宽带极化罩的作用及设计介绍

由于电子战设备的特殊性，通常要求把天线的极化设为斜45°线极化或圆极化，既可截获雷达的水平极化波，又可截获雷达的垂直极化，使得系统有更高的概率响应空间的电磁信号。为了解决宽频带宽角范围的极化问题及两个主平面波束宽度不一样的极化响应，采用线极化的天线或天线阵照射，在它的口径附近借助于宽带极化罩将线极化扭转成斜45°或圆极化，使得在水平和垂直极化情况下，方位面或俯仰面两种极化响应的波束宽度接近或相同。

1.宽带圆极化罩

在天线的内部引入90°相移，固然能把线极化天线变成圆极化天线，但它的首要条件是口径必须是正方形或者圆形，如圆极化的喇叭天线、圆极化的螺旋天线、正交圆极化对数周期天线等。而圆极化天线罩有着更大的角范围，它一般由五层或更多层曲折线，按不同的设计参数配置，曲折线的取向与入射波极化呈45°倾角。于是由于曲折线的作用，若入射波为平行于x 轴方向的线极化，曲折线栅等效为电感；若入射波为平行于y 轴方向的线极化，折线栅等效为电容。当平面波沿着z 轴方向垂直入射到折线栅网上时，可将平面波分解为平行于x 轴和y 轴的两个极化分量。两个分量在进入极化器前是等幅同相的，通过极化器后，由于分别受栅网等效电感和等效电容的影响，产生相应超前和滞后，形成90°相位差，而幅度近似不变，这样便实现了这一转换。当波离开圆极化罩时，这两个分量再度合成为圆极化波向前传输。宽带曲折线圆极化器由几层印刷线路板组成，每层的折线分布如图8.57 所示 （图中只画了两条折线），由覆铜介质板刻蚀形成。层与层间填充低损耗的泡沫塑料，间距为d，介质介电常数为ε2，W1、W2、a 为折线尺寸。根据介质层上折线栅的边界条件，利用三角函数作为基函数，对曲折线栅电流分布的积分方程进行求解，从而推导出折线栅等效电纳的严格表达式为

图8.57　曲折线栅的结构示意图

式中　B∥、B⊥——水平和垂直极化的等效电纳；

　　　a1、a2——与曲折线栅结构尺寸有关的参量。

为了拓展频带，采用多层曲折栅圆极化器，它的等效网络为许多基本网络级联形式。一般情况下，金属栅网等效成并联电纳，板与板间的夹层等效成传输线。图8.58 （a）所示为一结构对称的四层板曲折线圆极化器的侧视图。其中板1、4 和板2、3 的结构尺寸分别相同，板间的介质层厚度依次为l1、l2、l3。图8.58 （b）所示为其等效网络。根据基本网络的传输矩阵T，可计算出等效网络的矩阵为

图8.58　四层板曲折线圆极化器及等效网络

（a）极化器侧视图；（b）等效网络

等效网络的散射矩阵为

设水平和垂直极化的S 参数分别为S∥、S⊥，则圆极化条件为

匹配条件为

式中　δ——驻波系数的允许值。

在满足上述条件情况下，可利用各频率点上的S 参数计算圆极化轴比为

式中

轴比的分贝表示为

要从上面公式中计算出轴比，必须求得曲折栅线的导纳，需要反复计算各频率点上的等效电纳，也可以采用文献中一些现成方法对B∥（f）、B⊥（f）曲线进行分段插值和外推的方法计算，并且能在超宽带设计中只处理中心频率处的B∥（f）、B⊥（f），使设计的过程得以简化。对四层板圆极化器分别在8～12 GHz、2～18 GHz 频率范围内进行了模拟设计，相应的曲折线栅结构尺寸列于表8.11 和表8.12 中。

