新型矩形波導極化轉換裝置設計與仿真

蓋俊峰，張煒麟，趙貝貝，常 陽，張丹陽

（91206 部隊，山東 青島 266108）

電磁波極化現象對于無線電通信具有重要意義，可直接影響無線通信的傳輸效率、安裝成本、安裝靈活性和保密性等[1]，因此一直以來都被相關學者高度關注[2-3]。

矩形微波波導是線極化電磁波信號的理想傳輸線，通常簡稱為矩形波導，為定義好尺寸的矩形空腔管。矩形波導端面由2 條長邊和2 條短邊構成，當短邊垂直于水平面時稱為H面傳輸，當長邊垂直于水平面時稱為E面傳輸。在矩形波導傳輸線系統中，經常會遇到H面傳輸和E面傳輸需要連接的情況。由于H面和E面傳輸的線極化波極化方向垂直，具有電磁信號隔離特性，即極化隔離特性，因此不能彼此垂直地直接連接，必須通過特殊微波器件即極化轉換裝置進行連接，才能保證電磁信號低衰減傳輸。文獻[4]至[12]分別對極化轉換器件進行了研究。傳統的微波矩形波導極化轉換裝置通常為階梯式扭轉或波導管直接扭轉等結構，存在結構形式復雜、加工過程繁瑣、品控難度大和體積較大等缺點。

本文針對上述缺點，設計了一種新型的極化轉換裝置結構，在保證電磁信號低衰減傳輸的同時，具有結構簡單、加工和品控難度小、體積較小的優點。通過電磁仿真軟件HFSS 給出了極化轉換裝置的3D 電磁仿真模型，并通過與傳統極化轉換器結構駐波系數仿真對比，驗證了本文設計的先進性。

1 矩形波導中電磁波的極化轉換

1.1 線極化電磁波

電磁波的極化是指電場矢量E保持在某一個固定方向振動或按某一規律旋轉振動的現象。平面電磁波是橫波，其E矢量可以在垂直于傳播方向（波矢k的方向）的任意方向振動。如果在垂直于傳播方向的平面內，E的振動限于某一固定方向，稱為線極化。電場E的振動方向，稱為極化方向。極化方向與傳播方向所構成的平面，稱為極化面。共有3 種極化波類型，分別是線極化波、圓極化波和橢圓極化波。由于矩形波導只能傳導線極化波，因此圓極化和橢圓極化不在本文研究之列。

電磁波E沿z軸方向傳播一般可分解為在x軸方向和y軸方向的Ex和Ey

在x方向和y方向的Ex和Ey的振幅、相位之間的關系可以得到合成電磁波極化狀態，為便于分析，取當z=0 的給定點來分析，這時式（1）和（2）可寫為

電磁波E在x方向和y方向的分量的相位差為0或者±π，ΔΦ=Φx-Φy=0 或±π 的時候為線極化波，下面來討論這2 種情況。

當ΔΦ=0 時，所合成的E大小可以為

合場波電場強度E的方向與x軸的夾角可表示為

a若大于0，說明其夾角在第一或第三象限，即所合成波電場強度E的數值大小隨時間t在改變但其軌跡與x軸夾角始終保持不變，所以為直線極化波。

當ΔΦ=π 時，設Φx初相位為0，所合成E的大小

合場波電場強度E的方向與x軸的夾角可表示為

b若小于0，說明其夾角在第二或第四象限，合成波電場強度E的數值大小隨時間t在改變但其軌跡與x軸夾角始終保持不變，所以也為直線極化波。

由以上分析可知，線極化波是當電磁波E在x軸方向和y軸方向分量的相位差為0 或±π 時，E的矢徑沿直線變化的軌跡不變。在工程應用上，常常把線極化波分為水平極化波和垂直極化波。垂直極化波為合成波電場的矢量僅在垂直方向或者y方向上發生變化。水平極化波為合成波電場的矢量僅在水平方向或者x方向上發生變化。另外，還有交叉極化與共面極化的情況，與本文相關性不大，故在此不做分析。

