一种Ka频段金属膜片圆极化器设计

向小春，张宇环，金伟清，马岩冰，沈千朝

(上海航天电子技术研究所，上海 201109)

一种Ka频段金属膜片圆极化器设计

向小春，张宇环，金伟清，马岩冰，沈千朝

(上海航天电子技术研究所，上海 201109)

针对卫星通信系统对Ka频段圆极化器的苛刻需求，详述了一种应用于Ka频段的金属膜片式圆波导极化器，通过在圆波导内插入一组对称的金属膜片实现圆极化，并采用升余弦分布方式调整膜片插入深度、间距以及膜片厚度等参数以改善移相量和阻抗匹配特性。利用HFSS软件对圆极化器进行了仿真设计，仿真结果表明，所设计的圆极化器在所需的工作频段内相移量为90°±2°，电压驻波比小于1.10，具有良好的圆极化性能及阻抗匹配特性。

圆极化器；圆波导；Ka频段； 金属膜片

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

随着对卫星通信信道容量需求的增加及C、Ku频段业务的逐渐饱和，对工作于更高频段、较大带宽的卫星通信系统的需求越来越紧迫。在卫星通信中，圆极化天线由于具有较强的抗干扰能力得到了广泛应用。圆极化器作为卫星通信圆极化天线馈电网络的重要部件，其性能的好坏直接决定了天线的圆极化性能。

圆极化器是一种将入口的线极化波转化为圆极化波的微波器件，其种类很多，有介质插片圆极化[1-2]、开槽波导圆极化器[3-4]、隔板极化器[5-6]、金属膜片极化器[7]和圆波导螺钉极化器[8-9]等。金属膜片圆极化由于其具有结构紧凑、体积小、重量轻和宽频带等特点而被广泛应用于天线馈源系统中。

目前应用于设计金属膜片圆极化器的方法有模式匹配法[10-11]、解析法和网络级联[12-13]等，力图解决求解金属膜片电磁特性算法复杂及对金属膜片厚度处理不够准确的问题，实现金属膜片圆极化设计的可优化。随着HFSS软件技术的日益成熟，利用软件的优化功能来辅助圆极化设计成为可能。

在总结前人研究的基础上，基于HFSS软件结合电路模型设计了一种Ka频段的金属膜片圆极化器，并对圆极化器的相位差、幅度一致性和匹配特性进行了分析。

1 圆极化器理论分析

1.1 电路模型分析

圆波导内存在2种极化正交的模式，通过在圆波导的对称壁上加载一定数量的周期性或非周期性金属膜片[14]，可以改变2种模式的传播常数[15]。利用这个原理，可使圆波导输出端的2种模式等幅且相差90°，从而形成圆极化[16]。如图1所示，对称壁上的金属膜片对x方向的极化分量呈现出感性，对y方向的极化分量呈现容性，前者使得Ex相位超前，后者使得Ey相位滞后。通过调节圆极化器金属膜片的参数，即可使得Ex、Ey的相差在一定工作带宽内保持在90°，达到圆极化的使用要求。

图1 圆波导圆极化器结构

圆波导圆极化器的等效电路如图2和图3所示。

图2 等效电路

图3 新的等效电路

对Ex分量来说，相当于在微波传输中并联电容，等效电纳为B，归一化电纳为B/Y0；对Ey分量而言，相当于串联电感，对应的等效电纳和归一化电纳分别为-B和-B/Y0。每个膜片中的电路又可等效为一段新的传输线，等效电纳和传播常数分别为Y0′和β′，如图3所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～式(4)[18]给出了等效电路计算公式。通过上述公式即可得出金属膜片对Ex分量和Ey分量的移相量，通过调整金属膜片的插入深度、厚度及间距等结构参数，即可获得实现圆极化所需的90°移相。

为使极化器获得良好的匹配特性，金属膜片深度沿波导轴向需采用渐变分布，如图1(b)所示，通常采用的渐变分布有升余弦或高斯分布[17]，本文所选用的渐变结构为升余弦分布。

1.2 圆极化器的关键参数分析

根据上述理论分析，圆波导圆极化器的关键参数有波导口尺寸、膜片深度、膜片间距、膜片厚度及膜片数量等，膜片数量的增加，可一定程度上改善圆极化器的带宽，但会增加加工的难度，对于Ka频段来说更是如此。因此本文选取的金属膜片的数量为10对。

为减小金属膜片间的耦合，金属膜片的间距d需满足大于膜片厚度的2倍：

d>2t。

(5)

金属膜片的厚度一般选取：

t=0.05λ0～0.1λ0。

(6)

