折线栅圆极化器的设计

折线栅圆极化器的设计

马晓华,吴睿,乔运涛,曹江

火箭军装备部驻南京地区第二军事代表室 

摘  要本文设计了一款应用于多层折线栅圆极化器，利用回折线周期结构特性，只需在已有线极化喇叭天线的口径前方放置折线栅圆极化器，即可实现线极化向圆极化的转换。这种实现方式具有低成本、简化设计复杂度、高灵活性的特点，可与现有的线极化天线无缝兼容。经过实测，本文设计的圆极化天线罩轴≤2dB的相对带宽超过40%，并且插损＜0.3dB，样品的实测结果与仿真很好的吻合，验证了此圆极化天线罩的工程性并得到实际应用。

关键词 折线栅圆极化器；轴比；宽带；

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圆极化器可将线极化波转换为圆极化波，而且具有频带宽、损耗低、对天线及其馈电网络设计要求低等特点，广泛应用于雷达和卫星通信系统[1]。多层折线栅圆极化器具有宽频特性，可用于常见的口径天线或喇叭馈源上，实现线极化天线的变极化工作。 [2-3]。

本文所设计的多层折线栅圆极化器是用在X波段雷达天线的喇叭口径上。因为折线栅圆极化器的金属栅片的结构是周期性的，所以利用周期性结构的特点，选取其中的一个周期单元进行研究，通过优化调节折线栅单元的结构参数尺寸和层数来实现设计的指标，最终再推广到整个结构上。此种分析方法，通过HFSS软件的仿真可以快速确定结构是否满足我们的设计要求，可以为实际的工程应用所接受。

1 折线栅圆极化器周期单元设计

折线栅圆极化器是一种常用的宽带线圆极化转换罩，由多层周期结构的金属折线栅间隔一定距离形成，将它置于线极化天线的辐射口面上，可以实现线极化波到圆极化波的转换[4]。

如图1所示,当线极化入射波以与折线栅成45°角度入射时,入射波Ein可以被分解为垂直于折线栅轴线的分量E⊥和平行于折线栅轴线的分量E∥。这时,折线栅成为使线极化入射波的两个正交分量分别产生不同相移的透波窗。对经过适当设计的多层折线栅,可以使两个正交分量E⊥和E∥在一定带宽内相互之间都产生90°的相差,从而将水平或垂直极化人射波转换为圆极化波。实际放置时,应将极化波方向与折线栅轴线成45°的夹角。

图1 折线栅圆极化器的结构原理图

图2 折线栅圆极化器单元的仿真模型

利用HFSS软件对折线栅圆极化器的参数进行优化，其中水平方向的周期长度a，金属折线上下边缘高度h及垂直方向的周期长度b这三个参数尺寸的变化对圆极化器性能起主要的影响。具体影响表现为：水平方向周期长度a增大，水平分量和垂直分量的幅度呈现衰减的趋势，水平分量和垂直分量的相位差呈现增加的趋势；金属折线上下边缘高度h增大，水平分量和垂直分量的幅度呈现衰减的趋势，水平分量和垂直分量的相位差基本不变；垂直方向周期长度b增大，水平分量和垂直分量的幅度呈现变大的趋势，水平分量和垂直分量的相位差呈现减小的趋势。具体仿真结果如图3所示。

（a）传输系数

（b）相位差

（c）轴比

图3 折线圆极化器周期单元的仿真结果

通过图2的仿真结果可以看出：在工作频段X波段内，信号经过折线栅圆极化器形成的水平极化波和垂直极化波的插入损耗较小，均小于0.3dB，水平极化波和垂直极化波的相位差与严格的90°相比相差±3°以内，最终的轴比均小于1.5dB，很好的满足了设计指标的要求。

2 折线栅圆极化器实测结果分析

根据前文的分析与仿真设计，加工了折线栅圆极化器的性能测试样件，图4为折线栅圆极化器实物照片，尺寸为100mm×300mm。在与标准增益喇叭装配完毕后，利用微波暗室远场测试方法对折线栅圆极化器的性能进行了测试，测试结果如图5所示。

图4 折线圆极化器实物照片

图5 折线圆极化器暗室轴比测试结果

通过实测结果可以看出，测试结果与仿真结果基本吻合，在X波段内轴比均小于2dB，实现了较好的性能指标。

3 结束语

本文基于多层折线栅圆极化器的基本设计理论，基于HFSS对单层折线栅的仿真数据，设计了四层微带板的单面刻蚀折线栅的圆极化器。通过仿真和实物测试，验证折线栅圆极化器具有较好的宽频带比特性，轴比≤2dB的相对带宽超过40%，并且插损＜0.3dB，能够较好的满足X波段项目的技术要求。同时该圆极化器具有结构空间小、性能稳定和安装方便等优点，在微波段和毫米波段有很好的应用需要。

参考文献：

[1] 杨梓元.超宽带多层折线圆极化器的优化设计[J].电子对抗技术，1995，1:15-21

[2] 简荣华,李彪.基于模式搜索法的折线栅圆极化器的优化设计[J].信息与电子工程,2006,4(2):116-

120.

[3]Eric Arnaud, Regis Chantalat, Majed Koubeissi, Thierry Monediere, Emmanuel  Rodes,  and  Marc  Thevenot, “Global Design of an EBG Antenna and Meander-Line Polarizer for Circular Polarization”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol.9.2010

[4] 方剑.6～18GHz 折线栅圆极化器的优化设计方法[J].电子对抗技术,2000,15(5):17-23.

作者简介：马晓华（1980-），男，硕士研究生，工程师，主要从事导航制导与控制等领域的工作。