一種免調試的寬帶圓極化網絡設計

中國電子科技集團公司第54研究所 張志華 蘇 麗

0.引言

近幾年天線技術發展迅猛，享受無線通信帶來的快捷便利的同時，也面臨著天線網絡系統的更新換代。作為天線系統核心部件的微波網絡，它秉承天線的發展潮流，也具有小型化、頻帶寬、多頻共用、新結構形式的特點，越來越多寬頻、多頻復用天線被應用，微波網絡的發展迫在眉睫。這里討論了一款5.2GHz-9GHz的寬帶圓極化網絡，它打破傳統網絡形式，采用新結構新材料研制，具有結構簡單、頻帶寬、免調試的特點。

1.網絡實現方案

鑒于目前使用頻段的帶寬，傳統圓極化網絡形式已經無法滿足要求。這里我們采用門鈕正交器和介質加載波紋移相器實現。

新網絡設計方案具有如下特點：

1）頻帶寬：從傳統的百分之十幾的帶寬，拓展到53%，性能更優良。

2）結構緊湊：因為網絡只有兩個元器件，整體尺寸小巧，結構更緊湊。

3）免調試：整體網絡無需做任何調試工作，解放設計，提高產品的一致性。

網絡三維模型如圖1所示：

圖1 寬帶網絡三維結構模型

網絡由兩個主要的元器件組成：寬帶正交器和寬帶極化器。這兩個器件均不同于常規器件的實現方式，能夠在較寬的頻帶內實現良好的電氣性能。

2.網絡設計過程

2.1 寬帶正交器的仿真設計

正交器是網絡的關鍵器件，它能實現兩個不同極化信道信號的同時傳輸，且具有較高的極化隔離特性。傳統正交器主波導有方波導和圓波導兩種形式，根據頻率選擇適當的口徑，只允許主模傳輸，其它高次模截止。這種形式的正交器帶寬一般≤20%，用在這里無法滿足設計要求。為了拓展帶寬，選用門鈕方式實現：先用分波頭分為四路，然后對稱的兩路再進行合成，能夠保證在一個很寬的頻帶取得良好的性能。

2.1.1 公共端口圓波導的選取

為了保證圓波導內主模TE11模的傳輸，其半徑R應滿足下式λ / 3.41＜ R ＜λ / 2.62。

2.1.2 分波臺選擇

三階圓臺進行分波，能達到最好的電氣性能，相比于方臺分波，圓臺的一致性更好，且對加工工藝的要求稍低。

寬帶正交器仿真模型及內部結構如圖2所示：

圖2 寬帶正交器仿真模型

此時的正交器在使用頻帶內駐波小于1.2，隔離大于40dB。

2.2 寬帶圓極化器的設計

圓極化器有多種實現方式：圓波導螺釘加載圓極化器、隔板圓極化、方波導波紋圓極化，介質加載圓極化器等等。前兩種方式相對帶寬窄，易于加工，成本較低；后兩種方式，帶寬較寬，加工時對工藝的要求較高，成本稍高，具體選擇哪種實現方式應時根據實際情況選擇。這里選擇介質加載波紋方波導形式，能有效的增加使用頻帶。

其仿真、結構模型如圖3所示：

圖3 寬帶圓極化器三維模型

在全頻帶內能實現±5度的移向偏差，軸比能達到0.75dB以下。

2.3 網絡的整體仿真優化

每個單獨元器件設計好后，組裝起來的網絡并不一定能達到最好的狀態。每個器件彼此之間有干擾和失配的情況存在，因此還需要對網絡進行整體的仿真再優化。在優化設計單獨元器件時，所有的關鍵參數已經有了初始化設置，整體仿真時以當時的最優解有基礎，重新匹配適當參數，消除過渡及匹配臺的不連續性，使得電氣性能最優。

優化后的網絡仿真和實測結果如圖4所示：

圖4 網絡整體仿真、測試結果對比

3.加工過程監控

這套網絡的所有元器件均屬于免調試器件，所以除了仿真設計要嚴謹、精確，盡可能達到最優狀態，同時還需關注加工時對尺寸精度的把握，使得最大限度的滿足設計尺寸和安裝要求，就需要對關鍵參數進行精度的調整，對關鍵工藝進行反復實踐。

正交器分波臺的尺寸是關鍵參數，它的精度對駐波的影響很明顯；極化器中間介質的尺寸也是敏感參數，它的細微變化引起的移向度數改變明顯，所以對這些參數提出±0.05的誤差范圍。

正交器結構復雜，加工起來比較困難，特別是圓波導與分波主體鏈接的位置還要起到支撐的作用，這個部位非常容易斷裂，造成整個器件的損壞，對這個部位采用一體加工的方案，保證足夠的厚度支撐后面波導部分，一體成型，減少焊接斷裂的風險。

4.結束語

以全新的寬帶器件取代傳統方式，實現整體網絡在較寬頻帶內的良好的圓極化性能。網絡組成簡單，且實現整體網絡免調試，減少75%的調試時間，大大地提高了生產效率，同時也解決了產品一致性問題。以此種方式為基礎，已經設計出其它頻段的圓極化網絡，使用狀況良好。這種結構方式的圓極化網絡應該得到進一步的研究并推廣。

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