双频双圆极化旋转器研究综述

双频双圆极化旋转器研究
一、项目要求（K-Ka双频圆极化器） (2)
二、技术调研 (4)
三、双频双圆极化旋转器研究 (8)
1.圆波导模式 (8)
2.极化（模式）控制 (8)
3.极化旋转器模式 (9)
一、项目要求（K-Ka双频圆极化器）
一、任务
设计并制作一个K-Ka双频圆极化器。

二、要求
1．基本要求
（1）频段A: 19.6GHz～21.2GHz；
（2）频段B: 29.4GHz～31.0GHz；
（3）带内驻波：≤1.2；
（4）频段A左旋圆极化，频段B右旋圆极化；
（5）轴比：≤1.5 dB；
（6）输入输出法兰：见下图
图一圆极化器外形
2. 发挥部分
（1）圆极化器整体长度≤35 mm；
（2）轴比：≤1.2 dB；
（3）扩展带宽：频段A：19.2GHz～21.6GHz；
（4）扩展带宽：频段B：29GHz～31.4GHz；
（5）设计性能优良的测试配件。

备注：扩展频段，要求同时满足基本要求项中的第（3）、（4）、（5）项。

三、说明
1．图一种所标注尺寸必须满足，器件整体长度根据需要自行确定；
2．轴比包含的细节指标（如分量插损和相位差）不做详细要求；
3．器件加工材料和表面处理方式不限；
4．设计报告正文中应包括指标分析，仿真模型，仿真结果，机加文件，测试数据。

四、评分标准
二、技术调研
该馈源系统中的天线需工作在双频，其中高端频带为发射频带，低端频带为接收频带。

并在两个频带内均实现圆极化。

这就要求反射面馈电网络完成以下三个功能：
（1）收发分频：即把收发两频段信号分离开来，互不干扰。

这主要通过分波器或截止波导或滤波器或其组合来实现。

（2）极化转换：即把线极化的信号转换为圆极化信号或圆极化信号转换为线极化信号，这可以通过90°移相网络或圆极化器来实现。

国外也有采用3dB波导缝隙电桥来实现极化转换，这种方法具有更宽的带宽。

（3）分极化：即把两个正交的线极化信号分离开来，这主要是通过正交模耦合器来实现，国外也有采用高性能的魔T的组合来实现极化分离。

1.金属膜片圆极化器
金属膜片式圆极化器工作在主模H10模。

方波导中H10可以可以分解为相互正交的两个H10波，这种圆极化器就是利用金属膜片使波导中的两个相互正交的H10波形成90°相差来实现圆极化波的。

下图表示了金属膜片式圆极化器的基本工作原理。

(b)为圆极化器的纵向剖面图，金属膜片关于方波导对称分布。

在(a)中，当线极化波EL以如图所示的方向输入到圆极化器时，EL可以分解为x和y方向的两个分量Ex和Ey，其中Ex垂直于膜片，Ey平行于膜片。

当EL与x和y轴的夹角均为45度时，EL可以分解为幅度和相位相等的两个分量Ex和Ey，当Ex和Ey通过圆极化器的膜片时，金属膜片组对Ex呈现并联电容特性，而对Ey呈现并联电感特性，这样使Ex分量相位相对滞后，使Ey分量相位相对超前，选择合适的波导边长，
膜片的数量，深度值，即可在输出端实现Ex和Ey两个分量90°的相位差，如果Ey分量相位超前Ex分量90°，且两个正交分量的幅度相等时，便可形成左旋圆极化波ELHCO，如图(c)所示；同理，当输入线极化波为(a)图中ER的方向时，Ex分量相位相对超前，Ey分量相位相对滞后，如果Ex分量相位超前Ey分量90°，就形成了右旋圆极化波ERHCP。

为了降低驻波，金属膜片接近圆极化器口面的几组膜片的插入深度分布须采用渐变分布，通常有升余弦分布以及高斯函数分布两种可选。

金属膜片式圆极化器的优点是插入损耗小，通过增加膜片对数能够使驻波变得更小，带宽做的更宽，但是结构比较复杂，加工精度要求高，可调性差，并且容易在高端频率出现高次模谐振。

