極化轉換器

電波的極化特性

????由天線輻射原理可知，自由空間電磁波通常以電場的取向作為電波極化方向。是隨時間而變化的，如果的矢量端點隨時間變化的軌跡是一直線，則稱此電波為線極化波。若的大小不變而方向隨時間而變，在觀察點處與傳播方向垂直的平面內，矢量端點的變化軌跡是一個圓，稱為圓極化波。的大小和方向都隨時間變化，矢量端點的軌跡為橢圓的波則叫橢圓極化波3種不同極化波。

??? （一）線極化

????在三維空間，沿 Z 軸方向傳播的電磁波，其瞬時電場可寫為：

= +

（3-8）

????若=ExmCOS(wt+θx),=EymCOS(wt+θy) ，且與的相位差為nπ(n=1,2,3,…) ，則合成矢量的模為:

（3-9）

????這是一個隨時間變化而變化的量，合成矢量的相位θ為：

（3-10）

????合成矢量的相位為常數(shù)。可見合成矢量的端點的軌跡為一條直線。

????與傳播方向構成的平面稱為極化面，當極化面與地面平行時，為水平極化，如圖3-17（a）；當極化面與地面垂直時，為垂直極化波，如圖3-17（b）。

???（二）圓極化

????若與的幅度相等，相位差為(2n+1)π/2 時，則 :

（3-11）

????是常數(shù)，而相位隨時間t而變化：

（3-12）

????故合成矢量端點的軌跡為一個圓。

????根據(jù)電場旋轉方向不同，圓極化可分為右旋和左旋兩種。觀察者沿波的傳播方向看去，電場矢量在截面內順時針方向旋轉（滿足右手定測）稱右旋極化如圖3-17（c），逆時針方向旋轉（滿足左手定測）稱左旋轉化如圖3-17（d）。

????因此，若超前 π/2 ，則為右旋極化波，若落后 π/2 ，則為左旋極化波。

???（三）橢圓極化

????若與的幅度和相位差均不滿足上述條件時，合成矢量端點的軌跡為一個橢園。橢圓極化波的橢圓長短軸之比，稱為軸比，當橢圓的軸比等于1，橢圓極化波即是圓極化波。當軸化為∞時，電波的極化為線極化。

????根據(jù)電場旋轉方向不同，橢圓極化和圓極化可分為右旋和左旋兩種。觀察者沿波的傳播方向看去，電場矢量在截面內順時針方向旋稱右旋極化，逆時針方向旋轉稱左旋轉化。

????電波的極化特性是由發(fā)射天線決定的，反過來不同極化的電波則要求天線與之極化匹配，即線極化天線只能輻射或接收線極化波，并且，水平極化天線只能接收由水平極化天線輻射的水平極化波，不能接收由垂直極化天線輻射的垂直極化波，反之亦然。圓極化天線只能發(fā)射或接收圓極化波，并且，右旋圓極化天線只能接收右旋圓極化天線發(fā)射的右旋圓極化波，而不能接收左旋圓極化波，反之亦然。衛(wèi)星電視廣播有的用線極化波，有的用圓極化波。一般衛(wèi)星電視接收天線都設計成能工作于接收線極化和圓極化波兩種狀態(tài)。

(a) 垂直極化???? ????(b) 水平極化

(e) 右旋橢圓極化 ???? ????(f) 左旋橢圓極化

圖 3-17 波的某些極化狀態(tài)

????值得注意的是，若衛(wèi)星電視廣播的電磁波為右旋圓極化波，但右旋圓極化波經(jīng)反射面一次反射則變?yōu)樽笮龍A極化，所以，進入前饋天線饋源的圓極化是左旋的。對于后饋天線而言，入射波經(jīng)主、副反射面二次反射后，仍然為右旋圓極化波。

