波導圓極化器結構形式的選擇

模型試驗的圓極化器圓形極端波采集器是圓明園反射面的天線源系統的重要組成部分。它的功能是將線極化信號轉換為圓形信號。波導圓極化器的結構形式直接決定饋源喇叭的體積、重量和電性能。為滿足不同饋源系統的具體要求,已研制出多種形式的圓極化器。除在方波導或圓波導內插入膜片[1~9]、脊[10~12]、銷釘或介質板的結構形式外,還包括在圓波導對稱壁上開槽,將方波導切角[19~21],以及圓波導直接過渡到橢圓波導的結構形式。以上結構的圓極化器都是雙端口器件,用于同時雙圓極化天線系統中需要附加正交模變換器。而在方波導或圓波導內插入隔板式膜片[23~27]的三端口圓極化器可以同時實現雙圓極化功能。波導圓極化器的工作原理是通過在波導內引入特殊結構用以改變兩個正交極化分量的傳播常數,實現兩個分量的相位差90°,進而完成線極化波到圓極化波的轉化。本文根據波導圓極化器結構形式的不同做出總結。1圓極化器的設計及優化在方波導和圓波導內分別存在著兩個極化正交的模式(方波導:TE01、TE10,圓波導:TE11),為改變兩種模式的傳播常數,可以在圓波導或方波導內周期性或非周期性加載一定數量的金屬膜片。方波導波紋圓極化器的膜片一般加載在兩個相對的壁上,圓波導波紋圓極化器的膜片一般加載在對稱壁上,如圖1所示。在圖1所示的坐標系下,膜片對x和y方向的極化分量分別呈現并聯電感和并聯電容性質,從而使Ex分量相位超前,Ey分量相位滯后。適當選擇膜片數量、深度、厚度、間距,就可使Ex和Ey分量的相位差90°,從而實現線極化信號到圓極化信號的轉換。為了實現極低的反射損耗,金屬膜片的高度沿波導軸向的分布必須采用漸變結構,圖1(c)為圓極化器膜片高度沿波導軸向的分布,通常采用升余弦或高斯分布,從而使反射損耗最小。由于圓極化器后接的饋源喇叭一般為圓波導喇叭,為了簡化加工過程、降低加工成本、減少過渡波導段的數量,可以對圓波導波紋極化器的膜片形狀進行優化設計,如圖2(a)、圖2(b)所示。通過優化圖2所示的兩個變量(wext、wint)可以在給定波導半徑和工作頻率的前提下設計出滿足要求的圓極化器。波紋圓極化器的加工方法一般是先銑出對稱的兩半,然后通過螺釘固定。圖3是方波導圓極化器和采用圖2(b)所示膜片形狀的圓波導圓極化器的實物圖。圖4是文獻比較的圖3所示的兩種圓極化器的插入損耗實測結果。由圖4可知,方波導圓極化器兩個極化分量的插損不一致,其中一個極化分量的插損較大;橢圓膜片的圓波導極化器的兩個極化分量一致性較好。方波導圓極化器兩個極化分量插損不一致的原因,主要是因為兩個正交極化分量的電流分布在剖開面上的不同所致。對于剖分面截斷電流的極化分量,其插損必定會大。波紋結構圓極化器的主要參數有:圓波導半徑或方波導邊長、金屬膜片的厚度、金屬膜片的對數、金屬膜片的間距、金屬膜片的高度以及金屬膜片的高度分布形式。這種圓極化器經常用于雙頻點天饋系統中。在軸比小于1.2dB時其最大工作頻帶可達40%。以上介紹的波紋結構圓極化器是由截面尺寸不變的圓波導或方波導和一定數量的膜片組成。由于膜片數較多,致使極化器的縱向尺寸較長。為縮短方波導波紋圓極化器的縱向長度,文獻設計了一種同時優化方波導截面參數和膜片參數的圓極化器。該圓極化器在確保性能不變的情況下,較常規單一優化膜片參數設計的極化器縱向長度縮短了25%。以上將金屬膜片加載在方波導或圓波導內的波紋結構圓極化器也稱為金屬膜片式圓極化器。將一定長度的矩形波導和圓波導相級聯也可以構成波紋結構的圓極化器,圖5所示。這種圓極化器的設計參圖5圓矩波導級聯的圓極化器數包括矩形波導的長ED、寬B、高A和圓波導的半徑R0、長度EL。2階梯型脊、按余弦連偏脊脊波導圓極化器是在波導軸向加載雙脊或四脊構成。雙脊結構主要用于圓波導極化器,脊的形式可設計成階梯型脊或按余弦連續漸變形脊。雙脊圓極化器的帶寬比較有限,文獻中雙脊圓極化器的軸比<1.2dB的帶寬約為20%。為滿足更寬頻帶的使用要求,文獻設計了軸比<0.4dB、帶寬約為60%的四脊方波導圓極化器,圖6所示為其截面示意圖。