一種X頻段雙圓極化器的設(shè)計

李珊珊

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

1 引言

隨著衛(wèi)星遙感器數(shù)目的增加、遙感器分辨率的提高和新型遙感器的在軌運(yùn)行，星地數(shù)據(jù)傳輸問題日漸突出。數(shù)據(jù)傳輸速率越來越大，使衛(wèi)星通信信道的頻帶資源非常緊張，成為我國傳輸型對地觀測衛(wèi)星面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。在解決數(shù)據(jù)傳輸頻帶受限問題的眾多技術(shù)途徑中，極化復(fù)用技術(shù)是一種較簡單的有效方法。采用極化復(fù)用方式，利用雙圓極化數(shù)傳天線，能夠提高1倍的頻帶利用率［1］。

目前，我國遙感衛(wèi)星的數(shù)傳系統(tǒng)大多基于X 頻段，因此設(shè)計用于實現(xiàn)雙圓極化特性的X 頻段雙圓極化器十分重要［1］。本文基于隔片式雙圓極化器的設(shè)計原理，設(shè)計了方波導(dǎo)（又稱為矩形波導(dǎo)）和圓波導(dǎo)兩種形式的X 頻段雙圓極化器。方波導(dǎo)雙圓極化器采用BJ100標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)作為輸入端，結(jié)構(gòu)為直通型，更為緊湊，且相位差范圍在（90°±2°），軸比達(dá)到0.5dB，在性能上有明顯的優(yōu)點。另外，針對圓波導(dǎo)雙圓極化器的主要參數(shù)（不包括饋電部分），進(jìn)行了調(diào)試，獲得了較滿意的結(jié)果，可為圓波導(dǎo)雙圓極化器的實現(xiàn)提供參考。

2 隔片式雙圓極化器的設(shè)計原理

在圓波導(dǎo)或方波導(dǎo)中插入一隔片（隔片為階梯狀），使圓波導(dǎo)或方波導(dǎo)在物理上由二端口網(wǎng)絡(luò)變成三端口網(wǎng)絡(luò)。用奇偶模理論來定性其工作原理：從端口1或端口2輸入TE10或TE11模信號，通過隔片之后，在公共端口3產(chǎn)生2個正交的電場強(qiáng)度。當(dāng)2個正交的電場強(qiáng)度滿足幅度相等、相位差＋90°或-90°時，就會形成左旋圓極化或右旋圓極化電磁波。這是因為：對于TE10模，在隔片區(qū)的傳播常數(shù)相對于空的方波導(dǎo)幾乎沒有變化；而對于TE01模，隔片區(qū)可以看成是鰭形或脊形波導(dǎo)，其傳播常數(shù)是隔片上階梯的高度和長度的函數(shù)。調(diào)整隔片中每段階梯的高度和長度，使入射信號在經(jīng)過整個隔片后產(chǎn)生所需的圓極化電磁波，并保證輸入端口具有良好的匹配性，以及輸入端口間的高隔離度。

雖然從幾何形狀上看，雙圓極化器是三端口網(wǎng)絡(luò)，但是從電性能上看，應(yīng)等效為四端口網(wǎng)絡(luò)，這因為方波導(dǎo)處的端口有兩個模式的波在傳輸，一個是TE10模，另一個是TE01模。雙圓極化器可能存在多種模式，但在選定網(wǎng)絡(luò)端口的參考面時，都讓其遠(yuǎn)離多模區(qū)域。在以下的分析中，假設(shè)雙圓極化器中的高次模都是截止的，且隔片無限薄。

如圖1所示，用ei和fi來分別描述一個行波在端口i（i＝1，2，3，4）的激勵和反射波幅值。其中：f1為反射回輸入端的功率，f2為無激勵輸入的耦合功率，f3和f4分別為相對幅度和相位。當(dāng)方波導(dǎo)內(nèi)偶模激勵，即e1＝e2＝1、e3＝e4＝0時，上下波導(dǎo)的電場和磁場分布相同，而公共壁兩邊的電流方向相反，因此，公共壁的槽縫對場的分布不產(chǎn)生影響，偶模的傳輸不受隔片的影響，并且會將所有的能量在方波導(dǎo)口處轉(zhuǎn)換成TE10模式［2］。當(dāng)方波導(dǎo)內(nèi)奇模激勵，即e1＝1、e2＝-1、e3＝e4＝0時，下波導(dǎo)內(nèi)的場和電流沿著與偶模激勵時相反的方向流動，此時，公共壁兩邊的電流流向相同，公共壁的槽縫會影響場的分布，導(dǎo)致模式的耦合和反射。雙矩形波導(dǎo)中奇模的橫向場是奇模上下對稱，而方波導(dǎo)中TE10模是偶模上下對稱，它們之間無耦合。因此，奇模的能量在方波導(dǎo)中部分轉(zhuǎn)化成TE01模，部分反射。

圖1 雙圓極化器等效網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Equivalent network of dual-circular polarizer

雙圓極化器工作時，端口1的激勵等效為偶模和奇模激勵的疊加，可得

式中：Γ 為奇模激勵的反射系數(shù)；θ為輸出端口相位差，決定了軸比和橢圓極化波的主軸傾角。

在反射波幅值中，f1決定了電壓駐波比（VSWR），f2決定了隔離度，對于理想的圓極化波，f3和f4必須幅度相等，相位差90°，因此設(shè)計時的主要工作就是減?。＃?，并且保持相位角盡可能接近90°［2］。文獻(xiàn)［3］中給出了幾種工作在不同頻帶下的隔片式雙圓極化器結(jié)構(gòu)，在實際設(shè)計中，可將此作為設(shè)計參考。

