差來實現圓極化[7]。膜片對x和y兩個方向的極化分別呈現感性電納和容性電納性質，從而使Ex分量相位滯后，Ey分量超前[8]。選擇適當的波導口徑、膜片數量和深度，就可以使Ex和Ey實現90°的相位差、實現圓極化。當輸入2個頻率的正交線極化波時就可以形成雙頻圓極化波[9]。

1.2 圓極化器設計

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，無法同時在高低頻段內用單模傳輸[10]。選擇合適的波導邊長極為關鍵，要使低頻段能高效通過，同時高頻段激勵起的高次模盡可能少，以減少高次模對圓極化器性能指標的影響[11]。膜片間距主要影響圓極化器的駐波比特性，并對相移有一定的影響。膜片對數主要決定圓極化器的帶寬特性，膜片對數越多，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]。

方波導圓極化器為對稱結構，當以TE10模和TE01模激勵時，最先出現的高次模為TE12模、TM12模、TE21模和TM21模，為使其在圓極化器內截止，同時考慮低段傳輸特性，方波導邊長選為9.1 mm[13]。為了在高低段都達到良好的駐波特性，膜片間距初步選為高頻段中心頻率的1/6[14]。高低段相對帶寬都達到5%，為保證良好的寬帶特性，膜片對數最終選28對。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 極化分解器設計

當圓極化器的輸入用方波導饋入時，首要任務是形成2個空間上相互正交的線極化波，這就需要一個極化分解裝置將一路線極化信號分解成2路幅度相等，極化角相差90°的信號[16]。

雙頻段線極化分解器的設計基于對稱導波結構中極化角漸變的思想，提出了一種對稱漸變過渡的波導結構，使其能實現線極化的分解功能，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饋入時圓極化器無法獲得高性能的問題[17]。

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

2 仿真優化

使用HFSS電磁仿真軟件對所提出的圓極化器和極化分解器方案進行仿真，對各參數進行優化，仿真建模時充分考慮加工的可實現性，對加工精度的要求進行了一定的控制，并對一些不易加工的地方做了相關處理[19]。圓極化器建模過程中考慮到了結構的對稱性，設置一個對稱E面，一個對稱H面，只仿真了整體結構的1/4，使仿真時間大大減少。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

仿真時為減少高次模的影響，調整膜片間距將高次模移到帶外，得到的仿真結果令人滿意。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。仿真結果表明，圓極化器在高低頻段內駐波比均<1.15，高低頻段內的相位差均在90°±6°以內，極化分解器在高低頻段內駐波比<1.1。所優化雙頻圓極化器和極化分解器的結構和尺寸得到了十分優越的性能，不僅達到了設計目標值，而且有較高冗余。

圖4 圓極化器仿真結果

圖5 極化分解器高低頻段駐波比

3 測試結果分析

實際制作的雙頻段圓極化器和極化分解器如圖6所示。圓極化器結構采用2個對稱的金屬結構用螺釘鎖緊方式，貼合面加銷釘以使上下面嚴格對準。極化分解器采用一體加工成型結構以保證尺寸精度。

(a) 圓極化器

(b) 極化分解器

為了對仿真結果進行驗證，將圓極化器和極化分解器級聯起來并連接相對應的正交模耦合器和天線，對整個饋源的駐波比和軸比進行了測試，以檢驗所設計圓極化器和極化分解器的駐波及相位特性指標。整體測試得到的駐波比特性如圖7所示，實測的軸比如表1所示。

從圖7中可以看出，整個饋源在高低頻段內的駐波比均<1.5，完全可以滿足使用要求。考慮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聯后的駐波比基本在1.3以內，和仿真指標相比有一定的惡化。考慮到膜片加工精度要求較高，加工誤差帶來的影響是指標惡化的主要因素。

圖7 實測饋源駐波比特性

頻率/GHz20.220.721.243.544.545.5軸比/dB1.370.520.650.50.851.58

饋源軸比測試結果為<1.58，沒有達到理想的指標，但仍在可接受范圍之內。分析認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，最終導致軸比變差。同時，測試系統和測試過程本身也會引入一定的軸比惡化。

從最終測試結果來看，受加工誤差所限，實際測得的指標和仿真結果有一定的差距，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 結束語

本文對Ka/EHF頻段雙極化圓極化器進行了設計，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，最終的測試結果也能很好地滿足工程使用要求。為今后的Ka/EHF雙頻段衛星天線和地球站天饋系統以及大規模陣列提供高性能圓極化器，具有較大的工程應用價值和良好的應用前景。

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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計[J].無線電工程,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化專項基金資助項目(14040322Z)。

TN622

A

1003-3106(2017)07-0062-04

張海福 男，(1986—)，工程師。主要研究方向：微波電路設計。

朱海波 男，(1986—)，工程師。主要研究方向：電子設備結構設計。