新型矩形波導(dǎo)極化轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)與仿真

蓋俊峰，張煒麟，趙貝貝，常 陽(yáng)，張丹陽(yáng)

（91206 部隊(duì)，山東 青島 266108）

電磁波極化現(xiàn)象對(duì)于無(wú)線電通信具有重要意義，可直接影響無(wú)線通信的傳輸效率、安裝成本、安裝靈活性和保密性等[1]，因此一直以來(lái)都被相關(guān)學(xué)者高度關(guān)注[2-3]。

矩形微波波導(dǎo)是線極化電磁波信號(hào)的理想傳輸線，通常簡(jiǎn)稱為矩形波導(dǎo)，為定義好尺寸的矩形空腔管。矩形波導(dǎo)端面由2 條長(zhǎng)邊和2 條短邊構(gòu)成，當(dāng)短邊垂直于水平面時(shí)稱為H面?zhèn)鬏敚?dāng)長(zhǎng)邊垂直于水平面時(shí)稱為E面?zhèn)鬏敗Ｔ诰匦尾▽?dǎo)傳輸線系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)遇到H面?zhèn)鬏敽虴面?zhèn)鬏斝枰B接的情況。由于H面和E面?zhèn)鬏數(shù)木€極化波極化方向垂直，具有電磁信號(hào)隔離特性，即極化隔離特性，因此不能彼此垂直地直接連接，必須通過(guò)特殊微波器件即極化轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行連接，才能保證電磁信號(hào)低衰減傳輸。文獻(xiàn)[4]至[12]分別對(duì)極化轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行了研究。傳統(tǒng)的微波矩形波導(dǎo)極化轉(zhuǎn)換裝置通常為階梯式扭轉(zhuǎn)或波導(dǎo)管直接扭轉(zhuǎn)等結(jié)構(gòu)，存在結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、加工過(guò)程繁瑣、品控難度大和體積較大等缺點(diǎn)。

本文針對(duì)上述缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的極化轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)，在保證電磁信號(hào)低衰減傳輸?shù)耐瑫r(shí)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工和品控難度小、體積較小的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)電磁仿真軟件HFSS 給出了極化轉(zhuǎn)換裝置的3D 電磁仿真模型，并通過(guò)與傳統(tǒng)極化轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)駐波系數(shù)仿真對(duì)比，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的先進(jìn)性。

1 矩形波導(dǎo)中電磁波的極化轉(zhuǎn)換

1.1 線極化電磁波

電磁波的極化是指電場(chǎng)矢量E保持在某一個(gè)固定方向振動(dòng)或按某一規(guī)律旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的現(xiàn)象。平面電磁波是橫波，其E矢量可以在垂直于傳播方向（波矢k的方向）的任意方向振動(dòng)。如果在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，E的振動(dòng)限于某一固定方向，稱為線極化。電場(chǎng)E的振動(dòng)方向，稱為極化方向。極化方向與傳播方向所構(gòu)成的平面，稱為極化面。共有3 種極化波類型，分別是線極化波、圓極化波和橢圓極化波。由于矩形波導(dǎo)只能傳導(dǎo)線極化波，因此圓極化和橢圓極化不在本文研究之列。

電磁波E沿z軸方向傳播一般可分解為在x軸方向和y軸方向的Ex和Ey

在x方向和y方向的Ex和Ey的振幅、相位之間的關(guān)系可以得到合成電磁波極化狀態(tài)，為便于分析，取當(dāng)z=0 的給定點(diǎn)來(lái)分析，這時(shí)式（1）和（2）可寫(xiě)為

電磁波E在x方向和y方向的分量的相位差為0或者±π，ΔΦ=Φx-Φy=0 或±π 的時(shí)候?yàn)榫€極化波，下面來(lái)討論這2 種情況。

當(dāng)ΔΦ=0 時(shí)，所合成的E大小可以為

合場(chǎng)波電場(chǎng)強(qiáng)度E的方向與x軸的夾角可表示為

a若大于0，說(shuō)明其夾角在第一或第三象限，即所合成波電場(chǎng)強(qiáng)度E的數(shù)值大小隨時(shí)間t在改變但其軌跡與x軸夾角始終保持不變，所以為直線極化波。

當(dāng)ΔΦ=π 時(shí)，設(shè)Φx初相位為0，所合成E的大小

合場(chǎng)波電場(chǎng)強(qiáng)度E的方向與x軸的夾角可表示為

b若小于0，說(shuō)明其夾角在第二或第四象限，合成波電場(chǎng)強(qiáng)度E的數(shù)值大小隨時(shí)間t在改變但其軌跡與x軸夾角始終保持不變，所以也為直線極化波。

由以上分析可知，線極化波是當(dāng)電磁波E在x軸方向和y軸方向分量的相位差為0 或±π 時(shí)，E的矢徑沿直線變化的軌跡不變。在工程應(yīng)用上，常常把線極化波分為水平極化波和垂直極化波。垂直極化波為合成波電場(chǎng)的矢量?jī)H在垂直方向或者y方向上發(fā)生變化。水平極化波為合成波電場(chǎng)的矢量?jī)H在水平方向或者x方向上發(fā)生變化。另外，還有交叉極化與共面極化的情況，與本文相關(guān)性不大，故在此不做分析。

1.2 線極化波的極化轉(zhuǎn)換

在矩形波導(dǎo)H面?zhèn)鬏敽虴面?zhèn)鬏斶B接時(shí)，為克服電磁波極化隔離特性，必須通過(guò)極化轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行連接，才能保證電磁信號(hào)低衰減傳輸。極化轉(zhuǎn)換裝置性能的優(yōu)劣通常由駐波比表征。駐波比是指駐波波腹電壓與波谷電壓幅度之比，又稱為駐波系數(shù)。駐波比等于1 時(shí)，表示傳輸線與極化轉(zhuǎn)換裝置阻抗完全匹配，此時(shí)高頻能量無(wú)衰減傳輸，沒(méi)有電磁波能量的反射損耗；駐波比為無(wú)窮大時(shí)，表示全反射，電磁波能量未能正常傳輸。

