一种宽带高功率圆极化器的设计方法

摘要

本发明公开了一种宽带高功率圆极化器的设计方法，属于大功率毫米波器件领域。本发明方法通过利用具有多种色散特性过模波导结构组合获得一种等效低色散的波导移相段，使得进入波导移相段后的两个正交线极化模式的相位常数差值趋于常数，有利于波束经过波导移相段后获得稳定的相位差。同时，采用过模波导作为移相载体，无介质插片等易击穿物体的存在，具有高功率容量特性。

说明书

技术领域

本发明涉及大功率毫米波器件领域，具体涉及一种用于大功率毫米波传输链路宽带高功率波导圆极化器的设计方法。

技术背景

圆极化器是微波系统中应用十分广泛的一种器件，主要用于线-圆极化之间的相互转换。通常，波导圆极化器可将入射的线极化电磁波分解成两个等幅度且互相正交的线极化波，进而对两个线极化波的相位差进行调控，使之达到90°，再合成为一束圆极化波；或将圆极化波分解为两个等幅正交、相差90°的线极化波，经相位调控后使之同相，再合成一束线极化波。在基于回旋行波管的大功率传输链路中，部分功率源采用的TE

在大功率回旋行波管系统中，由于前端功率源的宽带、高输出功率的特性，所以高功率圆极化器也应具有较高的功率容量和较宽带宽。目前所提出的圆极化器的实现方式有很多种，如波纹加载的圆波导或方波导极化器、脊波导圆极化器、介质插片圆极化器等(《波导圆极化技术》，作者：丁晓磊，孟明霞。遥测遥感技术。第35卷第4期，2014年7月)，但这些圆极化器均存在功率容量和工作带宽不能兼顾的缺陷。常规的周期波纹加载的波导圆极化器能够很好的实现宽带的特性，但由于其器件尺寸较小，限制了功率容量。而基于均匀直波导(如椭圆波导、切角方波导等)的圆极化器虽然功率容量大，其宽带和紧凑性不能同时实现，需要牺牲一定带宽来实现器件的小型化。至于介质膜片加载、调谐式螺钉加载等圆极化器，在高频高功率情况下，功率容量小、损耗大等缺点就被更进一步的显现出来。

发明内容

针对现有技术中的波导圆极化器功率容量低、带宽窄、器件体积庞大等问题，本发明提出了一种用于大功率回旋行波管链路系统的宽带高功率圆极化器的设计方法。该圆极化器能够在宽带内取得高效能量传播的同时，实现平稳90°相位差。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种宽带高功率圆极化器的设计方法，该圆极化器为过模波导结构，包括波导移相段，以及设置于波导移相段两端的输入过渡段、输出过渡段；该圆极化器的设计方法包括以下步骤：

S1.根据已知前后级联器件的口径，确定圆极化器输入端口和输出端口的口径。

为了方便与前后级器件进行连接，设计的圆极化器的口径应与前后级器件输出口径及形状一致。

S2.根据设计目标确定圆极化器在工作带宽内的最大移相误差和波导移相段的初始长度L，设计波导移相段的初始模型。

S2-1.将圆极化器的工作频带划分为N个小工作频带(N≥2，N为整数)，并选取基本相移结构作为各小工作频带对应的移相段，满足在相应带宽内的两个正交化的模式相位差为一常数。

对于工作带宽越高、相位波动越小的圆极化器，工作频带划分越多，即移相段的数量越多。

S2-2.选取的N个移相段的初始长度均设置为L/N，得到波导移相段的初始模型。

进一步地，所述基本移相结构为具有不同色散特性的能传播正交极化的波导移相结构，即电磁波经过长度相同的基本移相结构传输后相位的改变量不一样。这些波导移相结构可以为过模矩形波导、椭圆波导、或者带有均匀相位调节结构(如波纹槽、螺钉等)的过模矩形波导、椭圆波导或者方波导等。

S3.对波导移相段的初始模型进行性能分析，判断波导移相段的初始模型在工作频带内是否满足设定的最大移相误差。若能满足，则进行下一步；若不能满足，则根据各移相段的色散特性，调整各移相段的长度，进行色散互补，通过多次的迭代直至满足设定的最大移相误差，进行下一步。

S4、根据步骤S3确定的波导移相段的模型，设计与前后器件连接用的输入过渡结构、输出过渡结构，以及各个移相段之间的连接过渡结构，得到圆极化器的初始模型；然后优化该初始模型的结构参数，在降低圆极化器反射的同时，实现正交的两个极化方向的模式功率的等分、相位差达到90度，完成整个圆极化器的设计。

本发明的大功率宽频带圆极化器的工作原理如下：

本发明的波导移相段由若干色散特性不同的基本移相结构线性加权组合来实现，总体等效色散特性可视为各个移相段色散特性长度加权线性叠加。单个移相段的实现方式可以为具有高功率容量的均匀变化波纹槽结构、椭圆结构、矩形结构和类圆波导等。调节波纹槽周期、槽深、宽度和椭圆波导的长短轴等可以实现不同的传播常数频率响应。通过选取不同的基本移相结构或不同的波纹槽结构进行组合，可以实现不同频率-传播常数曲线的线性叠加，使得波导移相段在高频和低频的色散特性保持一致，从而在宽带内得到平坦的传播常数的频率响应，实现宽带圆极化。

波导移相段的总等效传播常数可表示为：

其中，β

本发明的输入过渡段、波导移相段、输出过渡段均会产生相位差，但主体移相的部分主要集中在波导移相段。过渡段主要用来在保障高效传播的同时，对相位进行小范围优化调整。最终在工作带宽内使得两个正交极化的波取得平稳的90度相位差，完成整体优化设计。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明具有了以下优点：