???3.4.2 極化轉換器原理與結構

????由于天線饋源輸出端通常要與帶有矩形接口的室外接收單元聯(lián)接，所以，反射面天線的饋源通常需要一段極化轉換器和矩圓過渡波導，如圖3-18所示。對于接收采用園極化波的衛(wèi)星廣播信號，裝在接收天線饋源后的極化器先將圓極化波轉換為線極化波，再通過矩圓過渡波導將圓波導中的波型變換為矩形波導中的波型，以便與其后的衛(wèi)星接收高頻頭（LNB）接口配接。

圖 3-18 極化轉換器和矩圓過渡波導

????由于圓極化波可以看成是由2個正交、等幅、相位差90°的線極化波分量合成的，所以，極化器的工作原理就是用一個分量移相器使其中一個線極化波改變相位，經(jīng)一段傳輸路程后，二個分量的相位變成相同，其合成場變成了線極化波。反射面天線中常采用45°介質片分量移相器或銷針分量移相器。它們的移相原理是相同的。

圖 3-18 45°介質片分量移相器結構示意圖

圖 3-19 銷釘分量移相器

?? ?? ?

?? ??

圖 3-20 極化波與移相器的關系

????45°介質片分量移相器如圖3-18所示。在圓波導內與矩形波導寬邊45°角方向上安裝一個介質片。假設進入饋源的來波是左旋圓極化波，則可將圓極化波分解為與介質片平行的分量及介質片垂直的分量。由于是左旋，所以超前90°。但在介質片上傳輸?shù)乃俣缺却怪庇诮橘|片的慢，的相位逐漸被延遲。選擇合適的介質片長度l，使的相位恰好延遲90°，變成了與同相位，于是合成場變?yōu)榕c介質片成45°夾角的線極化波。由于矩形波導的極化方向與寬邊垂直，所以該極化波能進入矩形波導進行傳輸。用作分量移相器的介質片，一般由微波損耗小的聚四氟乙烯板或聚四氟乙烯纖維板制作而成。片長一般通過實驗才能最后確定，二頭切成凹狀是為了減少波的反射。

????圖3-19表示在圓波導內放置兩排銷釘，構成銷釘分量移相器。對于行于銷釘所在平面的電場來說，銷釘呈容性，使其相速減小，而對垂直于銷釘面的來說銷釘呈感性，使其相速增加?？刂其N釘插入深度和銷釘?shù)膫€數(shù)，可以做到與同相，將圓極化波轉換為線極化波。為了使銷釘移相器與波導匹配，銷釘?shù)牟迦肷疃仁菨u變的，中間最深，兩邊最淺。用漸變寬度的月牙形金屬片代替兩排銷釘，也能構成移相器，其基本原理與銷釘移相器相同。由于銷釘所在平面與介質所在平面一樣，都是使與之平行的相位滯后。所以在完成同樣的極化方式轉換時，銷釘平面在圓波導內的取向與介質片的取向是一致的。前饋和后饋天線

????接收各種極化波時，極化器與波導寬邊的安置方向如圖3-20所示，這是從高頻頭的矩形波導口向饋源方向看去的。

????圓形波導由于結構對稱，對波的極化形式?jīng)]有選擇，而矩形波導只允許與其寬邊垂直的電場通過，所以波導的寬邊必須與電波極化的方向相垂直。

圖 3-21 一種可調線極化饋源

????一種可調線極化饋源，如圖3-21所示。在接收線極化波時，只要調整線極化振子，使之平行于線極化波的極化方向即可。若將振子改為小螺旋，則該饋源接收圓極化波無需加極化器。此外，背射螺旋饋源也是不加極化器而接收圓極化波的。

????3.4.3 圓矩過渡波導??

????波導型的饋源為了獲得旋轉對稱的方向圖，通常以圓波導激勵。緊接在饋源后面的極化器也是由圓波導構成的。而大部分的高頻頭（LNB）的輸入端是矩形波導，所以，在饋源的輸出端口通常加有一個圓矩過渡波導段，以完成圓波導中的模電磁波到矩形波導中模電磁波的轉換。在圓矩過渡波導段中要求引入的不連續(xù)性應盡量小，以達到減小饋源的駐波比，改善阻抗匹配的目的。