阮云國(guó)，杜 彪，孟則宇

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四所，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著衛(wèi)星通信和5G移動(dòng)通信的快速發(fā)展，Ka/EHF雙頻共用天線逐步成為近年多頻共用天線領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，該種天線可以為衛(wèi)通通信系統(tǒng)提供更寬的頻帶，更高的傳輸速率，用以支撐無(wú)人機(jī)、艦船等各種移動(dòng)載體通過(guò)衛(wèi)通鏈路高效的傳輸信息[1]。因此進(jìn)行相關(guān)研究，對(duì)我國(guó)的下一代衛(wèi)星通信發(fā)展，具有重要意義。

Ka/EHF天線一般是雙圓極化工作，需要在饋源網(wǎng)絡(luò)中配置圓極化器。圓極化器有多種形式，常用的有波紋波導(dǎo)圓極化器[2]、四脊圓極化器[3]、介質(zhì)片圓極化器[4]、螺釘圓極化器[5]等，由于天線最高工作頻段為43.5～45.5 GHz，介質(zhì)片極化器會(huì)有較大損耗，螺釘極化器性能無(wú)法保證，四脊和方波導(dǎo)極化器工藝實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，因此需尋求一種更適合的圓極化器。考慮到天線只需要左、右旋圓極化輸出，且相對(duì)帶寬只有4.5%，因此結(jié)構(gòu)緊湊的隔板圓極化器是比較好的選擇。

隔板圓極化器是射電天文和衛(wèi)星通信天線中常用的微波器件，特點(diǎn)是將正交模耦合器(OMT)和圓極化器的功能合二為一，既可以實(shí)現(xiàn)線極化波和圓極化波的轉(zhuǎn)換，又可以進(jìn)行線極化的正交分離，具有低損耗、低交叉極化的優(yōu)點(diǎn)。隔板圓極化器的原型設(shè)計(jì)最早由M.H.Chen提出[6]，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，其原理設(shè)計(jì)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)[7-8]，類似的研究大多針對(duì)Ku頻段以下的應(yīng)用，而對(duì)于毫米波波段的研究則相對(duì)較少，且以往的研究側(cè)重于器件的電性能改善，很少對(duì)其工藝實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。

1 工作原理

隔板圓極化器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a)三維結(jié)構(gòu)

(b)尺寸參數(shù)

隔板圓極化器是3端口器件，輸出端口為方波導(dǎo)或圓波導(dǎo)、輸入端口為2個(gè)矩形波導(dǎo)。當(dāng)2個(gè)矩形波導(dǎo)連接到一個(gè)具有階梯脊的方波導(dǎo)上時(shí)，方波導(dǎo)中2個(gè)正交的TE01和TE10模就會(huì)有不同的傳播常數(shù)，對(duì)于TE10模在隔板區(qū)域其傳輸常數(shù)幾乎不變，而對(duì)于TE01模，其傳輸常數(shù)受隔板結(jié)構(gòu)尺寸的影響，調(diào)整階梯脊的高度、長(zhǎng)度和厚度參數(shù)，使2個(gè)正交模式通過(guò)階梯脊后的相位差正好為π/2時(shí)，矩形波導(dǎo)輸入的線極化波就會(huì)在方波導(dǎo)內(nèi)轉(zhuǎn)化成圓極化波，繼而使其具有極化轉(zhuǎn)換功能[9]。

2 設(shè)計(jì)與優(yōu)化

隔板圓極化器的隔板階梯數(shù)一般為3～5階，隨著階數(shù)的增加，工作帶寬可以相應(yīng)的提高，但是大于六階之后，帶寬增加量將會(huì)非常小，因此相對(duì)帶寬在10%以內(nèi)時(shí)，隔板階數(shù)一般選擇四階。四階隔板圓極化器的初始參數(shù)已由文獻(xiàn)[10-13]給出，其中方波導(dǎo)口徑與隔板階梯的尺寸都是和波長(zhǎng)有關(guān)的參數(shù)。具體參數(shù)如下：方波導(dǎo)口徑尺寸：a=0.605λ，極化片厚度δ=0.03λ；隔板階梯參數(shù)：L1= 0.315λ，S1=0.053λ，S2=0.132λ，L2= 0.245λ，L3= 0.252λ，L4= 0.258λ，S4=0.322λ，L5=0.091λ，S5=0.487λ。

按文獻(xiàn)給定參數(shù)設(shè)計(jì)的隔板圓極化器只是一個(gè)初始模型，由于未考慮方波導(dǎo)到脊波導(dǎo)階梯的轉(zhuǎn)換，脊波導(dǎo)到矩波導(dǎo)分支的轉(zhuǎn)換，電氣性能指標(biāo)一般不能滿足工程應(yīng)用要求，須進(jìn)一步優(yōu)化，以期達(dá)到更小駐波反射系數(shù)，更大的端口隔離，更接近90°的相位差。具體實(shí)施中，可以借助商業(yè)電磁仿真軟件CST或HFSS進(jìn)行優(yōu)化[14-15]，其中優(yōu)化目標(biāo)為端口駐波、端口隔離、90°相位差；優(yōu)化對(duì)象是影響使用帶寬的方波導(dǎo)口徑、影響相位差的隔片階梯的齒高和齒長(zhǎng)。根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化對(duì)象在軟件HFSS中建立仿真模型如圖2所示。經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化，計(jì)算結(jié)果如圖4，圖5和圖6所示。這時(shí)對(duì)應(yīng)的隔板圓極化器參數(shù)如下：a=4.326 mm，δ=0.3 mm，L1= 2.254 mm，S1=0.375 mm，L2= 1.751 mm，S2=0.949 mm，L3= 1.798 mm，S3=1.628 mm，L4= 1.846 mm，S4=2.301 mm，L5= 0.651 mm，S5=3.475 mm。

