新型矩形波导极化转换装置设计与仿真

盖俊峰，张炜麟，赵贝贝，常 阳，张丹阳

（91206 部队，山东 青岛 266108）

电磁波极化现象对于无线电通信具有重要意义，可直接影响无线通信的传输效率、安装成本、安装灵活性和保密性等[1]，因此一直以来都被相关学者高度关注[2-3]。

矩形微波波导是线极化电磁波信号的理想传输线，通常简称为矩形波导，为定义好尺寸的矩形空腔管。矩形波导端面由2 条长边和2 条短边构成，当短边垂直于水平面时称为H面传输，当长边垂直于水平面时称为E面传输。在矩形波导传输线系统中，经常会遇到H面传输和E面传输需要连接的情况。由于H面和E面传输的线极化波极化方向垂直，具有电磁信号隔离特性，即极化隔离特性，因此不能彼此垂直地直接连接，必须通过特殊微波器件即极化转换装置进行连接，才能保证电磁信号低衰减传输。文献[4]至[12]分别对极化转换器件进行了研究。传统的微波矩形波导极化转换装置通常为阶梯式扭转或波导管直接扭转等结构，存在结构形式复杂、加工过程繁琐、品控难度大和体积较大等缺点。

本文针对上述缺点，设计了一种新型的极化转换装置结构，在保证电磁信号低衰减传输的同时，具有结构简单、加工和品控难度小、体积较小的优点。通过电磁仿真软件HFSS 给出了极化转换装置的3D 电磁仿真模型，并通过与传统极化转换器结构驻波系数仿真对比，验证了本文设计的先进性。

1 矩形波导中电磁波的极化转换

1.1 线极化电磁波

电磁波的极化是指电场矢量E保持在某一个固定方向振动或按某一规律旋转振动的现象。平面电磁波是横波，其E矢量可以在垂直于传播方向（波矢k的方向）的任意方向振动。如果在垂直于传播方向的平面内，E的振动限于某一固定方向，称为线极化。电场E的振动方向，称为极化方向。极化方向与传播方向所构成的平面，称为极化面。共有3 种极化波类型，分别是线极化波、圆极化波和椭圆极化波。由于矩形波导只能传导线极化波，因此圆极化和椭圆极化不在本文研究之列。

电磁波E沿z轴方向传播一般可分解为在x轴方向和y轴方向的Ex和Ey

在x方向和y方向的Ex和Ey的振幅、相位之间的关系可以得到合成电磁波极化状态，为便于分析，取当z=0 的给定点来分析，这时式（1）和（2）可写为

电磁波E在x方向和y方向的分量的相位差为0或者±π，ΔΦ=Φx-Φy=0 或±π 的时候为线极化波，下面来讨论这2 种情况。

当ΔΦ=0 时，所合成的E大小可以为

合场波电场强度E的方向与x轴的夹角可表示为

a若大于0，说明其夹角在第一或第三象限，即所合成波电场强度E的数值大小随时间t在改变但其轨迹与x轴夹角始终保持不变，所以为直线极化波。

当ΔΦ=π 时，设Φx初相位为0，所合成E的大小

合场波电场强度E的方向与x轴的夹角可表示为

b若小于0，说明其夹角在第二或第四象限，合成波电场强度E的数值大小随时间t在改变但其轨迹与x轴夹角始终保持不变，所以也为直线极化波。

由以上分析可知，线极化波是当电磁波E在x轴方向和y轴方向分量的相位差为0 或±π 时，E的矢径沿直线变化的轨迹不变。在工程应用上，常常把线极化波分为水平极化波和垂直极化波。垂直极化波为合成波电场的矢量仅在垂直方向或者y方向上发生变化。水平极化波为合成波电场的矢量仅在水平方向或者x方向上发生变化。另外，还有交叉极化与共面极化的情况，与本文相关性不大，故在此不做分析。