膜片深度对移相量影响很大，通常选取一个中间的最高金属膜片深度hmax，两侧膜片高度按升余弦分布递减。

2 圆极化器仿真设计与分析

根据以上分析结果，选取了圆波导圆极化器的初始尺寸，在HFSS软件中进行建模仿真，仿真模型如图4所示。

图4 圆波导圆极化器仿真模型

利用HFSS软件的优化功能，设置如表1所示的优化目标，以波导尺寸、膜片深度、膜片厚度、膜片间距为变量，进行优化设计。

表1 圆极化器优化目标

优化项目优化目标相位差/(°)90±2幅度差/dB≤±0.1电压驻波比≤1.10插入损耗/dB≤0.2

圆极化器的仿真结果如图5～图8所示，从中可以看出，圆极化的输出端口相差在工作频段内保持在90°±2°，幅度一致性在0.1 dB以内，具有良好的圆极化性能；端口电压驻波比≤1.10，插损≤0.1 dB，说明该极化器获得了良好的阻抗匹配。因此，设计的圆极化器性能达到了优化目标，能够满足Ka卫星通信系统的使用需求。

图5 圆极化器相移曲线

图6 圆极化器电压驻波比曲线

图7 圆极化器幅度一致性

图8 圆极化器插损

与以往纯粹使用模式匹配法、等效电路法和网络级联法设计圆极化器相比，先采用等效电路得出圆极化器的初始模型并在此基础上利用HFSS软件进行高精度有限元计算的设计方法，一则计算精度高，二则避开了繁杂的理论分析计算，大大提高了金属膜片圆极化器仿真设计的效率，更加适用于产品的工程开发应用，对同类微波器件的设计具有较好的参考价值。

3 结束语

基于卫星天馈系统需求，利用等效电路方法进行理论分析并利用HFSS软件进行设计验证了一种工作于Ka频段的圆波导金属膜片圆极化器。仿真结果表明，圆极化器的所有性能满足Ka频段天线馈源系统的要求，该圆极化器已在卫星通信天馈系统中得到应用，其设计方法也可为其他微波器件的设计提供参考。

[1] WANG S W,CHIEN C H,WANG C L.A Circular Polarizer Designed with a Dielectric Septum Loading[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech,2004,52(7):1719-1723.

[2] 李方,鄢泽洪,张天龄.Ka频段双频圆极化器小型化设计[J].电子科技,2008,21(10):15-18.

[3] YONEDA N,MIYAZAKI M,MATSUMURE H,et al.A Design of Novel Grooved Circular Waveguide Polarizers[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech，2000,48(12):2446-2452.

[4] YONEDA N,MIYAZAKI M,HORIE T,et al.Mono-Grooved Circular Waveguide Polarizers[J].International Microwave Symposium Digest,2002,2(2):821-824.

[5] 辛丽,万继响.C频段隔板式圆极化器的优化设计和容差分析[J].微波学报,2012 (S2):50 -53.

[6] 徐继东.隔片圆极化器的设计及S参数的分析[J].现代雷达,2005,27(8):52-54.

[7] VIRONE G,TASCONE R,PEVERINI O A,et al.Optimum-iris-set Concept for Waveguide Polarizers[J].IEEE Microwave and Wireless Components.Letters,2007,17(3):202-204.

[8] 苏丽萍.圆波导螺钉极化器的分析与设计[J].微波与卫星通信,1999(3):25-29.

[9] 施阳,石志东,李铭祥,等.8mm圆波导螺钉极化器的设计与优化[J].上海大学学报,2007,13(2):134-137.

[10] 阮云国,李振生,邓智勇.波纹波导极化器的分析[J].无线电通信技术,2008,34(2):36-37.

[11] 张本全.微波无源器件设计中的模式匹配法研究[D].成都:电子科技大学,2004:7-17.

[12] 韩俊,何明浩,郭利荣.宽带阻抗匹配变换器的设计[J].中国电子科学研究院学报,2015,10(1):79-81.

[13] 袁小娜,马伊民.用二维S参数分析动态功率调配网络[J].现代电子技术,2013,36(3):85-88.

[14] 丁晓磊,孟明霞.波导圆极化器技术[J].遥测遥控,2014,35(4)：10-15.

[15] 谢处方,饶克谨.电磁场与电磁波[M].北京:高等教育出版社,2006:200-202.

[16] 林昌禄,聂在平.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社,2002:13-14.

[17] 刘蕊花.圆极化技术的研究[D].西安：西安电子科技大学,2010:17-20.

[18] SIMMONS A J.Phase Shift by Periodic Loading of Waveguide and Its Application to Broad-Band Circular Polarization[J].Ire Transaction on Microwave Thoery & Techniques,1955,3(6):18-21.

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—)，硕士，工程师。主要研究方向：天线与射频电路。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.11.13

向小春,张宇环,金伟清,等.一种Ka频段金属膜片圆极化器设计[J].无线电工程,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

国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2015AA034102)；国家自然科学基金资助项目(61371053，61271038，51472042)。

张宇环男，(1987—)，硕士，工程师。主要研究方向：天线与射频电路。