極化轉(zhuǎn)換器的原理分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于天線饋源輸出端通常要與帶有矩形接口的室外接收單元聯(lián)接，所以，反射面天線的饋源通常需要一段極化轉(zhuǎn)換器和矩圓過渡波導(dǎo)，如圖3-18所示。對于接收采用園極化波的衛(wèi)星廣播信號，裝在接收天線饋源后的極化器先將圓極化波轉(zhuǎn)換為線極化波，再通過矩圓過渡波導(dǎo)將圓波導(dǎo)中的波型變換為矩形波導(dǎo)中的波型，以便與其后的衛(wèi)星接收高頻頭(LNB)接口配接。

圖 3-18 極化轉(zhuǎn)換器和矩圓過渡波導(dǎo)

由于圓極化波可以看成是由2個正交、等幅、相位差90°的線極化波分量合成的，所以，極化器的工作原理就是用一個分量移相器使其中一個線極化波改變相位，經(jīng)一段傳輸路程后，二個分量的相位變成相同，其合成場變成了線極化波。反射面天線中常采用45°介質(zhì)片分量移相器或銷針分量移相器。它們的移相原理是相同的。

圖 3-18 45°介質(zhì)片分量移相器結(jié)構(gòu)示意圖

圖 3-19 銷釘分量移相器

圖 3-20 極化波與移相器的關(guān)系

45°介質(zhì)片分量移相器如圖3-18所示。在圓波導(dǎo)內(nèi)與矩形波導(dǎo)寬邊45°角方向上安裝一個介質(zhì)片。假設(shè)進(jìn)入饋源的來波是左旋圓極化波，則可將圓極化波分解為與介質(zhì)片平行的分量

及介質(zhì)片垂直的分量

。由于是左旋，所以

超前

90°。但

在介質(zhì)片上傳輸?shù)乃俣缺却怪庇诮橘|(zhì)片的

慢，

的相位逐漸被延遲。選擇合適的介質(zhì)片長度l，使

的相位恰好延遲90°，

變成了與

同相位，于是合成場變?yōu)榕c介質(zhì)片成45°夾角的線極化波。由于矩形波導(dǎo)的極化方向與寬邊垂直，所以該極化波能進(jìn)入矩形波導(dǎo)進(jìn)行傳輸。用作分量移相器的介質(zhì)片，一般由微波損耗小的聚四氟乙烯板或聚四氟乙烯纖維板制作而成。片長一般通過實驗才能最后確定，二頭切成凹狀是為了減少波的反射。
 

圖3-19表示在圓波導(dǎo)內(nèi)放置兩排銷釘，構(gòu)成銷釘分量移相器。對于行于銷釘所在平面的電場

來說，銷釘呈容性，使其相速減小，而對垂直于銷釘面的

來說銷釘呈感性，使其相速增加?？刂其N釘插入深度和銷釘?shù)膫€數(shù)，可以做到

與

同相，將圓極化波轉(zhuǎn)換為線極化波。為了使銷釘移相器與波導(dǎo)匹配，銷釘?shù)牟迦肷疃仁菨u變的，中間最深，兩邊最淺。用漸變寬度的月牙形金屬片代替兩排銷釘，也能構(gòu)成移相器，其基本原理與銷釘移相器相同。由于銷釘所在平面與介質(zhì)所在平面一樣，都是使與之平行的

相位滯后。所以在完成同樣的極化方式轉(zhuǎn)換時，銷釘平面在圓波導(dǎo)內(nèi)的取向與介質(zhì)片的取向是一致的。前饋和后饋天線

接收各種極化波時，極化器與波導(dǎo)寬邊的安置方向如圖3-20所示，這是從高頻頭的矩形波導(dǎo)口向饋源方向看去的。

圓形波導(dǎo)由于結(jié)構(gòu)對稱，對波的極化形式?jīng)]有選擇，而矩形波導(dǎo)只允許與其寬邊垂直的電場通過，所以波導(dǎo)的寬邊必須與電波極化的方向相垂直。

圖 3-21 一種可調(diào)線極化饋源

一種可調(diào)線極化饋源，如圖3-21所示。在接收線極化波時，只要調(diào)整線極化振子，使之平行于線極化波的極化方向即可。若將振子改為小螺旋，則該饋源接收圓極化波無需加極化器。此外，背射螺旋饋源也是不加極化器而接收圓極化波的。

3.4.3 圓矩過渡波導(dǎo)

波導(dǎo)型的饋源為了獲得旋轉(zhuǎn)對稱的方向圖，通常以圓波導(dǎo)激勵。緊接在饋源后面的極化器也是由圓波導(dǎo)構(gòu)成的。而大部分的高頻頭(LNB)的輸入端是矩形波導(dǎo)，所以，在饋源的輸出端口通常加有一個圓矩過渡波導(dǎo)段，以完成圓波導(dǎo)中的

模電磁波到矩形波導(dǎo)中

模電磁波的轉(zhuǎn)換。在圓矩過渡波導(dǎo)段中要求引入的不連續(xù)性應(yīng)盡量小，以達(dá)到減小饋源的駐波比，改善阻抗匹配的目的。

圓矩波導(dǎo)的過渡有多種形式。圖3-22為圓矩漸變過渡波導(dǎo)，圓波導(dǎo)

模經(jīng)過一段漸變線逐漸過渡為矩形波導(dǎo)

模。為了使電磁能量從圓波導(dǎo)全部傳入矩形波導(dǎo)，要求矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)的二模相位相等，據(jù)此得圓波導(dǎo)半徑R=2α/3.41=0.6α，其中α是矩形波導(dǎo)寬邊尺寸。與此類似的漸變過渡變換方式還有楔形圓矩過渡，如圖3-23所示。

圖 3-22 圓矩漸變過渡波導(dǎo)及其電場模式變換過程示意圖
 

階梯式矩圓過渡波導(dǎo)如圖3-24所示。采用幾節(jié)長度為λg/4 階梯，使圓波導(dǎo)過渡到矩形波導(dǎo)，λg為其節(jié)變形波導(dǎo)段的波導(dǎo)波長。一般采用2節(jié)λg/4過渡段，每一臺階的高度由λg/4 過渡段的特性阻抗決定。

圖 3-23 采用楔形圓矩過渡波道的饋源

圖 3-24 階梯式矩圓過渡波導(dǎo)