1.2 线极化波的极化转换

在矩形波导H面传输和E面传输连接时，为克服电磁波极化隔离特性，必须通过极化转换装置进行连接，才能保证电磁信号低衰减传输。极化转换装置性能的优劣通常由驻波比表征。驻波比是指驻波波腹电压与波谷电压幅度之比，又称为驻波系数。驻波比等于1 时，表示传输线与极化转换装置阻抗完全匹配，此时高频能量无衰减传输，没有电磁波能量的反射损耗；驻波比为无穷大时，表示全反射，电磁波能量未能正常传输。

驻波比可表示为

式中：VSWR表示驻波比；Umax表示波腹电压；Umin表示波谷电压。

在电磁波极化转换过程中，通过计算传输线的驻波比便可判断极化转换装置的性能优劣。驻波比越接近1 时，表示其性能越优良。

2 极化转换装置设计

基于上述线极化电磁波理论分析，针对现有微波极化转换技术的改进需求，本文提出一种微波极化转换装置，用HFSS 软件完成建模。该极化转换装置采用蝴蝶结形状结构，设置在H面波导腔体与E面波导腔体之间，该蝴蝶结结构的微波极化转换装置在波导传输垂直方向上旋转一定角度，当H面电磁信号进入该结构时，电磁信号被结构扭转传输，旋转90°后从E面传输线传出。H面波导腔体与E面波导腔体相互垂直，极化转换装置分别与H面波导腔体以及E面波导腔体之间形成夹角，极化转换器为蝴蝶结形腔体，分别与H面波导腔体以及E面波导腔体之间形成的夹角为30～60°。

图1 为本文设计的极化转换装置的内腔结构3D电磁仿真计算模型。

图1 极化转换装置内腔结构3D 电磁仿真计算模型

3 仿真分析

本文选取一种传统结构的微波极化转换装置作为仿真对比，由HFSS 软件完成建模。图2 为传统极化转换装置的内腔结构3D 电磁仿真计算模型。

图2 传统极化转换装置内腔结构3D 电磁仿真计算模型

基于图2 的内腔结构3D 电磁仿真计算模型，用HFSS 可以分别仿真出在理想导体边界条件下，采用相同波端口激励时的腔体内部电场分布，如图3 所示。

图3 本文极化转换装置内腔电场分布

由仿真结果可以看出，2 种结构的极化转换装置均保持了电磁波信号的波形状态，未发生明显的电磁能量衰减。相比之下，本文设计的极化转换装置结构更为巧妙，使电磁波经一步扭转便实现了极化方向的转换。

驻波系数可以直观反映微波器件为传输线系统引入的插入损耗，从而对极化转换装置性能进行量化。通过HFSS 仿真，可以得到2 种内腔结构的驻波系数曲线，分别如图4、图5 所示。

图4 传统极化转换装置驻波系数曲线

图5 本文极化转换装置驻波系数曲线

图4 为现有技术极化转换装置驻波系数曲线，图5 为本文极化转换装置驻波系数曲线。由仿真结果可知，现有技术中主要使用频率段的驻波小于1.15，本文的微波极化转换装置主要使用频率段的驻波小于1.03，远远优于传统结构的电气性能指标。本文装置的蝴蝶结形结构可实现电磁信号的一步扭转，可以在驻波段形成传输零点，从而达到展宽使用带宽和超低驻波性能的目的。

综上可知，本文设计的矩形波导极化转换装置与现有技术相比，具有以下优点。

H面波导腔体、极化转换装置以及E面波导腔体之间的螺钉数量减少，不仅使安装和拆卸方便，还减少了极化转换器件的磨损，可延长其使用寿命。

能够满足相应的技术指标要求，具有驻波比小、插入损耗小等优良性能。

只需要设置1 个极化转换单元，在能够实现波导传输极化转换功能的同时，具有结构简单、加工和品控难度小、体积较小的优点。

4 结论

本文分析了矩形波导中线极化电磁波的极化转换过程，提出了一种矩形波导极化转换装置的设计方法，通过与现有技术极化转换装置性能指标进行仿真对比，验证了本文所设计矩形波导极化转换装置的先进性。