张海福，朱海波，吴蓉蓉

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

一种Ka/EHF双频段圆极化器的设计

张海福，朱海波，吴蓉蓉

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

为了获得更大的通信容量，卫星通信频率将由Ku/Ka向更高的Ka/EHF频段发展，Ka/EHF双频段圆极化器是EHF卫星通信系统中的关键技术之一。设计了一种Ka/EHF双频段波导圆极化器，同时提出了一种新颖的Ka/EHF双频段极化分解器，该圆极化器和极化分解器获得了良好的驻波比和相位特性。借助仿真软件对圆极化器和极化分解器的尺寸和结构进行了优化，并进行了加工和测试。测试结果与仿真结果吻合较好，对所提出圆极化器和极化分解器的性能进行了验证。

圆极化器；极化分解器；Ka/EHF双频段；轴比

0 引言

随着卫星通信技术的飞速发展，为了获取更多的通信带宽以及在有限的空间实现更强的抗干扰能力，卫星通信的工作频段逐步向双频段、更高频率发展[1]。目前，Ka频段在军事卫星通信系统中已经得到广泛使用，Ku/Ka双频段的卫星通信系统已经建立，但更高频率的Ka/EHF等双频段仍是一个尚待研究的领域，是未来发展的方向[2]。

双频圆极化器是双频段卫星通信系统中的重要组成部分，一直是微波天线领域研究的热点之一，圆极化器的种类有很多，如铁氧体、微带和波导等[3]。波导圆极化器相对而言损耗小、功率容量高、结构简单且可靠性高[4]。波导金属膜片式圆极化器是目前应用最为广泛的形式，其插入损耗小，通过合理的设计可实现双频工作，并能获得良好的效果[5]。

本文所设计的双频圆极化器2个工作频段分别为EHF和Ka频段，高低段中心频率比高达2.15∶1，且最高频率达到45.5 GHz，这在目前鲜有报道，采用方波导金属膜片式圆极化器形式，达到了较高的指标。

1 总体设计

1.1 工作原理

结构示意图如图1所示。

图1 金属膜片式圆极化器结构示意

2个在空间上相互垂直，幅度相等且相位差为90°的线极化波叠加即可形成圆极化波[6]。金属膜片圆极化器是利用金属膜片使馈入波导中的两正交线极化波形成90°相位差来实现圆极化[7]。膜片对x和y两个方向的极化分别呈现感性电纳和容性电纳性质，从而使Ex分量相位滞后，Ey分量超前[8]。选择适当的波导口径、膜片数量和深度，就可以使Ex和Ey实现90°的相位差、实现圆极化。当输入2个频率的正交线极化波时就可以形成双频圆极化波[9]。

1.2 圆极化器设计

本文所讨论的双频段圆极化器低频段为20.2～21.2 GHz，高频段为43.5～45.5 GHz，高低频段相隔太远，无法同时在高低频段内用单模传输[10]。选择合适的波导边长极为关键，要使低频段能高效通过，同时高频段激励起的高次模尽可能少，以减少高次模对圆极化器性能指标的影响[11]。膜片间距主要影响圆极化器的驻波比特性，并对相移有一定的影响。膜片对数主要决定圆极化器的带宽特性，膜片对数越多，越容易获得较宽的带宽。膜片深度主要决定圆极化器的相移量，膜片深度越深，相移越大[12]。

方波导圆极化器为对称结构，当以TE10模和TE01模激励时，最先出现的高次模为TE12模、TM12模、TE21模和TM21模，为使其在圆极化器内截止，同时考虑低段传输特性，方波导边长选为9.1 mm[13]。为了在高低段都达到良好的驻波特性，膜片间距初步选为高频段中心频率的1/6[14]。高低段相对带宽都达到5%，为保证良好的宽带特性，膜片对数最终选28对。膜片深度采用两边逐渐加深、中间膜片等深度分布的布局，这样既能保证驻波良好，又能保证所需的相移量[15]。

1.3 极化分解器设计

当圆极化器的输入用方波导馈入时，首要任务是形成2个空间上相互正交的线极化波，这就需要一个极化分解装置将一路线极化信号分解成2路幅度相等，极化角相差90°的信号[16]。

