波导圆极化器一般应用于微波和毫米波的雷达和通信系统。当圆极化器与合适的天线（如圆锥喇叭或馈源喇叭）组合应用时，即可传输和接收圆极化波。系统设计人员可以从理解圆极化器的工作原理、性能描述方法及测量方法中受益。

圆极化器是输入线极化信号的无源元件。圆极化器以圆极化或近圆极化的形式输出波形。由于各种设计上的调整或加工上的限制，输出的电场旋转轨迹通常不是圆形的，而是略微椭圆形的。选择最佳圆极化器取决于实际考虑因素，如极化纯度、工作带宽、尺寸和成本几个重要因素。图1为工作频率为50至75 GHz的Eravant 的V波段圆极化器的示例。

图1 Eravant的圆极化器通常应用于雷达和通信系统中

在许多应用场景中，高极化纯度是必不可少的。例如，卫星通信网络经常使用右旋和左旋圆极化（RHCP和LHCP）。图2为RHCP（图2a）和LHCP（图2b）波电场的矢量图。单个电场矢量及其组合矢量具有恒定的幅度，但相位角随时间变化。当沿着传播方向（图2中的z轴）观察时，这种变化的相位角意味着电场（和磁场）矢量在RHCP中沿顺时针方向旋转，在LHCP中沿逆时针方向旋转。

图2 RHCP (a)和LHCP (b) 圆极化波的传播方式.

圆极化电磁波各分量的相位差允许单个传输信道同时携带两个信号。在某些应用场景中，传输信号和接收天线需要良好的极化纯度来控制信道之间的干扰。此外，极化雷达和射电望远镜等仪器一般需要高水平的极化纯度。相比之下，一些应用只需在中等极化纯度的情况下即可良好运行。例如，许多通信系统传输圆极化以减少信号衰落。可以使用具有垂直、水平或对角线极化方向的线极化天线来接收圆极化信号。圆极化有限的偏差不会明显减弱信号接收。 

极化器的工作原理

圆极化器的设计有多种形式，各具优、缺点。图3为金属隔板圆极化器。这种类型的圆极化器有两个矩形波导输入端口和一个方形波导输出端口。金属隔板将两个矩形波导输入端隔开。隔板的高度在短距离内减小，以增加波导部分之间的耦合，直到信号到达输出端的公共方形波导口。向其中一个输入端馈入信号，在输出端产生RHCP信号。如果将信号馈入到另一个输入端，则输出是LHCP信号。这种金属隔板圆极化器支撑两个通信通道，通过单个无线链路支持两个通信信道。

图3 金属隔板圆极化器

圆极化由正交模耦合器（OMT）产生。OMT有两个矩形波导端口，与方形或圆形公共端口耦合。H端口在公共端口产生水平极化，而V端口产生垂直极化。为了获得圆极化，馈入到H和V端口的信号在到达公共端口时必须具有相等的幅度和±90度的相位差。Eravant 的OMT如图4所示。

图4 正交模耦合器能发射和接收圆极化信号

也可提供各种单输入的圆极化器设计方案。典型的设计方法使用圆矩/圆方过渡，将信号从矩形波导传输到方形或圆形波导口。圆极化器的结构特征将对馈入信号的正交分解的两个分量产生不同的影响。这两个信号分量名义上彼此相位偏移±90度，在输出端产生近圆极化。理想情况下，当两个信号分量在圆极化器的输出端组合时，它们具有完全相同的幅度。在实践中，阻抗失配和其他限制会导致振幅和相位不平衡，从而影响极化纯度。

可以采用各种相移结构来实现所需的极化结果。该结构的典型形式如图5所示。在相对于输入电场极化方向偏离45度的方向放置介质燕尾片。介质片的加载，会导致馈入信号一个分量的传播速度慢于另一个分量。当两个信号到达圆极化器的输出端时，信号延迟的差异将在两个信号之间产生90度相移。

图5 利用介质片激励圆极化

在对侧的波导壁上加载波纹结构的方形波导，也可以产生圆极化。波纹壁具有与光滑壁不同的传播特性，并且输出信号取决于馈入信号的方向。当输入波形的电场与波导壁呈45度角时，馈入信号一个正交分量的传播速度慢于另一个分量，这将影响极化。这种波导结构的如图6所示。

图6 利用波纹结构激励圆极化

可调圆极化器使用户能够旋转极化结构。使用这种方法得到的极化可以在RHCP、LHCP和线性极化之间连续变化。这些类型的可调极化器通常用于天线测试范围，以使发射信号的极化与接收天线的极化相匹配。图7为可调极化器的示例。

图7 可调极化器

极化器的性能

椭圆极化普遍用于表示电磁波形的极化状态，也用于描述圆极化器的性能。随着RF信号的相位角随时间推移，极化椭圆在x-y平面内追踪电场矢量的大小和方向。椭圆具有轴比（AR）和倾斜角（τ），以x轴为参考。旋转方向分为右旋或左旋。

AR等于或大于1。当电场矢量的大小随时间保持恒定时，会发生AR=1的完美圆极化。由于AR对许多雷达和通信系统的性能有影响，因此AR是极化器和圆极化天线的重要衡量指标。

直接测量AR，通常要探测天线或极化器产生的电场。该测试测量信号强度与倾斜角度的关系。在许多天线测试范围内，AR和τ是通过旋转线极化探头天线并记录接收信号强度来测量的。AR的计算为最大和最小电场测量值的比值。

另一个标准测试为，获得在两个正交方向（通常是水平和垂直方向）上测量的电场的振幅和相位。测量结果在球坐标系中产生复量E_θ和E_φ，在直角坐标系中则产生复量E_X和E_Y。IEEE标准149-2021《天线测量推荐规程》中描述了该方法。

还有一种有效的波导极化器测量技术是使用OMT作为线极化滤波器。此技术的设置如图8所示。V端口接匹配负载，以吸收OMT公共端口来的信号分量。在E_X和E_Y或等效的S_21X和S_21Y测量时，H端口保持连接到矢量网络分析仪（VNA）的端口2。极化器的输入端通过圆矩转换连接到VNA的端口1。在切换S_21X和S_21Y的测量时，OMT与极化器断开连接，旋转90度并重新连接。该过程确保S_21X和S_21Y测量之间的相位和幅度一致性。

图8 OMT是用于测量轴比的有效极化滤波器

对于许多极化器的设计，测量出的AR可能会受到阻抗失配的影响。与使用介质片或波纹波导的极化器相比，金属隔板和OMT极化器通常对负载失配不太敏感。为了尽量减少源和负载失配的影响，连接到极化器输入的圆矩转换应该有一个内部模式抑制器。抑制器通常是一个薄的水平叶片，吸收极化器或负载反射的交叉极化信号，从而减少驻波引起的测量误差。 

结论

随着雷达和通信系统更多地进入微波和毫米波频率，波导圆极化器的使用与日俱增。如果使用得当，圆极化电磁波各分量的相位差允许单个传输信道同时携带两个信号，这提高了无线信号的频谱效率，实现了更高的信道数据速率。本文介绍了圆极化的理论和实现方法，也讨论了决定极化器性能的一些重要参数。尤其是波导极化器的AR会显著影响雷达和通信系统的性能。本文深入探讨了AR的意义以及如何准确测量AR，以帮助系统设计人员为自己的应用项目选择合适的圆极化器。