高功率极化可重构单站波导收发系统

《Electronics》：A High-Power Polarization-Reconfigurable Monostatic Waveguide Transceiver System

　　

摘要翻译：

本文提出了一种基于纯波导结构的单站收发系统。所设计的波束成形网络（BFN）和极化方向调节器使系统能够使用同一波导路径和天线进行发射与接收。此外，输出极化方向可调至任意角度。仿真结果表明，该波导结构的功率容量超过500 kW。实测表明，在9.85–10.15 GHz频带内，系统电压驻波比（VSWR）≤2.1，隔离度为29–52 dB，增益为14.8–16.7 dBi。

论文解读：

**一、研究背景与问题**

近年来，同信道同时收发（C-STAR）技术因其高数据速率和频谱效率而受到广泛关注。然而，现有大多数同时收发（STAR）系统中的波束成形网络（BFN）依赖微带电路，存在严重的互耦问题。当前波导型STAR系统通常引入谐振腔、铁氧体或超表面结构，这些组件的功率处理能力严格限制在千瓦（kW）级甚至更低，难以满足高功率应用需求。此外，已有纯波导结构方案仍存在8°波束偏转的问题。针对上述挑战，研究人员提出了一种基于纯波导结构的X波段极化可重构单站收发系统，通过极化调节器使发射和接收模式共享同一组天线，并保持辐射极化方向可调，以应用于远距离通信、无线能量传输等需要实时重构极化方向以最大化功率传输或抑制交叉极化干扰的场景。

**二、研究工作与总体结论**

研究人员设计并制备了一套完整的收发系统，该系统包含两个功分器、两个180°混合器、四个极化调节器和四个圆锥喇叭天线。系统通过极化调节器实现发射与接收共用同一波导路径和天线，并利用特定的相位关系实现收发端口隔离。仿真与实验结果表明，该系统在9.85–10.15 GHz频带内电压驻波比（VSWR）≤2.1，隔离度为29–52 dB，发射和接收增益为14.8–16.7 dBi，且在充入二倍大气压六氟化硫（SF₆）气体时功率容量超过500 kW。该研究解决了现有波导收发系统功率容量受限和波束偏转问题，在高功率微波领域具有显著应用潜力。论文发表在《Electronics》。

**三、主要关键技术方法**

研究人员采用的关键技术方法包括：设计了一种新型极化调节器，其核心为TE₁₀-TEM-TE₁₁波导模式转换路径，利用弯曲内导体实现矩形波导到同轴波导的过渡，消除尖端放电效应并提高功率容量；在同轴波导中插入金属隔片，通过改变上下半部分半径差产生相位差，实现180°相移，且通过旋转隔片部分可任意调节输出电场极化方向；采用折叠波导设计缩短系统长度，并集成了功分器、180°混合器、极化调节器和圆锥喇叭天线；利用电磁仿真软件Ansys HFSS 2023 R1进行仿真优化，并通过网络分析仪、微波暗室和高功率脉冲微波源进行实验验证。

**四、研究结果**

**（1）工作机理仿真结果**

通过电磁场分布图验证了极化调节器的工作过程：输入的TE₁₀模式首先转换为TEM模式，然后分成两种不同传播速度的分量，在相移段末端电场极化方向变为同向，最终以TE₁₁模式输出。在保持端口间180°相位差时，旋转调节器可将辐射波极化方向重构为任意角度；接收状态下仅需将端口相对相位控制为0°、0°、180°、180°。

**（2）电性能仿真结果**

在9.8–10.2 GHz带宽内，系统电压驻波比小于2，隔离度超过30 dB，最大达60 dB，方向性约为20 dB，增益接近方向性，系统损耗很小，克服了已有工作中的3 dB损耗问题。

**（3）功率容量仿真结果**

最大电场强度集中在调节器内导体处，在输入功率500 kW时约为5.2×10⁶ V/m，低于六氟化硫（SF₆）的击穿电场强度8.9×10⁶ V/m。当系统充入二倍大气压的SF₆气体时，功率容量可保证超过500 kW。

**（4）实验测试结果**

实测表明，在9.85–10.15 GHz频带内，系统VSWR<2.1，隔离度>29 dB，发射和接收增益约为14.8–16.7 dBi，与设计目标一致。实测与仿真之间的隔离度差异和能量损耗主要由加工误差导致，包括铣削精度限制、波导内表面粗糙度、弯曲段加工误差以及法兰连接处的微间隙等。

**（5）高功率验证结果**

采用高功率脉冲微波源对样机端口1馈电，在500 kW峰值输入功率下脉冲波形保持稳定，目视和声学检查未发现波导内电弧或次级电子倍增效应，实验证实了系统的500 kW功率处理能力。

**五、讨论与结论总结**

与同类收发系统相比，该系统在纯波导结构下实现了良好的带宽和隔离度。已有波导结构设计存在8°波束偏转且功率容量仅为理论计算值，而基于谐振腔的结构严重限制了功率容量。本文所提出的系统凭借良好的喇叭与波导集成结构，表现出更优的辐射性能和更高的功率容量，在高功率应用中具有明显优势。研究结论指出，该系统具有高功率容量、低反射、良好隔离度和辐射性能，在远距离通信和无线能量传输等高功率微波应用中具有重要潜力。未来工作将致力于开发更宽带元件并提高制造精度，同时将旋转方式升级为电子控制配置，以更简便快速地调节极化方向。