1.2 線極化波的極化轉換

在矩形波導H面傳輸和E面傳輸連接時，為克服電磁波極化隔離特性，必須通過極化轉換裝置進行連接，才能保證電磁信號低衰減傳輸。極化轉換裝置性能的優劣通常由駐波比表征。駐波比是指駐波波腹電壓與波谷電壓幅度之比，又稱為駐波系數。駐波比等于1 時，表示傳輸線與極化轉換裝置阻抗完全匹配，此時高頻能量無衰減傳輸，沒有電磁波能量的反射損耗；駐波比為無窮大時，表示全反射，電磁波能量未能正常傳輸。

駐波比可表示為

式中：VSWR表示駐波比；Umax表示波腹電壓；Umin表示波谷電壓。

在電磁波極化轉換過程中，通過計算傳輸線的駐波比便可判斷極化轉換裝置的性能優劣。駐波比越接近1 時，表示其性能越優良。

2 極化轉換裝置設計

基于上述線極化電磁波理論分析，針對現有微波極化轉換技術的改進需求，本文提出一種微波極化轉換裝置，用HFSS 軟件完成建模。該極化轉換裝置采用蝴蝶結形狀結構，設置在H面波導腔體與E面波導腔體之間，該蝴蝶結結構的微波極化轉換裝置在波導傳輸垂直方向上旋轉一定角度，當H面電磁信號進入該結構時，電磁信號被結構扭轉傳輸，旋轉90°后從E面傳輸線傳出。H面波導腔體與E面波導腔體相互垂直，極化轉換裝置分別與H面波導腔體以及E面波導腔體之間形成夾角，極化轉換器為蝴蝶結形腔體，分別與H面波導腔體以及E面波導腔體之間形成的夾角為30～60°。

圖1 為本文設計的極化轉換裝置的內腔結構3D電磁仿真計算模型。

圖1 極化轉換裝置內腔結構3D 電磁仿真計算模型

3 仿真分析

本文選取一種傳統結構的微波極化轉換裝置作為仿真對比，由HFSS 軟件完成建模。圖2 為傳統極化轉換裝置的內腔結構3D 電磁仿真計算模型。

圖2 傳統極化轉換裝置內腔結構3D 電磁仿真計算模型

基于圖2 的內腔結構3D 電磁仿真計算模型，用HFSS 可以分別仿真出在理想導體邊界條件下，采用相同波端口激勵時的腔體內部電場分布，如圖3 所示。

圖3 本文極化轉換裝置內腔電場分布

由仿真結果可以看出，2 種結構的極化轉換裝置均保持了電磁波信號的波形狀態，未發生明顯的電磁能量衰減。相比之下，本文設計的極化轉換裝置結構更為巧妙，使電磁波經一步扭轉便實現了極化方向的轉換。

駐波系數可以直觀反映微波器件為傳輸線系統引入的插入損耗，從而對極化轉換裝置性能進行量化。通過HFSS 仿真，可以得到2 種內腔結構的駐波系數曲線，分別如圖4、圖5 所示。

圖4 傳統極化轉換裝置駐波系數曲線

圖5 本文極化轉換裝置駐波系數曲線

圖4 為現有技術極化轉換裝置駐波系數曲線，圖5 為本文極化轉換裝置駐波系數曲線。由仿真結果可知，現有技術中主要使用頻率段的駐波小于1.15，本文的微波極化轉換裝置主要使用頻率段的駐波小于1.03，遠遠優于傳統結構的電氣性能指標。本文裝置的蝴蝶結形結構可實現電磁信號的一步扭轉，可以在駐波段形成傳輸零點，從而達到展寬使用帶寬和超低駐波性能的目的。

綜上可知，本文設計的矩形波導極化轉換裝置與現有技術相比，具有以下優點。

H面波導腔體、極化轉換裝置以及E面波導腔體之間的螺釘數量減少，不僅使安裝和拆卸方便，還減少了極化轉換器件的磨損，可延長其使用壽命。

能夠滿足相應的技術指標要求，具有駐波比小、插入損耗小等優良性能。

只需要設置1 個極化轉換單元，在能夠實現波導傳輸極化轉換功能的同時，具有結構簡單、加工和品控難度小、體積較小的優點。

4 結論

本文分析了矩形波導中線極化電磁波的極化轉換過程，提出了一種矩形波導極化轉換裝置的設計方法，通過與現有技術極化轉換裝置性能指標進行仿真對比，驗證了本文所設計矩形波導極化轉換裝置的先進性。