极化转换器

极化转换器

电波的极化特性

由天线辐射原理可知，自由空间电磁波通常以电场的取向作为电波极化方向。是随时间而变化的，如果的矢量端点随时间变化的轨迹是一直线，则称此电波为线极化波。若的大小不变而方向随时间而变，在观察点处与传播方向垂直的平面内，矢量端点的变化轨迹是一个圆，称为圆极化波。的大小和方向都随时间变化，矢量端点的轨迹为椭圆的波则叫椭圆极化波3种不同极化波。     （一）线极化     在三维空间，沿 Z 轴方向传播的电磁波，其瞬时电场可写为： = + （3-8）     若=ExmCOS(wt+θx),=EymCOS(wt+θy) ，且与的相位差为nπ(n=1,2,3,…) ，则合成矢量的模为: （3-9）     这是一个随时间变化而变化的量，合成矢量的相位θ为： （3-10）     合成矢量的相位为常数。可见合成 矢量的端点的轨迹为一条直线。     与传播方向构成的平面称为极化面，当极化面与地面平行时，为水平极化，如图3-17（a）；当极化面与地面垂直时，为垂直极化波，如图3-17（b）。    （二）圆极化     若与的幅度相等，相位差为(2n+1)π/2 时，则 : （3-11）     是常数，而相位随时间t而变化： （3-12）     故合成矢量端点的轨迹为一个圆。     根据电场旋转方向不同，圆极化可分为右旋和左旋两种。观察者沿波的传播方向看去，电场矢量在截面内顺时针方向旋转（满足右手定测）称右旋极化如图3-17（c），逆时针方向旋转（满足左手定测）称左旋转化如图3-17（d）。     因此，若超前 π/2 ，则为右旋极化波，若落后 π/2 ，则为左旋极化波。    （三）椭圆极化     若与的幅度和相位差均不满足上述条件时，合成矢量端点的轨迹为一个椭园。椭圆极化波的椭圆长短轴之比，称为轴比，当椭圆的轴比等于1，椭圆极化波即是圆极化波。当轴化为∞时，电波的极化为线极化。     根据电场旋转方向不同，椭圆极化和圆极化可分为右旋和左旋两种。观察者沿波的传播方向看去，电场矢量在截面内顺时针方向旋称右旋极化，逆时针方向旋转称左旋转化。     电波的极化特性是由发射天线决定的，反过来不同极化的电波则要求天线与之极化匹配，即线极化天线只能辐射或接收线极化波，并且，水平极化天线只能接收由水平极化天线辐射的水平极化波，不能接收由垂直极化天线辐射的垂直极化波，反之亦然。圆极化天线只能发射或接收圆极化波，并且，右旋圆极化天线只能接收右旋圆极化天线发射的右旋圆极化波，而不能接收左旋圆极化波，反之亦然。卫星电视广播有的用线极化波，有的用圆极化波。一般卫星电视接收天线都设计成能工作于接收线极化和圆极化波两种状态。 (a) 垂直极化         (b) 水平极化 (c) 右旋圆极化          (d) 左旋圆极化 (e) 右旋椭圆极化          (f) 左旋椭圆极化 图 3-17 波的某些极化状态     值得注意的是，若卫星电视广播的电磁波为右旋圆极化波，但右旋圆极化波经反射面一次反射则变为左旋圆极化，所以，进入前馈天线馈源的圆极化是左旋的。对于后馈天线而言，入射波经主、副反射面二次反射后，仍然为右旋圆极化波。