加工精度往往要求误差在0.02mm以下才能得到一个比较好的结果。

双频带内高低端两正交极化驻波均小于1.07，插入损耗均小于0.03dB，移相差为90加减3.5
2.介质插片式圆极化器
介质插片式圆极化器的结构简单，加工方便，可调性好，在带宽要求较窄的情况下可以满足性能指标。

介质插片式圆极化器结构如下图，在一段圆波导中插入无耗介质片，通过适当选择入射波极化方向和介质片的长度和形状以及介质片的介电常数和厚度就可以形成圆极化波输出。

介质插片式圆极化器的结构图如上，介质插片置于圆波导中心，与线极化的入射波E成 =45°夹角。

圆波导中的主模为H11模，设为E。

当E从左边的端口入射时，可以分解为两个等幅，同相的正交极化分量Ex和Ey,其中Ex垂直于介质片，Ey平行于介质片。

Ex和Ey 通过圆极化器的介质插片时，介质插片对两个正交极化分量分别产生两个相移常数βx和βy。

其中βx和βy的值由下式确定。

其中εeffx与εeffy分别为两正交方向上的有效介电常数，它们随介质片的厚度变化而变化，且随介质插片的相对介电常数εr的增加以不同斜率变化。

这两个有效介电常数一般不相等的，并且是与频率相关的，介质插片的相对介电常数εr越高，两正交方向的相移常数βx，βy的差值越大。

Fcx与fcy分别为两方向上的截止频率。

在两正交极化波通过圆极化器时，平行于介质插片的极化波的相位受到的影响比垂直于介
∆=（βy-βx)*L。

质插片的极化波相位受到的影响大，它们的相位差ψ
可见，增大介质插片的εr，可在相同的路径内增大相位差。

反之，在相位差一定的情况下，增大介质插片的相对介电常数可以有效的缩短路径，这种特性为器件小型化提供了一种方法。

介质插片的形式有很多种，由于普通的矩形介质插片无法达到匹配的要求，而燕尾槽型的介质插片式双频圆极化器的优点是：能够减小Ex分量入射波的反射，从而使Ex和Ey两个分量经过介质插片区后的幅度相差不大，这样做能进一步减小轴比。

减小反射，介质插片的末端使用渐变形式。

渐变形式有燕尾形渐变与矩形渐变等多种。

工作于单频段的介质插片式圆极化器已经获得了广泛研究，但是对于工作于双频的圆极化器却涉及很少。

可以通过采用一种改变圆波导腔体结构来使平行和垂直于插片的传播常数之差(βx-βy)在两个频点都相等，从而实现圆极化器的双频工作。

在圆波导内壁上开一个槽用来固定介质插片，叫做固定槽。

在与固定槽正交的面上开补偿槽来弥补固定槽对整个圆极化器带来的影响，并且通过调节补偿槽的尺寸来使圆极化器在双频工作。

实测结果驻波系数小于1.26,插入损耗小于0.3dB,相位差为90°正负4°。

3.隔板圆极化器
隔板圆极化器是一种结构紧凑，易于加工，重量轻，体积小，性能良好的圆极化器。

它的特点在于将正交模耦合器（OMT）和圆极化器的功能合二为一，所以不需要外加正交器就能实现左，右旋双圆极化同时工作。

隔板圆极化器的主要技术指标与隔板平行的端口关系较大，尤其是驻波。

只有通过改善驻波使驻波尽量减小才能进一步的提高圆极化器的性能指标。

而改善驻波主要是依靠改变隔板的形状来实现。

同时，为了保证相位差为90°的要求，也要对隔板的结构进行调节，直到最后既能满足驻波要求又能满足相位要求。

三、双频双圆极化旋转器研究
1.圆波导模式
看模式至少选3个模式，HFSS里第一和第二个是正交模式，第三个才是第一高次模； 频段A: 19.6GHz～21.2GHz，频段B: 29.4GHz～31.0GHz：根据 2.62a(TM01)<λ
<3.41a(TE11)计算，同一尺寸圆波导不可能同时覆盖这两频段。

2.极化（模式）控制
用Align modes using integration lines来控制模式的方向。

用nonmode辅助面来设置倾斜积分线，可以看模式的Ex和Ey分量；
倾斜45度，3dB等幅同相（相位差180度，是因为按port1模式1来正交分解的话，port2的模式2方向反了，但是HFSS里面，在波端口里把这个方向反过来，要报错）。

3.极化旋转器模式。