一种Ka波段大功率线‑圆极化转换器的制作方法

本发明属于大功率毫米波技术领域，具体涉及一种ka波段电磁波线-圆极化转换器。

背景技术：

空间传播的电磁波按照极化方式分为线极化波、椭圆极化波和圆极化波。相比其他极化形式的波，圆极化波具有旋向正交性，可以抑制雨雾干扰和抗多径效应。在航天通信及遥测遥感设备中采用圆极化波进行传输，除可减小信号漏失之外，还能消除因电离层法拉第旋转效应导致的极化畸变的影响。因此，圆极化波在通信、雷达、遥测遥感、天文等方面具有广泛的应用。

近年来，随着大功率毫米波技术的发展，以回旋行波管为代表的大功率毫米波源得到了迅速发展。回旋行波管具有工作频带宽、输出峰值功率高、增益高等特点，是大功率毫米波雷达、电子对抗、远距离通讯等大功率毫米波系统的理想大功率源。为了有效地将回旋行波管输出的功率传输至天线，并在此过程中完成模式转换、极化状态调控等，必须搭建大功率传输链路。极化转换器能改变电磁波的极化特性，实现线极化波与圆极化波的相互转换，是大功率传输链路的重要组成器件。

极化转换器的设计指标主要为宽频带、高极化纯度、、低损耗、低成本、结构简单等。目前，空间极化转换器的实现方式有反射式和透过式两类。反射式极化转换器是通过周期性分布的光栅槽结构改变电磁波极化特征。由于采用镜面反射的方式，反射式极化转换器散热方便。但是反射式的结构会增加传播路径，从而导致某些情况下微波系统体积增大，应用起来具有一定的局限性。透过式极化转换器通过采用丝状或条状的结构，在电磁波向前传播过程中改变其极化特征。透过式极化转换器这种不改变电磁波传输方向的特点，不会增加传播系统的光路，在实际应用中受到青睐。骆明伟等人发明了一种三层折线栅圆极化器(专利申请号：201020519767.2,作者：骆明伟,汤慰,吴德晏,马黎,程志伟等人)。发明的三层折线栅圆极化器由三层折线栅和夹在折线栅的蜂窝状支撑层组成。对垂直于折线栅轴线的分量折线栅等效为电容，对平行于折线栅轴线的分量折线栅等效为电感。发明的多层折线栅结构可以在一定带宽内实现两正交分量和之间90°的相位差，即完成线极化波到圆极化波的转换。该圆极化器具有工作频带宽、体积小的优点，但是该结构的不足之处在于，由于其印制板层数较多且不同层的设计不同，使得结构较为复杂且传输损耗大。

为了解决电调极化转换器结构复杂、成本高的问题，李龙等人设计了基于多层频率选择表面的极化转换器(专利申请号：201510036446.4)。该极化转换器由带有周期单元结构的四层不同的介质基板自上而下层叠而成。该结构通过调节极化转化器和与入射线极化波极化方向的夹角，可实现出射波的线极化、左旋圆极化以及右旋圆极化特性的选择和转换，但是由于其包括多层介质板，该设计存在结构负载、传输损耗大的不足。

技术实现要素：

针对背景技术中极化转换器系统结构复杂，传输损耗大等的不足，本发明提出了一种透射式ka波段大功率线-圆极化转换器，具有传输损耗小、交叉极化电平低，工作带宽宽、结构简单、加工方便等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种透射式的ka频段大功率线-圆极化转换器，包括支撑结构、固定圆环、安装挡环和金属圆板。

所述支撑结构用于支撑固定圆环和安装挡环。

所述金属圆板放置于固定圆环和安装挡环构成的卡槽中，且可围绕中心自由转动。

所述固定圆环表面设置有刻度线，刻度线范围为≥±45°，用于表征入射电磁波与极化转换器的夹角。

所述金属圆板带有指针，指针初始位置指向0°且指针方向垂直于矩形单元孔长边，该指针用于指示金属圆板旋转的度数。

所述固定圆环内均匀分布有4～16个金属螺钉，使得金属圆板与固定圆环的圆心对齐，保证金属圆板能够自由旋转且中心保持不变。所述安装挡环上均匀设置有4～8个螺纹定位孔，当金属圆板旋转一定角度后，定位孔中插入螺钉可对金属圆板当前位置进行固定。

所述金属圆板上设置有周期性分布的n×m个矩形单元孔。相邻的两行矩形单元孔交错分布，不同两行或两列之间的相邻三单元呈等腰三角形排布。

所述矩形单元孔四个转角为四分之一圆弧段，其中圆弧段对应的圆形半径均为r，且r＝0.5mm～1.2mm。半径过小影响结构的功率容量且使得加工难度增大，半径过大则影响结构的传输性能。

所述矩形单元孔的间距条件：

其中λ0为中心工作频率点的波长，d＝max(dx,dy)，不同两列相邻单元的中心间距为dx，不同两行相邻单元的中心间距为dy。本发明是在入射角θ＝0°的基础上进行的设计，即：

所述金属圆板为单独一层或多层级联。级联使用时，各层单元中心以及单元孔对齐。多层级联结构中金属圆板之间的间距为t＝1.5mm～2.5mm，间距过小导致栅瓣提前出现，间距过大增加传输损耗。

所述不同金属圆板之间通过均匀分布的四个垫片控制间距。

所述极化转换器可由铜或者铝制成。

所述极化转化器的工作原理：考虑一个入射线极化平面波极化方向与金属圆板指针夹角为±45°。当入射波到达单元时，可分解为两个极化方向相互垂直且等幅同相的分量和并沿矩形单元向前继续传播。由于单元结构的非对称性，和具有不同的传播常数。因此，经过一定距离后会产生相位差，且相位差为