表8.11　8～12 GHz 四层圆极化器尺寸mm

表8.12　2～18 GHz 四层圆极化器尺寸mm

由表中的尺寸计算出的轴比在8～12 GHz 频率范围内R ＜0.2 dB，在2～18 GHz 频率范围内R ＜1 dB。实际中，由于照射天线为非理想的平面波，加之极化罩的匹配、加工、安装等诸多因素，研究出现的四层圆极化罩在8～18 GHz 频率范围内R ＜3 dB。当然，也可以在曲折栅线的形状上进行变形，在矩形线拐弯处设计为平滑过渡，并且层之间进行有效的间距控制和引入相应的非接近1 的支撑介质材料，以提高其可靠性。

2.宽带斜极化天线罩

另一种应用比较多的宽带极化罩是宽带斜极化器，对于它所具有的宽带特性较完整，可利用多点切比雪夫反射来分析过中心频率斜极化器的驻波。然而更为完整的理论分析确实是设计者所期望的。斜极化器是由多层金属栅（n +1）个金属栅与n 层空气介质构成的，如图8.59所示。其中第0 层金属栅与入射波电场方向垂直，第一层金属栅与入射电磁波成偏转角θ1关系，第二层为 （θ1+ θ2），……，第n 层与入射电磁波成45°偏转关系。

要分析极化器，必须先分析电磁波在单个金属栅的传播问题。当入射电磁波电场方向与理想金属栅垂直时，电磁波将全透射，反射为0。当电场方向与理想金属栅平行时，电磁波将被全反射，透射为0。对任一线极化的电磁波，其电场也可分解为垂直与平行分量，同时发生透射与反射。在两种介质中传播的电磁波在其界面上必须满足其边界条件，即电场与磁场的切向分量必须要连续，因此，任一线极化电磁波垂直入射到单个金属栅上时，其透射场与反射场为

图8.59　斜45°极化器示意图

根据矩阵S 参数的定义，单层金属栅的矩阵为

如果简单地将斜45°极化器等效为 （n +1）个矩阵SM与n 层空气介质矩阵S 参数通过A 或矩阵T 级联来求解显然是错误的，因为每一个金属栅层与空气层均参与了电场与磁场的反射作用。实际上，若去掉第0 层金属栅 （θ=0°），极化罩驻波将变得很坏。通过认真分析，利用多次矢量叠加是可以求出要找的S 矩阵的。为分析方便起见，将不同介质的界面上电磁波传播时同时发生的反射与透射现象等效为这样一个过程：电磁波在界面上先反射后透射，因此，整个斜极化器就可等效为如图8.60 所表达的结构。

图8.60　斜45°极化器的等效结构

因此，整个斜45°极化罩就可等效为n个二端口网络进行分析，图8.61 所示为等效二端口网络级联而成的斜极化器等效电路。

图8.61　斜45°极化器二端口网络等效电路

对于第n 层极化器，其垂直入射电磁波电场矢量是与 （M-1）y金属栅垂直的。这是因为平行分量已被（M-1）y栅反射，该入射将在M 层极化器发生多次反射透射如图8.62 所示。表8.13 是根据式（8.176）及图8.59，通过几何投影关系所得。(www.xing528.com)

