一種Ka波段大功率線?圓極化轉換器的制作方法
本發明屬于大功率毫米波技術領域，具體涉及一種ka波段電磁波線-圓極化轉換器。
背景技術：
空間傳播的電磁波按照極化方式分為線極化波、橢圓極化波和圓極化波。相比其他極化形式的波，圓極化波具有旋向正交性，可以抑制雨霧干擾和抗多徑效應。在航天通信及遙測遙感設備中采用圓極化波進行傳輸，除可減小信號漏失之外，還能消除因電離層法拉第旋轉效應導致的極化畸變的影響。因此，圓極化波在通信、雷達、遙測遙感、天文等方面具有廣泛的應用。
近年來，隨著大功率毫米波技術的發展，以回旋行波管為代表的大功率毫米波源得到了迅速發展。回旋行波管具有工作頻帶寬、輸出峰值功率高、增益高等特點，是大功率毫米波雷達、電子對抗、遠距離通訊等大功率毫米波系統的理想大功率源。為了有效地將回旋行波管輸出的功率傳輸至天線，并在此過程中完成模式轉換、極化狀態調控等，必須搭建大功率傳輸鏈路。極化轉換器能改變電磁波的極化特性，實現線極化波與圓極化波的相互轉換，是大功率傳輸鏈路的重要組成器件。
極化轉換器的設計指標主要為寬頻帶、高極化純度、、低損耗、低成本、結構簡單等。目前，空間極化轉換器的實現方式有反射式和透過式兩類。反射式極化轉換器是通過周期性分布的光柵槽結構改變電磁波極化特征。由于采用鏡面反射的方式，反射式極化轉換器散熱方便。但是反射式的結構會增加傳播路徑，從而導致某些情況下微波系統體積增大，應用起來具有一定的局限性。透過式極化轉換器通過采用絲狀或條狀的結構，在電磁波向前傳播過程中改變其極化特征。透過式極化轉換器這種不改變電磁波傳輸方向的特點，不會增加傳播系統的光路，在實際應用中受到青睞。駱明偉等人發明了一種三層折線柵圓極化器(專利申請號：201020519767.2,作者：駱明偉,湯慰,吳德晏,馬黎,程志偉等人)。發明的三層折線柵圓極化器由三層折線柵和夾在折線柵的蜂窩狀支撐層組成。對垂直于折線柵軸線的分量
為了解決電調極化轉換器結構復雜、成本高的問題，李龍等人設計了基于多層頻率選擇表面的極化轉換器(專利申請號：201510036446.4)。該極化轉換器由帶有周期單元結構的四層不同的介質基板自上而下層疊而成。該結構通過調節極化轉化器和與入射線極化波極化方向的夾角，可實現出射波的線極化、左旋圓極化以及右旋圓極化特性的選擇和轉換，但是由于其包括多層介質板，該設計存在結構負載、傳輸損耗大的不足。
技術實現要素：
針對背景技術中極化轉換器系統結構復雜，傳輸損耗大等的不足，本發明提出了一種透射式ka波段大功率線-圓極化轉換器，具有傳輸損耗小、交叉極化電平低，工作帶寬寬、結構簡單、加工方便等優點。
本發明是通過以下技術方案實現的：
一種透射式的ka頻段大功率線-圓極化轉換器，包括支撐結構、固定圓環、安裝擋環和金屬圓板。
所述支撐結構用于支撐固定圓環和安裝擋環。
所述金屬圓板放置于固定圓環和安裝擋環構成的卡槽中，且可圍繞中心自由轉動。
所述固定圓環表面設置有刻度線，刻度線范圍為≥±45°，用于表征入射電磁波與極化轉換器的夾角。
所述金屬圓板帶有指針，指針初始位置指向0°且指針方向垂直于矩形單元孔長邊，該指針用于指示金屬圓板旋轉的度數。
所述固定圓環內均勻分布有4～16個金屬螺釘，使得金屬圓板與固定圓環的圓心對齊，保證金屬圓板能夠自由旋轉且中心保持不變。所述安裝擋環上均勻設置有4～8個螺紋定位孔，當金屬圓板旋轉一定角度后，定位孔中插入螺釘可對金屬圓板當前位置進行固定。
所述金屬圓板上設置有周期性分布的n×m個矩形單元孔。相鄰的兩行矩形單元孔交錯分布，不同兩行或兩列之間的相鄰三單元呈等腰三角形排布。
所述矩形單元孔四個轉角為四分之一圓弧段，其中圓弧段對應的圓形半徑均為r，且r＝0.5mm～1.2mm。半徑過小影響結構的功率容量且使得加工難度增大，半徑過大則影響結構的傳輸性能。
所述矩形單元孔的間距條件：
其中λ0為中心工作頻率點的波長，d＝max(dx,dy)，不同兩列相鄰單元的中心間距為dx，不同兩行相鄰單元的中心間距為dy。本發明是在入射角θ＝0°的基礎上進行的設計，即：
所述金屬圓板為單獨一層或多層級聯。級聯使用時，各層單元中心以及單元孔對齊。多層級聯結構中金屬圓板之間的間距為t＝1.5mm～2.5mm，間距過小導致柵瓣提前出現，間距過大增加傳輸損耗。
所述不同金屬圓板之間通過均勻分布的四個墊片控制間距。
所述極化轉換器可由銅或者鋁制成。
所述極化轉化器的工作原理：考慮一個入射線極化平面波
