叶顺涛1502303068一种改善型TE11模圆极化器的设计

《微波电路与系统》课程结课

报告

学号、专业：1502303068、电子与通信工程

姓名：叶顺涛

模圆极化器的设计论文题目：一种改善型TE

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指导教师：曹卫平教授

所属学院：信息与通信学院

成绩评定

教师签名

桂林电子科技大学研究生院

2016年8月20日

一种改善型TE11模圆极化器的设计

摘要：针对于传统的波导圆极化器输出端两正交模幅度不等的缺点，本文提出了

模圆极化器，以实现更好的圆极化性能。运用电磁场理论和数值一种改善型TE

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模圆极化器进行优化计算，计算结果表明：在工作频率计算方法对30GHz TE

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29.5～30.5GHz范围内，该圆极化器输出端口两正交模电场幅度几乎相等，

相位差为90o±3.50o，轴比AR<0.48dB，驻波比VSWR<1.12。

关键词：圆极化器；介质插片；梯型过渡器

引言

波导圆极化器是圆极化反射面天线馈源系统的关键组成部分，其作用是将线极

化信号变换为圆极化信号。由于在通信、导航、深空探测、电子对抗等方面,圆

极化天线都有着十分重要的应用,因此,在过去的几十年里,圆极化器一直是

微波天线领域热点研究内容之一。在高功率微波(HPM)应用中,波导圆极化器[1]

因其结构简单,损耗小且功率容量较高等优点而获得广泛研究应用。目前,已有

的圆波导TE

模圆极化器主要有螺钉调节型[2-3]、槽加载型[4]、椭圆过渡型[5]和介11

质插板型等。其中，螺钉调节型和槽加载型圆极化器的结构比较复杂、对加工精

度的要求很高，不利于批量生产；而椭圆过渡型圆极化器因其椭圆加工的不完整

性导致性能受到影响；而在波导内插入金属膜片[6-10]或介质片[11-13]可以通过自相

移90o来实现圆极化，这类圆极化器结构简单、加工方便、可调整性好，应用也

比较广泛,在带宽要求较窄的情况下可以很好地满足性能指标要求。

在实验中，我们发现：输出端口两正交模的电场幅度并非严格相等，可通过稍

微改变夹角α实现等幅输出从而进一步降低轴比。所以，本文提出了一种改善型

阶梯型TE11模圆极化器，仿真结果与理论预测值相符，设计的圆极化器具有结

构简单，反射系数小，低轴比和结构可调整性的优点。

1.圆波导理论基础

圆波导具有加工方便、双极化、低损耗等优点，普遍用于远距离通信、天馈

系统中，常常作为初级馈源、圆极化器和其他元件的标准部件，圆形波导是非常

适合设计圆极化器的元件，本文的介质插片式圆极化器就是采用圆波导形式的。

为了圆波导分析的简便起见，我们采用圆柱坐标系。

由电磁场与电磁波理论可得到主模TE11模的场分量表达式为（取sinϕ解）：z j c z z

j c c z

j c c

r z z

j c c z j c c r e r k J H H e r k J H r

k j H e r k J H k j H E e r k J H k jw E e r k J H r

k jw E ββφββφβφφβφβφµφµ−−−−−=−=′−==′=−=

)(sin )(cos )(sin 0

)(sin )(cos 11111121111111112(1-1)

其中，)(1r k J c 是第一类一阶贝塞尔函数，

)(1r k J c ′是第一类一阶贝塞尔函数的导函数。由此可知，截止波长λc =3.41R ，其中，R 为圆波导半径。

TE 11模是圆波导中的最低次模，TE 11模的电场具有一定的极化方向，任意极化方向的电场，都能分解成为两个正交极化的电场。如果将这两个正交极化的TE 11模看成是两个模，他们对应着同一个临界波数K cTE11，这种现象称作极化简并，这两种极化简并的模各自携带各自的功率和信息，形成两个信息通道，可作为频率复用的手段，如果设法使这两个极化简并的模的幅度相等、相位相差π/2可用来形成圆极化场，这就是圆极化实现的理论，也是圆极化器的基础。

2.介质插片式圆极化器

2.1网络角度分析介质插片圆极化器

介质插片圆极化器从几何形状上看是二端口网络，但从电性能上应看作多端口网络，因为在其端口上有两个模式的波在传播，一个是水平极化的TE 11波，另一个是垂直极化的TE 11波,在器件内部存在多种模式，通常我们选定参考面时，都让参考面远离多模区域，使参考面上仅有单模传输。这样，介质插片圆极化器几何形状或机械上的单一端口就看作微波网络的单一端口。根据广义传输线的下列关系式：

E T (x,y,z)=e(x,y)V(z)

H T (x,y,z)=h(x,y)I(z)(2-1)

这里每个模式都有与它对应的等效电压V (z )和等效电流I (z )，故每一个模式都要用一个独立的等效长线来表示，也就是说每一个模式对应一个参考面。我

们看到机械上的“端口”和电性能上的“端口”是两个不同的概念，就网络问题的实质而言，指的是电性能上的“端口”而不应该是机械上的“端口”。所以我们可以得出这样的结论：微波器件上的单个端口，在单模传输时，可看作单个端口，在多模传输时，应看作多个端口。具体到圆极化器来讲就应看作多个端口。在每个几何结构的端口上都有两个极化相互垂直的TE11波在传播，所以应把它看作四端口网络，如下图2.1所示，输入端是端口1和端口2，输出端是端口3和端口4。虽然介质片对TE11波是有扰动的，并且还存在反射，但是我们先将这些问题忽略，将它当作理想的介质插片圆极化器，根据以下性质写出它的散射矩阵。

图 2.1介质插片式圆极化器的工作原理

（1）各端口无反射时有：

s ii=0(1,2,3,4)(2-2)（2）利用模式正交性有：

S12=0S14=0S23=0S34=0(2-3)（3）垂直极化波相位领先水平极化波

S31=e-jϕ

S42=je-jϕ(2-4)（4）网络互易有：

S ij=S ji(i,j=1,2,3,4)