駐波比可表示為

式中：VSWR表示駐波比；Umax表示波腹電壓；Umin表示波谷電壓。

在電磁波極化轉(zhuǎn)換過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算傳輸線的駐波比便可判斷極化轉(zhuǎn)換裝置的性能優(yōu)劣。駐波比越接近1 時(shí)，表示其性能越優(yōu)良。

2 極化轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)

基于上述線極化電磁波理論分析，針對(duì)現(xiàn)有微波極化轉(zhuǎn)換技術(shù)的改進(jìn)需求，本文提出一種微波極化轉(zhuǎn)換裝置，用HFSS 軟件完成建模。該極化轉(zhuǎn)換裝置采用蝴蝶結(jié)形狀結(jié)構(gòu)，設(shè)置在H面波導(dǎo)腔體與E面波導(dǎo)腔體之間，該蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)的微波極化轉(zhuǎn)換裝置在波導(dǎo)傳輸垂直方向上旋轉(zhuǎn)一定角度，當(dāng)H面電磁信號(hào)進(jìn)入該結(jié)構(gòu)時(shí)，電磁信號(hào)被結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)傳輸，旋轉(zhuǎn)90°后從E面?zhèn)鬏斁€傳出。H面波導(dǎo)腔體與E面波導(dǎo)腔體相互垂直，極化轉(zhuǎn)換裝置分別與H面波導(dǎo)腔體以及E面波導(dǎo)腔體之間形成夾角，極化轉(zhuǎn)換器為蝴蝶結(jié)形腔體，分別與H面波導(dǎo)腔體以及E面波導(dǎo)腔體之間形成的夾角為30～60°。

圖1 為本文設(shè)計(jì)的極化轉(zhuǎn)換裝置的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)3D電磁仿真計(jì)算模型。

圖1 極化轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)腔結(jié)構(gòu)3D 電磁仿真計(jì)算模型

3 仿真分析

本文選取一種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的微波極化轉(zhuǎn)換裝置作為仿真對(duì)比，由HFSS 軟件完成建模。圖2 為傳統(tǒng)極化轉(zhuǎn)換裝置的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)3D 電磁仿真計(jì)算模型。

圖2 傳統(tǒng)極化轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)腔結(jié)構(gòu)3D 電磁仿真計(jì)算模型

基于圖2 的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)3D 電磁仿真計(jì)算模型，用HFSS 可以分別仿真出在理想導(dǎo)體邊界條件下，采用相同波端口激勵(lì)時(shí)的腔體內(nèi)部電場(chǎng)分布，如圖3 所示。

圖3 本文極化轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)腔電場(chǎng)分布

由仿真結(jié)果可以看出，2 種結(jié)構(gòu)的極化轉(zhuǎn)換裝置均保持了電磁波信號(hào)的波形狀態(tài)，未發(fā)生明顯的電磁能量衰減。相比之下，本文設(shè)計(jì)的極化轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)更為巧妙，使電磁波經(jīng)一步扭轉(zhuǎn)便實(shí)現(xiàn)了極化方向的轉(zhuǎn)換。

駐波系數(shù)可以直觀反映微波器件為傳輸線系統(tǒng)引入的插入損耗，從而對(duì)極化轉(zhuǎn)換裝置性能進(jìn)行量化。通過(guò)HFSS 仿真，可以得到2 種內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的駐波系數(shù)曲線，分別如圖4、圖5 所示。

圖4 傳統(tǒng)極化轉(zhuǎn)換裝置駐波系數(shù)曲線

圖5 本文極化轉(zhuǎn)換裝置駐波系數(shù)曲線

圖4 為現(xiàn)有技術(shù)極化轉(zhuǎn)換裝置駐波系數(shù)曲線，圖5 為本文極化轉(zhuǎn)換裝置駐波系數(shù)曲線。由仿真結(jié)果可知，現(xiàn)有技術(shù)中主要使用頻率段的駐波小于1.15，本文的微波極化轉(zhuǎn)換裝置主要使用頻率段的駐波小于1.03，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電氣性能指標(biāo)。本文裝置的蝴蝶結(jié)形結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)電磁信號(hào)的一步扭轉(zhuǎn)，可以在駐波段形成傳輸零點(diǎn)，從而達(dá)到展寬使用帶寬和超低駐波性能的目的。

綜上可知，本文設(shè)計(jì)的矩形波導(dǎo)極化轉(zhuǎn)換裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

H面波導(dǎo)腔體、極化轉(zhuǎn)換裝置以及E面波導(dǎo)腔體之間的螺釘數(shù)量減少，不僅使安裝和拆卸方便，還減少了極化轉(zhuǎn)換器件的磨損，可延長(zhǎng)其使用壽命。

能夠滿足相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)要求，具有駐波比小、插入損耗小等優(yōu)良性能。

只需要設(shè)置1 個(gè)極化轉(zhuǎn)換單元，在能夠?qū)崿F(xiàn)波導(dǎo)傳輸極化轉(zhuǎn)換功能的同時(shí)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工和品控難度小、體積較小的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文分析了矩形波導(dǎo)中線極化電磁波的極化轉(zhuǎn)換過(guò)程，提出了一種矩形波導(dǎo)極化轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)與現(xiàn)有技術(shù)極化轉(zhuǎn)換裝置性能指標(biāo)進(jìn)行仿真對(duì)比，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)矩形波導(dǎo)極化轉(zhuǎn)換裝置的先進(jìn)性。