上海65m射电望远镜Ka波段极化器设计 - 上海天文台.PDF

　　中　国　科　学　院　上　海　天　文　台　年　刊 ２００９年　总第３０期 　 ＡＮＮＡＬＳＯＦＳＨＡＮＧＨＡＩＯＢＳＥＲＶＡＴＯＲＹ ＡＣＡＤＥＭＩＡ ＳＩＮＩＣＡ 　Ｎｏ．３０，　２００９ 上海６５ｍ射电望远镜 Ｋａ波段极化器设计 王锦清　仲伟业 （中国科学院上海天文台，上海２０００３０） 提　　要 该文比较详细地论述了上海６５ｍ射电望远镜上Ｋａ波段（３０～３４ＧＨｚ）宽带极化器的设计。重 点介绍了宽带差分移相器和宽带正交模转换器的设计和ＨＦＦＳ仿真，并给出了两者组合后的仿真 结果。整个极化器符合６５ｍＫａ波段极化器所要求的总体设计指标。文中首先谈到了设计 Ｋａ波 段极化器的背景，论及了当前国内外在这一领域的发展近况，然后就６５ｍ射电望远镜Ｋａ波段极化 器设计做了深入的展开，并给出了相应结论。 主题词：Ｋａ波段 — 极化器 — 差分移相器 — 正交模转换器 ＋ 分类号：Ｐ１１１．４４，ＴＮ８２１．１１ １　课题背景 上海６５ｍ射电望远镜计划将配备８个波段的接收设备，涵盖了４６ＧＨｚ以下的所有波段。 Ｋａ波段作为规划中的一个重要波段，也已提出了设计指标，频率范围为３０～３４ＧＨｚ，相对带宽 １３％，接收机噪声３０Ｋ，对于极化器要求双圆极化输出，并且隔离度好于２５ｄＢ。 在各个频段，考虑到尺寸和相对带宽等因素，极化器的实现方式有多种方式，主要有介质 片、隔板和波纹波导等形式，前两者大多在低频段采用，而波纹波导主要在高频段采用，具有很 好的宽带特性。本文所论述的极化器采用了方形波纹波导的形式，同时，在正交模耦合器的设 计中采用了对称结构的设计，而这种结构以往只应用于毫米波段。 极化器是整个接收机系统中一个很关键的部件，它的好坏直接影响了后级电路设备的性 能，因此，十分有必要对这一部件进行深入的研究，力图设计出高指标和别具特色的极化器。 ２　极化器原理及实现形式 一个典型的接收系统如图１所示。馈源得到天线面接收的微波信号后，将电磁波传送给 极化器。极化器的基本作用就是能把接收到的电磁波分解为两个正交的分量，也能将两个正 交的分量进行合成，然后通过波导过渡到微带电路进入低噪声放大器，最后通过混频器把信号 频率降至中频（通常在１ＧＨｚ以下），最后把模拟的中频信号数字化并记盘。极化器是介于馈 源和低噪声放大器之间十分重要的微波器件，它的性能好坏将直接影响整个接收系统的性能。 收稿日期：２００９０７０９；　修回日期：２００９０８１１ 上海市科学技术委员会（Ｎｏ．０８ＤＺ１１６０１００）项目资助课题。 ４０ 中 国科 学 院上 海 天 文 台年 刊　　　　　　　　　　　　　２００９年 图１　接收系统 Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅｒｅｃｅｉｖｅｒｓｙｓｔｅｍ 极化器的实现通常有两种不同的形式。第一种形式通常在高频段（Ｘ波段以上）运用，其 框图如图２所示。其中第一个方圆过渡是为了把圆口的馈源与方口的差分移相器相连，再通 过第二个方圆过渡（其作用将在后文谈到），最后由正交模转换器的两个波导口输出线极化信 号。但在低频段（Ｃ波段以下），由于考虑到器件的尺寸因素（主要是差分移相器的尺度太大， 不适合生产），通常采用如图３所示的第二种形式。其虚线框内实际上都是在微带电路上实 现的（第一种形式的极化器都是在微波腔体内实现），这种方式充分利用了圆极化和线极化间 的转换关系，缩小了极化器的尺寸。但是这里要求两个低噪放以及两个移相电桥的幅度和相 位特性高度一致，以便相加后才能比较理想地完成圆极化波和线极化波转换，但这也极大地增 加了实现的困难。 图２　第一种极化器形式 Ｆｉｇ．２　Ｆｉｒｓｔｔｙｐｅｏｆｐｏｌａｒｉｚｅｒｓ 图３　第二种极化器形式 Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅｓｅｃｏｎｄｔｙｐｅｏｆｐｏｌａｒｉｚｅｒｓ 而在实际应用中，有时只要单方向的线