为满足现代射电天文观测的需要，中国科学院新疆天文台拟建设110 m主动面技术射电望远镜(Qitai Radio Telescope,QTT)，预配备数个波段宽带接收机系统，将覆盖0.15 GHz至117 GHz的频带范围。110 m射电望远镜接收机性能设计理念空前，目前处在相关技术预研阶段。在宽带/超宽带接收机馈源与极化器技术领域内，7 mm、15 cm、30 cm频段和多波束设计等成为前期主要的研究工作。7 mm作为一个重要波段，提出了设计目标：相对带宽40%，接收机噪声45 K，要求极化器线极化输出，反射特性优于25 dB。

极化器是介于馈源和低噪放大器之间的微波器件，基本作用是把接收的电磁波分解为两个正交分量，也能将两个正交分量进行合成。通过混频、降频之后，信号被后级设备存储处理，便于展开对相应射电源偏振等特性的研究。目前通常是通过波导移相器与正交模转换器结合的方式实现^[1]。研制优良的波导极化器可以更好地改善接收机器件的性能，增强射电波段天文观测的能力。

差分移相器作为其核心，负责对信号准确地完成极化转换^[2]。传统极化器的移相功能主要由添加螺钉、介质片、隔板等方式实现。上述极化实现方式在更宽的带宽上，性能急剧下降。但波纹波导差分移相器具有很好的移相和宽频带特性，这在一定程度上推动了宽带/超宽带接收机的发展。本文介绍的宽频带波纹波导差分移相器就是应用在7 mm波段范围内，在满足相对带宽40%的情况下，实现了良好的极化性能。

波纹波导移相器有多个种类，包括圆波导、方波导和椭圆波导等^[3]。考虑到设计复杂性和加工难度，在32 GHz~48 GHz波段范围内采用的是方形波导加线性渐变波纹结构，如图 1(L表示波导总长度，a为方波导口径)。

图 1 波纹波导剖面结构示意图 Fig. 1 Illustration of the structure of the corrugated waveguide

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方波导中存在着两个正交模，即TE₀₁和TE₁₀模。波导波纹结构对TE₀₁模呈现电感性，而对TE₁₀模呈电容性。由于对称壁上的波纹结构改变了传播电长度，不同极化方向存在着不同的传播常数，两个正交模在加载了波纹结构的方波导中传播时会引起不同的相位变化。

在图 2极化转换示意图中可以看到，对于左旋圆极化或者右旋圆极化波通过移相器时，可以分解为V和P两个垂直的极化波。假如V和P是由馈源左旋圆极化波分解而来，则在输出端可以得到L方向的线极化信号，反之，当V和P是由馈源右旋圆极化波分解而来，则在输出端可以得到R方向的线极化信号。差分移相器工程上具有可逆性，当在图 2右端加载L或R的线极化波时，同样可以得到左端的圆极化波。
假定两个正交主模之间的相位差，可以表示为

图 2 极化转换示意图 Fig. 2 Illustration of decomposition of polarization modes

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为了更好体现圆极化率，两个等幅同相的线极化波通过移相器之后，得到结果可以定义为轴比公式：

如果实现理想的线圆极化转换，即两个线极化波通过移相器之后相位差为90°，则可以达到0 dB的轴比。这种情况下，当输入端加载理想左右旋圆极化波时，右端口就会得到理想线极化波，通过改变设计参数可以使器件性能接近理想值。

波纹波导极化器相比隔板圆极化器和介质片极化器可以拓展带宽，在超过30%的带宽内仍然有很好的相移特性，全金属结构在应用中也具有更好的优势。其对称结构可以抑制一部分高次模的产生，提高了性能。

依据设计经验^{[4, 5]}，方波导口径a的尺寸越大越有利于提高极化器性能，但也容易产生高次模；波齿高度和齿宽的趋小化设计对性能提高也十分有利，不过这样容易使总体尺寸过长，不利于器件制冷需要。

参考微波波导型号与参数设计标准，矩形波导截止频率f_c、起始频率和终止频率与口径a的关系分别如(3)、(4)、(5)式：

综合上述关系，方波导对称波纹结构移相器确定为设计首选。通过计算分析，适合32 GHz~48 GHz波段的方波导口径基本宽度需大于5.69 mm。波纹间距为0.15个中心频率波长，波纹宽度为0.04个中心频率波长^[6]。实验波纹设计为10对，可以得到30°左右的相移量。根据指标需求和初始实验参数，利用HFSS设计的模型如图 3。

图 3 波纹波导差分移相器 Fig. 3 A model of the difference phase shifter for the corrugated waveguide

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为了得到较高的圆极化率或者低轴比，波纹波导移相器原则上具有较大的口径和较长的尺寸，以便于抑制高次模。通过反复实验获得，方波导端口最优尺寸为6.24 mm × 6.24 mm，由上下30对齿构成。考虑更好的驻波和反射特性，两端口处3对齿为过渡段，高度呈线性递增，中间24对齿的高度相等^[4]。其他设计参数如表 1。整个移相器尺寸为6.24 mm × 6.24 mm × 50.25 mm。

通过不断优化齿高和齿间距以及端口尺寸，得到以下仿真结果。可以看到，在设计带宽上移相角度已经接近90°。

移相曲线如图 4，在40%的相对带宽内可以得到90°±7.5°的相位特性，即可以得到1.2 dB的轴比特性，这是在如此宽的频带内，其它类型移相器不能达到的性能。

图 4 移相特性 Fig. 4 The simulated characteristic curve of phase shift vs. frequency of the phase shifter

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图 5和图 6分别显示了在7 mm波段经过HFSS仿真计算后的端口驻波比和两个主模的回波反射特性。TE₀₁和TE₁₀模都具有小于-40 dB的反射特性，可以得到小于1.02端口驻波比，性能优于科学目标设定的25 dB。

图 5 驻波比特性曲线 Fig. 5 The simulated characteristic curves of VSWR vs. frequency of the phase shifter

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图 6 端口回波反射特性曲线 Fig. 6 The simulated characteristic curves of port reflecion vs. frequency of the phase shifter

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通过研究，提出采用波纹波导差分极化器的方式实现7 mm波段宽频带的移相性能。利用HFSS软件，仿真并优化了该差分移相器的具体尺寸和性能。结果表明，在32 GHz~48 GHz频段得到了很好的性能指标。在40%的带宽内得到90°±7.5°的相位特性，两个主模的带内反射系数均小于-40 dB(即小于1.02的驻波比特性)，轴比小于1.2 dB。总长度尺寸较小，端口符合国际标准，便于下一步展开对正交模转换器的设计及组合测试，适合射电天文接收机设备制冷需要。鉴于整个馈源与极化器技术路线设计复杂，上述结果是在假定理想状态下测得；虽然如此，良好的性能也为日后进一步的设计和制造提供了有用价值。