3電極器回復器螺釘式圓極化器因其成本低、容易制作、調整方便、插入損耗小、帶寬適中而經常被采用。其工作原理是:穿入圓波導內的金屬螺釘對于與其平行的電場(V極化波)等效為一個并聯的容性電納,使V極化波的相位滯后;而對于與其正交的電場(H極化波)等效為一個并聯的感性電納,使H極化波的相位超前。適當選擇圓波導的直徑、金屬螺釘的直徑、螺釘間距和螺釘穿入波導內的深度,可以使與螺釘軸向成45°夾角的線極化波分解成V極化波和H極化波,經過極化器后,兩個極化波分量產生90°的相移差,從而實現線極化波向圓極化波的變換。圖7是文獻設計的工作于8.0~8.6GHz的右旋圓極化器。該圓極化器在工作頻帶內的反射損耗優于20dB,軸比小于2.5dB。4兩個正交極化波轉換介質插片圓極化器是在圓波導內插入一個特定形狀和長度的介質片構成。圓波導內的介質片對平行和垂直于它的兩個正交極化波分別產生兩個等效介電常數,通過改變介質插片的結構和長度,實現兩個正交極化波通過插片區后相位差90°,從而完成線極化波到圓極化波的轉換。這類圓極化器加工簡單,易于調試,應用也比較廣泛。圖8是介質插片圓極化器的工作原理示意圖。5小培養組合開槽結構開槽圓波導圓極化器是在圓波導壁上沿波導軸向開一組耦合凹槽或正對的兩組耦合凹槽,如圖9所示。每個耦合凹槽相當于一段終端短路的矩形波導。圓波導內與耦合凹槽口面法線呈45°角的線極化波,通過開有凹槽的圓波導段后轉換為極化正交、相位差90°的兩個線極化波,從而實現線極化波到圓極化波的轉換。圖9(a)所示的單組開槽結構適用于小波導口徑的情況。圖9(b)所示的雙組開槽結構適用于大波導口徑、軸向長度短的情況。由于耦合槽位于圓波導的波導壁上,與插在波導內的介質片式圓極化器相比,開槽圓波導圓極化器的優點是對加工誤差不太敏感,適合用于Ka頻段或更高的工作頻段。6圓極化口路基本原理由矢量分解原理可知,圖10所示的方波導中的電場E1或E2可以分解為E∥和E丄兩個正交分量的疊加。適當優化參數b和過渡截面的參數,可以實現兩個正交分量的相位差90°和端口的理想匹配。由圖10可知,該圓極化器結構簡單,但工作頻帶有限。文獻通過一個波導端頭的縫隙激勵圖10所示的圓極化器,設計了一種小尺寸的圓極化開口波導天線。其軸比小于3dB、反射損耗小于-10dB的帶寬約為15%。7化波轉換的轉換在高功率微波(HPM)應用中,波導型圓極化器具有明顯的優勢。前文介紹的幾種圓極化器,由于微波傳輸路徑邊界條件的不連續,在吉瓦(GW)級的HPM應用條件下,容易引起擊穿,不利于GW級HPM的傳輸。橢圓波導圓極化器是利用自身的漸變結構完成線極化波到圓極化波的轉換,且波導內不需要增加任何金屬片或介質插片。圖11是橢圓波導圓極化器的結構示意圖,它主要由圓波導、圓波導到橢圓波導的過渡波導和橢圓波導組成。橢圓波導圓極化器的工作原理是:首先,當極化方向與橢圓波導的長軸呈45°角的線極化信號從一端的圓波導饋入后,在圓波導內激勵出與橢圓波導的長軸呈45°角的TE11模,該TE11模電磁波經過圓波導到橢圓波導的過渡段后分解為兩個幅度相等、極化正交的TE11模分量;然后,由于這兩個正交分量在橢圓波導內傳輸常數的不同,經橢圓波導和橢圓波導到圓波導過渡段后,兩個正交分量產生90°的相位差;最后,兩個正交極化的TE11模分量在圓波導內合成,形成所需要的圓極化波。由于橢圓波導的短軸直徑和圓波導的直徑相同,這種圓極化器的功率容量取決于圓波導的口徑參數。文獻研制的圓極化器在工作頻率9~10GHz范圍內,軸比小于1dB,駐波比小于1.1。8掃描幅值的組成隔板式圓極化器是在方波導口內插入不對稱的階梯膜片形成的三端口器件,其結構如圖12所示。方波導口端是圓極化電磁波的輸入或輸出端,另一端的兩個相同的矩形波導口分別對應于右旋圓極化波和左旋圓極化波的線極化信號的輸入或輸出端。隔板式極化器由三個部分組成:方波導部分、階梯狀隔板部分、分支波導部分。隔板式圓極化器的相對帶寬可以做到20%左右。這種圓極化器與前面介紹的雙端口圓極化器相比較,其主要特點是不需要外加正交模變換器就能夠實現左、右旋雙圓極化的同時工作。隔板式圓極化器由于結構緊湊、易于加工、體積小和重量輕等特