3.4.2 极化转换器原理与结构     由于天线馈源输出端通常要与带有矩形接口的室外接收单元联接，所以，反射面天线的馈源通常需要一段极化转换器和矩圆过渡波导，如图3-18所示。对于接收采用园极化波的卫星广播信号，装在接收天线馈源后的极化器先将圆极化波转换为线极化波，再通过矩圆过渡波导将圆波导中的波型变换为矩形波导中的波型，以便与其后的卫星接收高频头（LNB）接口配接。   图 3-18 极化转换器和矩圆过渡波导     由于圆极化波可以看成是由2个正交、等幅、相位差90°的线极化波分量合成的，所以，极化器的工作原理就是用一个分量移相器使其中一个线极化波改变相位，经一段传输路程后，二个分量的相位变成相同，其合成场变成了线极化波。反射面天线中常采用45°介质片分量移相器或销针分量移相器。它们的移相原理是相同的。 图 3-18 45°介质片分量移相器结构示意图 图 3-19 销钉分量移相器               图 3-20 极化波与移相器的关系     45°介质片分量移相器如图3-18所示。在圆波导内与矩形波导宽边45°角方向上安装一个介质片。假设进入馈源的来波是左旋圆极化波，则可将圆极化波分解为与介质片平行的分量及介质片垂直的分量。由于是左旋，所以超前90°。但在介质片上传输的速度比垂直于介质片的慢，的相位逐渐被延迟。选择合适的介质片长度l，使的相位恰好延迟90°，变成了与同相位，于是合成场变为与介质片成45°夹角的线极化波。由于矩形波导的极化方向与宽边垂直，所以该极化波能进入矩形波导进行传输。用作分量移相器的介质片，一般由微波损耗小的聚四氟乙烯板或聚四氟乙烯纤维板制作而成。片长一般通过实验才能最后确定，二头切成凹状是为了减少波的反射。     图3-19表示在圆波导内放置两排销钉，构成销钉分量移相器。对于行于销钉所在平面的电场来说，销钉呈容性，使其相速减小，而对垂直于销钉面的来说销钉呈感性，使其相速增加。控制销钉插入深度和销钉的个数，可以做到与同相，将圆极化波转换为线极化波。为了使销钉移相器与波导匹配，销钉的插入深度是渐变的，中间最深，两边最浅。用渐变宽度的月牙形金属片代替两排销钉，也能构成移相器，其基本原理与销钉移相器相同。由于销钉所在平面与介质所在平面一样，都是使与之平行的相位滞后。所以在完成同样的极化方式转换时，销钉平面在圆波导内的取向与介质片的取向是一致的。前馈和后馈天线     接收各种极化波时，极化器与波导宽边的安置方向如图3-20所示，这是从高频头的矩形波导口向馈源方向看去的。     圆形波导由于结构对称，对波的极化形式没有选择，而矩形波导只允许与其宽边垂直的电场通过，所以波导的宽边必须与电波极化的方向相垂直。 图 3-21 一种可调线极化馈源     一种可调线极化馈源，如图3-21所示。在接收线极化波时，只要调整线极化振子，使之平行于线极化波的极化方向即可。若将振子改为小螺旋，则该馈源接收圆极化波无需加极化器。此外，背射螺旋馈源也是不加极化器而接收圆极化波的。

3.4.3 圆矩过渡波导       波导型的馈源为了获得旋转对称的方向图，通常以圆波导激励。紧接在馈源后面的极化器也是由圆波导构成的。而大部分的高频头（LNB）的输入端是矩形波导，所以，在馈源的输出端口通常加有一个圆矩过渡波导段，以完成圆波导中的模电磁波到矩形波导中模电磁波的转换。在圆矩过渡波导段中要求引入的不连续性应尽量小，以达到减小馈源的驻波比，改善阻抗匹配的目的。     圆矩波导的过渡有多种形式。图3-22为圆矩渐变过渡波导，圆波导模经过一段渐变线逐渐过渡为矩形波导模。为了使电磁能量从圆波导全部传入矩形波导，要求矩形波导与圆波导的二模相位相等，据此得圆波导半径R=2α/3.41=0.6α，其中α是矩形波导宽边尺寸。与此类似的渐变过渡变换方式还有楔形圆矩过渡，如图3-23所示。 图 3-22 圆矩渐变过渡波导及其电场模式变换过程示意图     阶梯式矩圆过渡波导如图3-24所示。采用几节长度为λg/4 阶梯，使圆波导过渡到矩形波导，λg为其节变形波导段的波导波长。一般采用2节λg/4过渡段，每一台阶的高度由λg/4 过渡段的特性阻抗决定。 图 3-23 采用楔形圆矩过渡波道的馈源 图 3-24 阶梯式矩圆过渡波导