超寬帶波紋波導正交模移相器設計

寧云煒，陳卯蒸，王　惠

(1.中國科學院 新疆天文臺，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學院 射電天文重點實驗室，江蘇 南京 210008)

?

超寬帶波紋波導正交模移相器設計

寧云煒1,2，陳卯蒸1,2，王惠1,2

(1.中國科學院 新疆天文臺，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學院 射電天文重點實驗室，江蘇 南京 210008)

圓極化器是射電望遠鏡天線饋線系統的重要器件，其作用是把反射面天線接收的圓極化波變成2個垂直的線極化波。超寬帶圓極化器由正交模耦合器和移相器組成。通過網絡級聯的方法和有限元數值分析相結合的方法對正交模移相器進行了研究。對方波導高次模精確分析，選擇合適的方波導口徑。利用HFSS電磁仿真軟件，對波紋波導正交模移相器各個參數對圓極化器的影響進行分析。仿真結果表明，在30～50 GHz頻率范圍內，相移特性達到90°±6.7°，交叉極化和正交隔離度優于-65 dB。

正交模移相器；波紋波導；超寬帶

0　引言

毫米波和超寬帶是現代射電望遠鏡發展的趨勢。中國科學院新疆天文臺正在進行的7 mm超寬帶制冷接收機項目，頻率帶寬為30～50 GHz，相對帶寬為50%，是世界上目前為止在Q波段帶寬最寬的射電天文接收機。正交模移相器是射電望遠鏡天線饋線的重要器件，它和正交模耦合器連接了反射面天線的饋源和接收機。正交模移相器的相移差直接決定了反射面天線的軸比。7 mm接收機的圓極化器相對帶寬達到50%，且對相位差要求較高，因此結構相對簡單的傳統窄帶極化器[1-2]、金屬隔板圓極化器[3-4]和介質插片極化器[5-6]都無法達到要求。常見的波紋方波導正交模移相器在軸比<0.4 dB時，相對帶寬<10%[7-8]；在軸比<1.2 dB時，相對帶寬都<50%。正交模移相器的軸比(或相位差)對相對帶寬非常敏感。工作帶寬擴大，軸比(或相位差)會迅速惡化[9-10]。

本文通過對波紋波導各個參數進行分析，設計出高性能的波紋波導正交模移相器，在50%相對帶寬范圍內，仍然能保持良好的相位差及正交隔離度特性，為未來新疆110 m射電天線望遠鏡(Qitai Radio Telescope，QTT)項目提供了技術積累。

1　波紋波導圓極化器設計

波紋波導正交模移相器廣泛應用于寬帶圓極化天線，波紋方波導與波紋圓波導相比，有2個優點：① 波紋方波導更容易加工；② 圓波導進行多模傳輸時，不僅存在模式簡并，還有極化簡并，會使傳輸造成不穩定。因此，采用波紋方波導來設計正交模移相器。

波紋方波導正交模移相器的工作原理如圖1所示，其工作在2個垂直的主模：TE10模和TE01模。波紋結構對TE10模呈電容性不連續，對TE01模呈感性不連續，這使TE10模相速減小，TE01模相速增加。經過多節波紋結構，相互正交的TE10模和TE01模的差相移達到90°，就產生了圓極化波。

圖1　波紋波導極化器原理

1.1設計方法

波紋波導正交模移相器一般是通過網絡級聯模型來分析波導內的周期結構加載，就是利用一個傳輸矩陣來表示一個不連續性的加載，最后級聯成整體傳輸矩陣，求出相移量和S參數。2個互相垂直的主模的傳輸矩陣分別為：

(1)

(2)

TEn10和TE n01分別為第n對波紋不連續的傳輸矩陣：

(3)

(4)

圓極化器2個主模的S參數分別為：

(5)

(6)

相位差為：

(7)

令

(8)

則軸比

(9)