本发明通过利用具有多种色散特性过模波导结构组合获得一种等效低色散的波导移相段，使得进入波导移相段后的两个正交线极化模式的相位常数差值趋于常数，有利于波束经过波导移相段后获得稳定的相位差。同时，采用过模波导作为移相载体，无介质插片等易击穿物体的存在，具有高功率容量特性。

附图说明

图1是本实施例设计的圆极化器的结构示意图。

图2是本实施例设计的圆极化器的剖面图。

图3是本实施例设计的波导移相段部分椭圆波导和椭圆槽的尺寸示意图。

图4是本发明两个正交等幅线极化TE

图5是本发明两个TE

附图标号说明：1为波导法兰，2A为端口定位销钉，2B为圆极化器定位销钉，3A为端口装配螺钉，3B为圆极化器装配螺钉，4为输入/输出过渡段，5为椭圆波导移相段，6为椭圆槽移相段。

具体实施方式

下面结合附图，以设计一个工作在16GHz-23GHz用于大功率毫米波系统的圆极化器，对本发明作进一步详细说明。

S1.根据已知前后级联器件的口径，确定圆极化器输入端口和输出端口的半径为16毫米。

S2.根据设计目标确定圆极化器在工作带宽内的最大移相误差和波导移相段的初始长度L，设计波导移相段的初始模型。

S2-1.设计的圆极化器的工作频带为16GHz-23GHz，将其工作频带划分为2个小工作频带，分别为20-23GHz(频段A)和16-20GHz(频段B)；选取椭圆波导作为第一移相段，由于功率容量需求导致其严重过模，使得两个极化的TE

周期波纹槽椭圆波导可有效改善高频段的色散特性，但对低频段影响甚微；同时因为两个移相段的口径相同，也方便两者过渡连接。

具体地，如图3所示，椭圆波导的长轴a

周期波纹槽椭圆波导的初始长度为200毫米，波纹槽的周期为T＝1.5毫米，槽宽为1毫米，波纹槽的长轴与椭圆波导的长轴正交，长轴a

S3.对波导移相段的初始模型进行性能分析；可知波导移相段的初始模型在工作频带内不能满足设定的最大移相误差，因此根据两移相段的色散特性，调整其长度，进行色散互补。

在工作频段内，两正交极化的波束呈现不同的色散特性，两波束的传播常数差，随着频率变化波动。为了获得宽带内稳定90度相位差，该波动应尽可能的小。已知第一移相段(椭圆波导)的两极化波束的传播常数差在频段A(20-23GHz)内小而在频段B(16-20GHz)内大，说明在第一移相段在长度为200毫米时，频段A(20-23GHz)内带来的相位差小于频段B(16-20GHz)，这是限制移相带宽的原因。此时，在总长度L满足设计要求的情况下，调整两移相段的长度，第一移相段的长度调整为60毫米，第二移相段(周期椭圆波纹槽波导)的长度调整为340毫米，使第二移相段在其长度为340毫米时，在频段A内的相位差大于频段B；两移相段色散相互补偿，在总长度L＝400毫米的情况下，等效色散为两者线性加权。加权后的色散特性同时具有两个移相段的色散特性，可以实现色散宽带匹配，从而达到拓宽带宽的目的。

S4、根据步骤S3中确定的波导移相段的模型，设计与前后器件连接用的输入过渡结构、输出过渡结构，以及各个移相段之间的连接过渡结构，得到圆极化器的初始模型；然后优化该初始模型的结构参数，在降低圆极化器反射的同时，实现正交的两个极化方向的模式功率的等分、相位差达到90度，完成整个圆极化器的设计。

具体地，将椭圆波导分为长度相同的两段设置于周期波纹槽椭圆波导两段，方便与输入/输出过渡结构连接；输入过渡结构采用圆-椭圆线性过渡结构，输出过渡结构与输入过渡结构的尺寸相同，对称设置于波导移相段的两端。当线极化TE11模式输入时，会沿输入过渡结构被分解为两个正交的线极化TE11模式进行相位调制。之后，两个相位调制完成后的正交线极化TE

在过模情况下，椭圆波导中的两个TE

如附图1、2所示，本实施例的圆极化器可以将前端输入圆极化波转换为线极化波，方便后端转弯、功率合成等传输链路的设计。该圆极化器被对称剖分成两半，加工后再进行整体装配。前后连接的圆波导(半径为16毫米)通过法兰1接入圆极化器输入端口，端口定位销钉2A和端口装配螺钉3A保证前端功率源和圆极化器的接入精度。保证前端功率源和圆极化器的装配精度。如附图2所示，该圆极化器对称剖分进行加工，通过圆极化器定位销钉2B和圆极化器装配螺钉3B保证装配精度。由于圆极化器可完成线-圆极化之间的互相转换，当前端圆极化波/线极化波通过输入端口入射至圆极化器，可被分解为两等幅正交并具有90°/0°相位差的线极化波。经过圆-椭圆线性输入过渡段4后，两线极化波进入波导移相段，极化方向分别为垂直椭圆波导5的长轴和平行椭圆波导5的长轴。经过圆极化器整体移相段相位调制之后，两线极化波相位差为0°/90°。之后，两线极化波进入椭圆-圆线性输出过渡段4，此时两线极化波同相/正交，可合成为一线极化波/圆极化波，极化方向为与椭圆波导长轴夹角45°。另外，输入/输出过渡段4带来的相位影响较小，可忽略不计，或由椭圆波导段进行移相补偿。

如附图4所示，在工作频带15-23GHz内，两正交的线极化TE

如附图5所示，在工作频带15-23GHz内，两线极化的波在经过圆极化器后，相位差约为90°±3°，可很好地实现线-圆极化的转变。