其中k//、k⊥分別代表入射波平行和垂直極化分量的傳播常數，h為電磁波傳播距離(這里，h為單元厚度)。所以，通過優化單元結構的橫縱尺寸以及厚度，就可以調整電磁波在不同方向上的傳播常數，從而實現出射波兩正交極化分量的相位差達到90°。根據圓極化波可以等效成幅值相等、相位差為90度的一對正交極化波的事實，故提出的結構可以實現線極化波-圓極化波的轉換。在應用中，若入射電磁波與金屬圓板指針的夾角為45°時，出射波為右旋圓極化波，若夾角為-45°，出射波則為左旋圓極化波。
綜上所述，本發明具有以下優點:
一、本發明通過金屬圓板上周期排列的的矩形孔結構實現極化轉換，該結構具有設計原理簡單，加工方便、工作頻帶寬、交叉極化電平低等優點。
二、本發明的矩形孔呈等腰三角形排列，使得單元間的相對間隔變小，能夠有效降低柵瓣的影響。
三、本發明的單元孔相鄰邊均采用四分之一圓弧段連接，可以降低棱角處的局部場強，提高器件的功率容量，滿足大功率工作要求。
四、本發明可通過調節金屬圓板與入射線極化波極化方向的夾角，實現出射波左旋圓極化和右旋圓極化的選擇和轉換。
五、本發明所采用的結構傳輸損耗低，且具有良好的散熱性。
附圖說明
圖1本發明線-圓極化轉換器(a)正面和(b)背面的結構圖。
圖2本發明的三維結構示意圖。
圖3單層結構(a)左旋圓極化和(b)右旋圓極化兩極化正交分量的交叉極化電平和駐波比。
圖4單層結構的軸比系數。
圖5雙層結構(a)左旋圓極化和(b)右旋圓極化兩極化正交分量的交叉極化電平和駐波比。
圖6雙層結構的軸比系數。
其中1表示底座，2表示支架，3表示固定圓環，4表示安裝擋環，5金屬圓板。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：
如圖1所示，一種ka波段大功率線-圓極化轉換器包括底座1、支架2、固定圓環3、安裝擋環4、金屬圓板5。如圖2所示，金屬圓板的厚度為h，矩形單元孔的橫縱尺寸分別為hx、hy，矩形單元孔轉角處的圓弧段半徑為r,入射角θ為入射波與z軸之間的夾角。
考慮一束沿著-z軸方向垂直入射的線極化平面波
實施案例1
本實施例以工作中心頻率為35ghz的單層極化轉換器為例。各部分的尺寸為：hx＝6.3mm，hy＝5.45mm，dx＝7.8mm，dy＝11.9mm，r＝1mm，h＝15mm，入射角θ＝0°。
如圖3所示為單層結構的交叉極化電平和駐波比，其中tyx表示x軸極化的線極化波到y軸極化的傳輸系數，txy表示y軸極化的線極化波到x軸極化的傳輸系數。(a)圖中φ＝-45°，出射波是左旋圓極化波。兩個正交極化分量的傳輸系數均小于-50db，駐波比在通帶32ghz-40ghz范圍內均小于2；(b)圖中φ＝45°，出射波是右旋圓極化波。兩個正交極化分量的傳輸系數均小于-65db，駐波比在通帶32ghz-40ghz范圍內均小于2。說明該結構具有交叉極化電平低、傳輸損耗低的優點。
如圖4(a)和(b)所示曲線為單層結構出射波為左旋圓極化和右旋圓極化的軸比，3db軸比相對帶寬均為10.6％。
所述結構在tm波入射功率1w的情況下,3db軸比通帶內的最大場強為9.89kv/m,計算得到該結構的功率容量為92kw；在te波入射功率1w的情況下的最大場強為8.35kv/m，功率容量為129kw，表明該結構可以工作于大功率條件下。
實施案例2
本實施例以工作中心頻率為35ghz雙層極化轉換器為例。該實施例中，各部分的尺寸為：hx＝6mm，hy＝5.37mm，dx＝7.3mm，dy＝11.74mm，r＝1mm，單層金屬板厚度h＝8mm，兩層金屬板間距t＝2mm，入射角θ＝0°。
如圖5所示為雙層結構的交叉極化電平和駐波比，(a)圖中φ＝-45°，出射波是左旋圓極化波。兩個正交極化分量的傳輸系數均小于-55db，駐波比在通帶31.8ghz-37.7ghz范圍內均小于2；(b)圖中φ＝45°，出射波是右旋圓極化波。兩個正交極化分量的傳輸系數均小于-60db，駐波比在通帶31.8ghz-37.2ghz范圍內均小于2。說明該結構具有交叉極化電平低、傳輸損耗低的優點。
如圖6所示，出射波為左旋圓極化和右旋圓極化的3db軸比相對帶寬均為14.6％，說明雙層結構比單層結構具有更寬的帶寬。
雙層結構在tm波入射功率1w的情況下,3db軸比通帶內的最大場強為10.08kv/m，計算可知該結構的功率容量為88.6kw,在te波入射功率1w的情況下最大場強為9.76kv/m，功率容量為94.5kw，表明該結構可以工作于大功率條件下。
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