3 設(shè)計實例與仿真驗證

3.1 設(shè)計實例

根據(jù)任務(wù)要求，雙圓極化器的設(shè)計指標(biāo)如下：工作頻段為7.8～8.6GHz；極化隔離度不小于25dB；端口電壓駐波比小于1.2。在滿足此設(shè)計目標(biāo)的前提下，為適應(yīng)星載使用，需要使產(chǎn)品尺寸盡量小，且接口具有通用性。

經(jīng)過數(shù)次仿真發(fā)現(xiàn)，波導(dǎo)尺寸的大小對中心頻率的高低有很大的影響，因此，經(jīng)過反復(fù)計算，最后確定使用BJ100波導(dǎo)作為雙圓極化器的輸入端口。方波導(dǎo)口的尺寸設(shè)定為：波導(dǎo)窄邊a＝10.2mm；波導(dǎo)寬邊b＝22.9mm；隔片厚度t＝2.5mm。其他參數(shù)在設(shè)計時以此端口尺寸為設(shè)計前提，隔片結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 隔片結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Configuration of septum

假定設(shè)計中心頻率在自由空間的波長為λ0，經(jīng)過計算和仿真，確定隔片參考尺寸。其中：a1＝0.329λ0，b1＝0.093λ0；a2＝0.299λ0，b2＝0.214λ0；a3＝0.293λ0，b3＝0.315λ0；a4＝0.096λ0，b4＝0.471λ0；a5＝0.153λ0，b5＝22.9mm。

目前，圓波導(dǎo)隔片式雙圓極化器在國內(nèi)應(yīng)用很少，其主要結(jié)構(gòu)與方波導(dǎo)的類似，具有極化器與饋源連接簡單、易于匹配等優(yōu)點。文獻(xiàn)［4］中給出了圓波導(dǎo)中的正交模激勵圖。經(jīng)過調(diào)試，本文設(shè)計的圓波導(dǎo)隔片式雙圓極化器選擇隔片為6階，參考尺寸如下：a1＝0.19λ0，b1＝0.019λ0；a2＝0.334λ0，b2＝0.11λ0；a3＝0.253λ0，b3＝0.219λ0；a4＝0.252λ0，b4＝0.334λ0；a5＝0.096λ0，b5＝0.595λ0；a6＝0.417λ0，b6＝0.712λ0；圓波導(dǎo)直徑d＝b6，隔片厚度t＝0.044λ0。

3.2 仿真驗證

使用CST仿真軟件對上述設(shè)計進(jìn)行仿真驗證，并對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。仿真模型見圖3。

圖3 雙圓極化器仿真模型Fig.3 Simulation model of dual-circular polarizer

方波導(dǎo)雙圓極化器的仿真結(jié)果，見圖4～6。圓極化波的實現(xiàn)條件是兩空間正交的電場矢量等幅，且相位差±90°。通過數(shù)值方法，首先計算橫向電場平行和垂直于方波導(dǎo)中部分高度隔片的兩電磁波傳播常數(shù)的差，同時還要考慮到隔片臺階對兩模產(chǎn)生的相位差，使兩模的總相位差在90°附近。具體參見文獻(xiàn)［5-6］。經(jīng)過調(diào)試后，雙圓極化器在設(shè)計頻段的相位差控制在（90°±2°）。

圖4 隔離度仿真結(jié)果（方波導(dǎo)）Fig.4 Simulation results of disturbance isolation（square waveguide）

圖5 相位差仿真結(jié)果（方波導(dǎo)）Fig.5 Simulation results of phase difference（square waveguide）

圖6 輸入端口1的電壓駐波比仿真結(jié)果（方波導(dǎo)）Fig.6 Simulation results of VSWR1（1）（square waveguide）

將上述方波導(dǎo)雙圓極化器與一波紋喇叭結(jié)合，形成雙圓極化天線（見圖7），雙圓極化器軸比仿真結(jié)果見圖8。在該天線輻射范圍（軸向±4°）內(nèi)，雙圓極化器的軸比小于0.5dB，特性很好。

圖7 雙圓極化天線的仿真模型Fig.7 Simulation model of dual-circular polarization antenna

圖8 雙圓極化器軸比仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of axis ratio for dual-circular polarizer

在圓波導(dǎo)雙圓極化器中，通過適合的階梯式隔片結(jié)構(gòu)，每個輸入端口在圓波導(dǎo)中激勵出兩個正交的幅度近似相等的TE11⊥和TE11‖模［4，7］，仿真結(jié)果見圖9～11。

圖9 隔離度仿真曲線（圓波導(dǎo)）Fig.9 Simulation results of disturbance isolation（circular waveguide）

圖10 電壓駐波比仿真結(jié)果（圓波導(dǎo)）Fig.10 Simulation results of VSWR（circular waveguide）

圖11 相位差仿真結(jié)果（圓波導(dǎo)）Fig.11 Simulation results of phase difference（circular waveguide）

雙圓極化器性能參數(shù)見表1。

表1 雙圓極化器性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of dual-circular polarizer

4 結(jié)論

本文基于隔片式雙圓極化器的設(shè)計原理，設(shè)計了方波導(dǎo)和圓波導(dǎo)兩種不同波導(dǎo)形式的X 頻段雙圓極化器，并經(jīng)過計算和仿真確定了設(shè)計參數(shù)。該設(shè)計方法可用于實現(xiàn)大功率、寬頻帶的雙圓極化器，使雙圓極化器具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、功率容量大和適宜星載使用等優(yōu)點。仿真結(jié)果顯示，設(shè)計出的雙圓極化器，其相位誤差小于3°，隔離度大于29dB，電壓駐波比小于1.2，軸比小于0.5dB，具有很好的圓極化性能，可用于星載X 頻段雙圓極化數(shù)傳天線的設(shè)計。

（References）

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