图8.62　电磁波i 在第M 层极化器中多次反射、透射示意图

表8.13　入射电场E0与各反射、透射的电场关系 （k=2π/λ）

由此可求出（M-1）y栅层总的反射电场为

这是一个等比级数，取极限后，得

根据参数S 第M 层的极化器，则求出

对Mx栅层，总的透射场为

同样可以求出

这是一个无损耗连接的二端口网络，即S11=S22，S21=S12，因此，第M 层极化器的矩阵S 为

由于矩阵S 不能进行级联运算，还需将它转换为矩阵T，即

由此求出了第M 层极化器的等效矩阵Tm。

根据矩阵T 有级联特性，得到了整个极化器的等效矩阵为

再将等效矩阵T 转换为矩阵S，就求出了斜45°极化罩的等效参数S。根据参数S 的物理意义、斜极化罩的驻波特性与传输损耗特性，得

通过实际计算，获得了不同情况下斜极化器驻波与传输损耗，并与实际的四层斜极化罩测试结果进行了对比（图8.63）。结果表明，计算值与试验值比较吻合。理论驻波为VSWR ＜1.16，而实际结果为加罩天线驻波最坏10.36 dB。理论插损0.035 dB，实际结果最大0.4 dB。主要原因是金属栅介质板及泡沫（或蜂窝）均是低损耗材料，用上述公式计算了n=9 与n=18 两种情况的极化罩电特性，从而表明适当选择极化器层数及栅网尺寸，斜极化器将具有大于10 ∶1 的带宽。通过对斜极化器的理论分析与计算，并与实际结果比较，可以推断：当满足密栅条件时，使用低损耗介质基片、低损耗介电常数接近空气的介质填充材料，适当选择层数与偏转角，就可以得到性能良好的宽带斜极化器，并可以使设计更加灵活，可以将极化扭转到任何指定的角度。

图8.63　四层斜极化罩的驻波和透波曲线

（a）驻波；（b）透波

上面介绍的宽带斜极化罩层之间的支撑夹层是低介电常数接近于1 的泡沫，这在工程中应用时需要特殊的安装，且极化罩的厚度比较厚，耐高温特性差。将介质夹层为聚四氟乙烯介质板等类似材料的研究，采用集合射线方法来寻求该问题的求解。斜45°极化器由若干个斜极化层组成，如能求解每个单元斜极化层端口网络参数，将使问题得到简化。每个单元斜极化层均由0°金属栅层A、介质夹层B 和偏转角为θ 的金属栅层C 组成。相对于ABC 斜极化层而言，入射电磁波的极化方向总是与A 栅垂直的，电磁波投射到ABC 斜极化层后，将在金属栅表面、金属栅与介质界面及介质层内发生一系列透射和反射现象，这是一个多重反射问题的分析过程，如图8.64 所示。在遵循能量守恒定律、满足电磁波在不同介质界面传输的边界条件下，通过电磁波矢量投影和矢量叠加，分别求出B 介质内部、AB 介质层间和BC 介质层间的子集合反射场和子集合透射场，最终求出整个ABC 斜极化层总的集合反射场和总的集合透射场。

图8.64　ABC 斜极化层电磁波传输等效示意图

电磁波在各媒质层的作用是一种典型的阻尼振荡过程，其中电磁波在介质层B 的等效透射系数为Tt，介质层的反射系数为。因为，I1BCR2/I1BCR1=I1BCR（n+1）/I1BCRn=-，因此，无穷级数的和为

因此，ABC 斜极化层总的反射场为

ABC 斜极化层总的透射场为

根据网络参数的定义，可以求出ABC 极化层的等效参数S 分别为

当填充的介质是空气（εr=1）时，Гεr=0、= e-jα，就得到式 （8.181）和式（8.182）的表达式。求出单元ABC 斜极化层的网络参数后，利用矩阵T的级联特性，多层介质和极化栅夹层的宽带斜45°极化器的驻波与传输损耗即可求出。这里讨论的极化器已应用于宽带多波束发射阵上，它由两层极化栅和一层聚四氟乙烯介质层构成，其宽带特性与国外同类斜45°极化器 （n=1）的宽带特性试验结果是吻合的。图8.65 为该斜45°极化器电性能计算值，在8～8 GHz宽带内，斜45°极化器驻波VSWR ＜1.3，插入损耗La=0.3 dB。图8.66 为单介质夹层实际测试情况，它是通过对宽带天线有罩、无罩进行比较的，计算值与实测值吻合。要达到相同的电性能，常规斜45°极化器需要五层极化栅和四层聚苯乙烯介质层构成。

图8.65　单介质层极化器的计算值

（a）驻波计算值；（b）插入损耗计算值

图8.66　单介质夹层的实测值

（a）驻波实测值；（b）插入损耗实测值

在满足相同电气指标的条件下，由上述方法设计的宽带斜45°极化器具有层数最少、易于加工、成本低、可靠性高和环境适应性强等优点。并且该斜45°极化器对天线方向图最大波束指向、副瓣电平的影响远比普通斜45°极化器对天线方向图的影响要小。利用专门的工艺加工手段研制的全向斜极化天线中的圆柱形斜极化罩，可以形成一体化的天线、极化罩、天线罩。