網絡級聯方法的優點是數學模型簡單明了，但也有極其明顯的缺點，如：① 波導橫截面的不連續性不能僅僅用阻抗變化來表示，當頻率比較低的時候，所造成的誤差可以忽略。但是在毫米波段，這個誤差會對極化器的性能產生很大的影響。② 波紋波導的不連續性會產生高次模，而網絡級聯無法分析出波紋間高次模所造成的影響，所以網絡級聯法的分析結果不是很準確。數值法可以彌補網絡級聯方法的不足，但是數值法計算非常復雜，靠人工是無法完成。

本設計采用二者結合的方法，先采用網絡級聯的辦法，估算出波紋波導極化器各個參數的初值，然后利用三維電磁仿真軟件HFSS對波紋波導極化器進行建模，并對各個參數進行優化。

1.2參數優化及設計

波紋方波導正交模移相器結構如圖2所示。

圖2　波紋方波導正交模移相器結構

1.2.1波紋方波導的口徑選擇

波紋方波導的口徑長度是設計正交模移相器首先要確定的參數。由于金屬波導的傳輸特性，電磁波在金屬波導會以一系列的離散模式傳播。為了保證金屬波導無源器件的性能，一般要求金屬波導只能傳輸主模，而抑制其他高次模[11-12]。金屬波導口徑越小，越有利于抑制高次模。但是金屬波導口徑越小，移相差曲線在低頻端的斜率越大，導致相位差性能惡化。因此必須精確計算波導口徑的長度，使金屬波導在能抑制高次模的基礎上，波導口徑盡可能地大。根據波導傳播特性計算出的口徑大小和傳輸模式的關系，如表1所示。

表1　方波導口徑所對應的各模式截止頻率　(GHz)

由于波紋波導是對稱結構，因此能在波紋波導激勵的高次模為TE2n+1,2n。對照表1，波紋方波導里傳播的第1個高次模為TE21、TM21、TE12和TM12模。本設計2個主模的工作頻率帶寬為30～50 GHz，因此要保證第1個高次模的截止頻率大于50 GHz。極化器所連接的正交模耦合器方波導口徑長度為5.69 mm，因此波紋方波導正交模移相器的口徑長度選擇為b=6.69 mm。

1.2.2波紋參數的設計

波紋參數包括波紋對數n、波紋高度(b-bn)/2、波紋寬s、波紋間距w、過渡段的形狀和過渡段到方波導端口的距離e，如圖2所示。

波紋對數是波紋參數首先要確定的值，波紋對數越多，正交模移相器波紋的高度越低，正交模移相器的回波損耗性能越好，而且相位差曲線越平緩，軸比性能越好。但是隨著波紋對數的增加，極化器的長度會變長，波紋高度變小，且波紋高度的誤差對相位差的影響越大，也就是說對加工精度要求越高。通過對波紋對數的仿真發現，當波紋對數n<30時，波紋對數對正交模移相器性能影響較大；當n>30時，波紋對數對極化器的性能影響很小。因此，選定膜片對數n=30。

(3) 測試人員——一般由城市軌道交通建設管理單位牽頭組織，供電系統施工單位與直流開關柜廠家具體實施，城市軌道交通運營管理單位、供電系統設計及監理單位參與見證，車輛廠家現場保駕。

波紋高度(b-b6)/2、波紋寬度s和波紋間距w這3個波紋參數對極化器的相位差曲線同時都有影響，設計時應該綜合考慮。利用HFSS對3個參數分別進行仿真。波紋高度越小，正交模移相器的回波損耗特性越好，相位差曲線越平坦，軸比性能越好，但是減小波紋高度，必須增加波紋對數相位差才能達到90°。波紋寬度越小，相位差曲線越平坦，但是加工難度越大；波紋間距對相位差曲線影響不大，但是波紋寬度與波紋間距的比值對相位差曲線有影響，比值越小，相位差曲線越平坦，軸比性能越好。然而這個比值過于小時，會急劇惡化極化器的駐波比帶寬。最后，通過HFSS仿真優化得出最佳值：波紋高度(b-b6)/2=0.33 mm，波紋寬度s=0.2 mm，波紋間距w=1.55 mm。