其中k//、k⊥分别代表入射波平行和垂直极化分量的传播常数，h为电磁波传播距离(这里，h为单元厚度)。所以，通过优化单元结构的横纵尺寸以及厚度，就可以调整电磁波在不同方向上的传播常数，从而实现出射波两正交极化分量的相位差达到90°。根据圆极化波可以等效成幅值相等、相位差为90度的一对正交极化波的事实，故提出的结构可以实现线极化波-圆极化波的转换。在应用中，若入射电磁波与金属圆板指针的夹角为45°时，出射波为右旋圆极化波，若夹角为-45°，出射波则为左旋圆极化波。

综上所述，本发明具有以下优点:

一、本发明通过金属圆板上周期排列的的矩形孔结构实现极化转换，该结构具有设计原理简单，加工方便、工作频带宽、交叉极化电平低等优点。

二、本发明的矩形孔呈等腰三角形排列，使得单元间的相对间隔变小，能够有效降低栅瓣的影响。

三、本发明的单元孔相邻边均采用四分之一圆弧段连接，可以降低棱角处的局部场强，提高器件的功率容量，满足大功率工作要求。

四、本发明可通过调节金属圆板与入射线极化波极化方向的夹角，实现出射波左旋圆极化和右旋圆极化的选择和转换。

五、本发明所采用的结构传输损耗低，且具有良好的散热性。

附图说明

图1本发明线-圆极化转换器(a)正面和(b)背面的结构图。

图2本发明的三维结构示意图。

图3单层结构(a)左旋圆极化和(b)右旋圆极化两极化正交分量的交叉极化电平和驻波比。

图4单层结构的轴比系数。

图5双层结构(a)左旋圆极化和(b)右旋圆极化两极化正交分量的交叉极化电平和驻波比。

图6双层结构的轴比系数。

其中1表示底座，2表示支架，3表示固定圆环，4表示安装挡环，5金属圆板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种ka波段大功率线-圆极化转换器包括底座1、支架2、固定圆环3、安装挡环4、金属圆板5。如图2所示，金属圆板的厚度为h，矩形单元孔的横纵尺寸分别为hx、hy，矩形单元孔转角处的圆弧段半径为r,入射角θ为入射波与z轴之间的夹角。

考虑一束沿着-z轴方向垂直入射的线极化平面波极化方向与y轴(金属圆板指针方向)之间的夹角为±45°。当入射波到达矩形单元孔时，可分解为两个极化方向相互垂直且等幅同相的分量和并沿矩形单元孔向前继续传播。由于单元结构的非对称性，和具有不同的传播常数。通过合理地调节孔径尺寸大小、金属层厚度以及周期单元的横纵间距可以实现出射波和分量之间90°的相位差，即完成线极化波到圆极化波的转换。若入射电磁波与y轴的夹角为45°，出射波为右旋圆极化波，若入射电磁波与y轴的夹角为-45°，出射波为左旋圆极化波。

实施案例1

本实施例以工作中心频率为35ghz的单层极化转换器为例。各部分的尺寸为：hx＝6.3mm，hy＝5.45mm，dx＝7.8mm，dy＝11.9mm，r＝1mm，h＝15mm，入射角θ＝0°。

如图3所示为单层结构的交叉极化电平和驻波比，其中tyx表示x轴极化的线极化波到y轴极化的传输系数，txy表示y轴极化的线极化波到x轴极化的传输系数。(a)图中φ＝-45°，出射波是左旋圆极化波。两个正交极化分量的传输系数均小于-50db，驻波比在通带32ghz-40ghz范围内均小于2；(b)图中φ＝45°，出射波是右旋圆极化波。两个正交极化分量的传输系数均小于-65db，驻波比在通带32ghz-40ghz范围内均小于2。说明该结构具有交叉极化电平低、传输损耗低的优点。

如图4(a)和(b)所示曲线为单层结构出射波为左旋圆极化和右旋圆极化的轴比，3db轴比相对带宽均为10.6％。

所述结构在tm波入射功率1w的情况下,3db轴比通带内的最大场强为9.89kv/m,计算得到该结构的功率容量为92kw；在te波入射功率1w的情况下的最大场强为8.35kv/m，功率容量为129kw，表明该结构可以工作于大功率条件下。

实施案例2

本实施例以工作中心频率为35ghz双层极化转换器为例。该实施例中，各部分的尺寸为：hx＝6mm，hy＝5.37mm，dx＝7.3mm，dy＝11.74mm，r＝1mm，单层金属板厚度h＝8mm，两层金属板间距t＝2mm，入射角θ＝0°。

如图5所示为双层结构的交叉极化电平和驻波比，(a)图中φ＝-45°，出射波是左旋圆极化波。两个正交极化分量的传输系数均小于-55db，驻波比在通带31.8ghz-37.7ghz范围内均小于2；(b)图中φ＝45°，出射波是右旋圆极化波。两个正交极化分量的传输系数均小于-60db，驻波比在通带31.8ghz-37.2ghz范围内均小于2。说明该结构具有交叉极化电平低、传输损耗低的优点。

如图6所示，出射波为左旋圆极化和右旋圆极化的3db轴比相对带宽均为14.6％，说明双层结构比单层结构具有更宽的带宽。

双层结构在tm波入射功率1w的情况下,3db轴比通带内的最大场强为10.08kv/m，计算可知该结构的功率容量为88.6kw,在te波入射功率1w的情况下最大场强为9.76kv/m，功率容量为94.5kw，表明该结构可以工作于大功率条件下。