圖2 隔板圓極化器仿真模型

從計(jì)算結(jié)果可以看出，全頻段內(nèi)回波損耗小于-25 dB，端口隔離小于-24 dB，相位差只有90°±3°。從優(yōu)化后的參數(shù)上看，隔板極化器的方波導(dǎo)口徑、隔片階梯尺寸都有所變化，說(shuō)明優(yōu)化后的結(jié)果更能滿足電氣指標(biāo)要求。

3 參數(shù)容差分析

當(dāng)極化器工作于毫米波波段時(shí)，器件某些參數(shù)的細(xì)微變化就可能嚴(yán)重惡化電氣指標(biāo)，造成器件性能不滿足設(shè)計(jì)要求[16-17]。為避免此類情況發(fā)生，一般要對(duì)器件結(jié)構(gòu)參數(shù)做容差分析，即敏感參數(shù)分析。具體做法是：刻意給予器件結(jié)構(gòu)參數(shù)一些偏離，通過(guò)分析這些參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響量，來(lái)確定參數(shù)是否為敏感參數(shù)。在對(duì)EHF頻段隔板極化器多個(gè)參數(shù)分析后，發(fā)現(xiàn)隔片在方波導(dǎo)中的位置不同于其他參數(shù)，該參數(shù)的分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 參數(shù)敏感度分析結(jié)果

從隔板圓極化器傳輸參數(shù)S31的計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)隔板偏離中心一個(gè)很小尺寸時(shí)，信號(hào)傳輸就會(huì)有很大的變化，證明該參數(shù)具有一定的敏感性。需要在實(shí)際加工制造過(guò)程中給予足夠的重視，必要時(shí)應(yīng)采取一定的工藝措施予以避免。

4 加工與制造

隨著微波器件應(yīng)用頻段越來(lái)越高，微波器件的工藝制造方法也越發(fā)受到關(guān)注。隔板圓極化器的方波導(dǎo)尺寸為4.326 mm，能容許的尺寸公差小于0.005 mm，雖然單個(gè)零件的機(jī)械加工精度還可以實(shí)現(xiàn)，但裝配后的精度卻是較難達(dá)到。對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)裝配中存在2個(gè)問(wèn)題，一是裝配后如何保證所有的貼合面完全接觸，二是隔片較薄，裝配后如何保證其不變形，且能置于中心位置，鑒于上述2個(gè)難點(diǎn)本文提出了2種工藝解決方案，分別是精密電鑄和真空爐釬焊。

精密電鑄是利用電沉積方法，在作為陰極的原型上進(jìn)行加厚電鍍，從而復(fù)制出與原型一樣的制品[18-19]。隔板圓極化器的電鑄，首先將器件內(nèi)腔原型加工出來(lái)，此過(guò)程要保證內(nèi)芯的光潔度和尺寸精度，然后將其放入電鍍池中，通過(guò)控制電流的強(qiáng)弱，使內(nèi)芯的周圍生長(zhǎng)出金屬銅，當(dāng)殼體達(dá)到一定的厚度，用溶液祛除內(nèi)芯。使用該方法加工的器件實(shí)物如圖4(左)所示。

真空爐釬焊是目前復(fù)雜微波器件常采用的工藝方法，先將需要焊接的零件用高精度銑床加工好，然后把涂抹好專用焊料的零件放入真空爐中進(jìn)行焊接[20 ]。對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，并不需要掌握具體的焊接操作，但要對(duì)焊接件進(jìn)行零件拆分。根據(jù)隔板圓極化器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有2種拆分方法可選：一是將器件拆分為腔體、隔片、腔體蓋板3個(gè)零件；另一種是將其拆分為帶有隔片的腔體和腔體蓋板2個(gè)零件.對(duì)于前者，由于3個(gè)零件是分離的，較難保證焊接后隔片能準(zhǔn)確處于中心位置；對(duì)于后者，隔片和腔體是一體加工，雖然增加了機(jī)加工的難度，但可以保證隔片的位置，權(quán)衡之后本文選擇后一種加工方案。采取真空爐釬焊方式的加工實(shí)物如圖4(右)所示。

圖4 電鑄與焊接加工隔板極化器實(shí)物

5 測(cè)試與分析

EHF頻段圓極化器加工裝配完成后，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與BJ400的定向耦合器組成的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了電性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 隔板極化器相位差結(jié)果對(duì)比

圖6 隔板極化器回波損耗結(jié)果對(duì)比

圖7 隔板極化器端口隔離度結(jié)果對(duì)比

從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，回波損耗小于-21.8 dB，端口相位差為90°±3°，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果基本吻合，端口隔離-22 dB，與仿真結(jié)果有一定的偏差，在機(jī)加工和焊接的過(guò)程中形位公差沒有控制好。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了一種EHF頻段毫米波隔板圓極化器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝制造過(guò)程，其中計(jì)算機(jī)輔助分析方法發(fā)揮了重大作用，它不僅提前預(yù)估了器件性能，而且又對(duì)器件的敏感參數(shù)進(jìn)行了分析。采用2種工藝方案對(duì)優(yōu)化后的隔板圓極化器進(jìn)行加工，測(cè)試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果基本吻合。驗(yàn)證了本文針對(duì)隔板圓極化器的設(shè)計(jì)方法與加工工藝方法的正確性與有效性。