當波紋對數比較少，波紋高度比較高時[13]，過渡段的形狀對正交模移相器的回波損耗影響較大[14-15]。常用的過渡段的形狀主要有線形、正弦(余弦)形和傳統對數形等等，一些新的比較復雜的形狀也陸續被發現[16-17]。因為，本設計的波紋對數n=30,波紋高度只有方波口徑長度的1/20，通過仿真發現，此時過渡段的形狀對正交模移相器的回波損耗性能影響很小，采用復雜的形狀反而會提高加工難度，因此，本設計采用最簡單的線形形狀，兩邊各5對。過渡段波紋的高度為(b-b6)×n/6,(n=1，2，3，4，5)。

波紋產生的不連續性會產生大量高次模，由方波導的口徑選擇，產生的高次模都是凋落模，凋落模的抑制需要一定的距離，一般最少為1/4的波導波長。過渡段到方波導端口的距離就是抑制凋落模所需的長度，e=5 mm。

整個波紋方波導極化器模型如圖3所示。

圖3　波紋方波導極化器模型

2　仿真結果分析

波紋波導正交模移相器的相位差曲線如圖4所示。在50%的相對帶寬下(30～50 GHz),相位差小于90°±6.7°，由式(9)軸比相位差換算，軸比優于1 dB。

圖4　相位差曲線

圖5　回波損耗曲線

波紋波導正交模移相器2個主模的回波損耗如圖5所示，回波損耗優于-34 dB。波紋波導極化器對高次模的抑制如圖6所示。

圖6　高次模抑制曲線

由表1和波紋方波導口徑選擇可知，波紋波導不連續的對稱結構，使其所激勵的離主模工作帶寬最近的高次模是TE21、TM21、TE12和TM12模。圖6中2條曲線分別代表了4個高次模的插入損耗(都低于-60 dB)，說明極化器對所激勵的高次模有良好的抑制作用，這證明通過合理選擇方波導口徑在使相位差曲線最優化的同時使波紋波導產生的高次模成為凋落模，并合理選擇過渡段到方波導端口的長度，使波紋波導對凋落模衰減的方法是很有效的。

圖7　交叉極化和正交隔離度曲線

正交隔離度是指正交模移相器輸出的2個互相垂直的線極化主模信號的隔離度。交叉極化是指正交模移相器輸入的線極化信號，經過不連續性后，會在與它垂直方向產生交叉極化分量。這2個指標決定了圓極化器2個互相垂直的線極化信號互相干擾的程度。由圖7所示，正交隔離度優于-70 dB，交叉極化優于-67 dB，說明正交模移相器的2個垂直的信號互相干擾的程度非常小。

3　結束語

正交模移相器的相位差曲線是一個二次曲線，因此受相對帶寬的影響很大，尤其是在寬帶應用中。通常正交模移相器的輸入端口尺寸要大于正交模耦合器端口尺寸。因為增加端口尺寸有利于極化器相位曲線的帶內平坦尤其是在低頻端，但是增加端口尺寸又不利于高次模的抑制。本文精確地分析了方波導端口尺寸對高次模的影響，在良好抑制高次模的基礎上，最大限度地減小相位差。設計的波紋方波導移相器工作頻帶寬，功率容量大，可靠性強，一次加工成形，不需要調試，非常適合工程應用。設計過程對于QTT其他波段的天線饋線系統設計也有著重要的參考意義。

[1]董小華.亞毫米波頻率選擇表面圓極化器研究[D].成都：電子科技大學，2013.

[2]RUD L A,SHPACHENKO K S.Polarizer Based on Waveguide with Complex Cross-section[C]∥Kharkiv:Physics and Engineering of Microwaves Millimeter and Submillimeter Waves(MSMW),2010:1-3.

[3]張成全，曹燕華.寬帶隔板極化器[J].現代電子技術，2007(12)：159-160.

[4]王生旺，李嬌嬌，旺名峰，等.低溫各奔極化器研制[J].低溫與超導，2014，42(5)：8-11.

[5]魏振華，田立松，馮旭冬，等.8～18 GHz介質極化器的分析與設計[J].雷達科學與技術，2008，6(5)：396-400.

[6]劉蕊花.圓極化器技術的研究[D].西安：電子科技大學，2010.