双频段线极化分解器的设计基于对称导波结构中极化角渐变的思想，提出了一种对称渐变过渡的波导结构，使其能实现线极化的分解功能，将一路线极化波分解成2路幅度相等并且相互正交的线极化波(45°斜极化)，有效地解决了方波导馈入时圆极化器无法获得高性能的问题[17]。

极化分解器同样要兼顾2个频段，为消除高次模影响，其边长尺寸与圆极化器一致，为9.1 mm[18]。为达到良好的驻波比及带宽特性，其长度由精确仿真确定。

2 仿真优化

使用HFSS电磁仿真软件对所提出的圆极化器和极化分解器方案进行仿真，对各参数进行优化，仿真建模时充分考虑加工的可实现性，对加工精度的要求进行了一定的控制，并对一些不易加工的地方做了相关处理[19]。圆极化器建模过程中考虑到了结构的对称性，设置一个对称E面，一个对称H面，只仿真了整体结构的1/4，使仿真时间大大减少。最终尺寸和仿真模型如图2和图3所示，仿真结果如图4和图5所示。

图2 金属膜片式圆极化器仿真模型

图3 极化分解器仿真模型

仿真时为减少高次模的影响，调整膜片间距将高次模移到带外，得到的仿真结果令人满意。其中，图4(a)和图4(b)分别为圆极化器高低频段的驻波比；图4(c)和图4(d)分别为圆极化器高低频段两正交极化波的相位差。图5(a)和图5(b)分别为极化分解器高低频段的驻波比。仿真结果表明，圆极化器在高低频段内驻波比均<1.15，高低频段内的相位差均在90°±6°以内，极化分解器在高低频段内驻波比<1.1。所优化双频圆极化器和极化分解器的结构和尺寸得到了十分优越的性能，不仅达到了设计目标值，而且有较高冗余。

图4 圆极化器仿真结果

图5 极化分解器高低频段驻波比

3 测试结果分析

实际制作的双频段圆极化器和极化分解器如图6所示。圆极化器结构采用2个对称的金属结构用螺钉锁紧方式，贴合面加销钉以使上下面严格对准。极化分解器采用一体加工成型结构以保证尺寸精度。

(a) 圆极化器

(b) 极化分解器

为了对仿真结果进行验证，将圆极化器和极化分解器级联起来并连接相对应的正交模耦合器和天线，对整个馈源的驻波比和轴比进行了测试，以检验所设计圆极化器和极化分解器的驻波及相位特性指标。整体测试得到的驻波比特性如图7所示，实测的轴比如表1所示。

从图7中可以看出，整个馈源在高低频段内的驻波比均<1.5，完全可以满足使用要求。考虑到正交模耦合器和天线引入的驻波，圆极化器和极化分解器级联后的驻波比基本在1.3以内，和仿真指标相比有一定的恶化。考虑到膜片加工精度要求较高，加工误差带来的影响是指标恶化的主要因素。

图7 实测馈源驻波比特性

频率/GHz20.220.721.243.544.545.5轴比/dB1.370.520.650.50.851.58

馈源轴比测试结果为<1.58，没有达到理想的指标，但仍在可接受范围之内。分析认为加工误差仍为主要因素，造成圆极化器相位特性恶化，极化分解器能量分配误差增大，最终导致轴比变差。同时，测试系统和测试过程本身也会引入一定的轴比恶化。

从最终测试结果来看，受加工误差所限，实际测得的指标和仿真结果有一定的差距，但仍能保持良好的驻波比和轴比特性，完全满足工程使用要求。

4 结束语

本文对Ka/EHF频段双极化圆极化器进行了设计，并提出了一种新颖的双频段极化分解器，得到了良好的驻波比和相位特性，最终的测试结果也能很好地满足工程使用要求。为今后的Ka/EHF双频段卫星天线和地球站天馈系统以及大规模阵列提供高性能圆极化器，具有较大的工程应用价值和良好的应用前景。

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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

张海福,朱海波,吴蓉蓉.一种Ka/EHF双频段圆极化器的设计[J].无线电工程,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转化专项基金资助项目(14040322Z)。

TN622

A

1003-3106(2017)07-0062-04

张海福 男，(1986—)，工程师。主要研究方向：微波电路设计。

朱海波 男，(1986—)，工程师。主要研究方向：电子设备结构设计。