[7]KAIDEN M,KIMURA K,OGAWA H,et al.Septum Polarizer for Ka-band H-shaped Rotary Joint[J].Journal of Infrared Millimeter and Terahertz Waves,2009,30(7):727-737.

[8]BORNEMANN J,LABAY V A.Ridge Waveguide Polarizer with Finite and Stepped-Thickness Septum[J].IEEE Transa-ctions on Microwave Theory and Techniques,1995,43(8):1 782-1 787.

[9]梁曉靖.8～18 GHz波紋方波導移相器的研究[J].現代雷達，2010，32(10)：70-76.

[10]SIMMONS A J.Phase Shift by Periodic Loading of Waveguide and Its Application to Broad-band Circular Polarization[J].Microwave Theory and Techniques,1955,3(6):18-21.

[11]AKSENOVA L A,KEIER A P,NEMICROVSKAYA L L,et al.Experimental Analysis of Mode Conversion in Waveguides with Corrugated Walls[J].Radiophysics and Quantum Electronics,1988,31(10):873-878.

[12]WAGNER D,THUMM M,KASPAREK W.Hybrid Modes in Highly Oversized Corrugated Rectangular Waveguides[J].International Journal of Infrared and Millimeter Waves,1999,20(4):567-581.

[13]HWANG S M,AHN B C.New Design Method for a Dual band Waveguide Iris Polarizer[C]∥Microwave Antenna Propagation and EMC Technologies for Wierless Communications,2007:435-438.

[14]ARNDT F,TUCHOLKE W,WRIEDT T.Design of a Wideband Compact Square Waveguide Polarizer[J].Electro-nics Letters,1985,21(12):517-518.

[15]LIER E,SCHAUG-PETTERSEN T.A Novel Type of Waveguide Polarizer with Large Cross-Polar Bandwidth[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1988,36(11):1 531-1 534.

[16]ARNDT F,TUCHOLKE U,WRIEDT T.Broadband Dual-depth E-Plane Corrugated Square Waveguide Polarizer[J].Electronics Letters,1984,20(11):458-459.

[17]TUCHOLKE U,ARNDT F,WRIEDT T.Field Theory Design of Square Waveguide Iris Polarizers[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1986,34(1):156-160.

寧云煒男，(1980—)，碩士，工程師。主要研究方向：微波毫米波天線與電路系統。

陳卯蒸男，(1975—)，碩士，高級工程師。主要研究方向：射電天文接收機。

Design of Ultra Wideband Corrugated WaveguideOrthogonal Phase Shifter

NING Yun-wei1,2,CHEN Mao-zheng1,2,WANG Hui1,2

(1.Xinjiang Observatory,Chinese Academy of Sciences,Urumqi Xinjiang 830011,China;2.KeyLaboratoryofRadioAstronomy,ChineseAcademyofSciences,NanjingJiangsu210008,China)

Circular polarizer is an important device of a radio telescope antenna feeder system,its role is to convert the circular polarized wave received by the reflector into two mutually perpendicular linear polarized waves.The ultra wideband circular polarizer is composed of orthogonal mode transducer and phase shifter.The article studies the orthogonal mode phase shifter through the network cascade method and finite element numerical analysis method.The high modes of the square waveguide are analyzed accurately and the appropriate square waveguide caliber is selected.Using HFSS electromagnetic simulation software,the effects of parameters of the corrugated waveguide orthogonal mode phase shifter on the circular polarizer are analyzed.The simulation results show that phase shift characteristics is better than 90°±6.7°,and the orthogonal isolation is better than -65 dB within the bandwidth of 30 GHz to 50 GHz.

orthogonal phase shifter;corrugated waveguide;ultra wideband

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.16

2016-06-21

國家重點基礎研究發展計劃項目(2015CB857100)；國家自然科學基金資助項目(U1431230)；“西部之光”后續支持項目(2015-HXZC-01)。

TN823.28

A

1003-3106(2016)09-0061-05

引用格式：寧云祎,陳卯蒸,王惠.超寬帶波紋波導正交模移相器設計[J].無線電工程,2016,46(9):61-65.