宽带W波段偏振旋转器的极低交叉极化.doc

宽带W波段偏振旋转器的极低正交偏振作者：Giampaolo Pisano, Simon Melhuish, Giorgio Savini, Lucio Piccirillo, Bruno Maffei摘要：我们提出一个在82-100GHz的频率范围内的圆形波导管的偏振旋转器在宽带路径的旋转半波延迟器为基础。设备被设计出来为了应用于有极化的宇宙微波背景辐射的天体物理实验。这个设备是基于Pancharatnam光学准则1，具有极低的固有交叉极化波，平稳且在整个频段损失很低。它可以用在需要高性能的天体物理实验中，也常常作为一个变量对偏振波校准。这个设计被制造出来尝试当作测试矢量毫米波的网络分析仪。在30%频带进行测量，测得平均的回波损耗，插入损耗的正交偏振，分别为-38dB,-0.27dB和-36.5dB。关键词：调制和编码，波导偏振I 简介在实际的亚毫米波天文学中的准光学领域中通过旋转半波片（HWPs）通常用来实现极化调制。在这个器件中，旋转半波片被定位在光学器件和馈电放大器之间为了提取在宏观背景下微小的极化信号。具体的说,在探测宇宙微波背景辐射的各项可能的偏振信号对于那些没有极化的信号来说实在是太微小了。宽广的系统工作频带常用来满足这种灵敏度。在最近的实验中探测宇宙背景辐射的极化信号的细节，即在B模式下，极化波的系统性在整个器件是另一个被要求的控制和分析量。要求不是很精确的校准仪器，在30%频宽下-40dB级的回波损耗（RLs）和低于-20dB时获得的波在所有获得的偏振波中是有价值的。这样的表现在准光学领域使其可以替代波导旋光仪。在这个案例中，极化波是循环的直接单模波导管。这些调制器被安装在波纹集管之间使其可以收集来自望远镜和邻模式传感器的辐射，将正交极化波分离用热辐射量仪来检测。法拉第旋转调制器2就是这样的一个仪器。在这里我们提出一个机械化的宽带极化调制器，是一个专为97GHz的偏极计设计的宇宙背景辐射极化光仪实验。在这里所提出的设备是一个波导管换位的光学系统基于Pancharatnam准则。他非常好的表现出了回波损耗，插入损耗跨极化和和差分阶段转变；并可以持续的循环。II 概念在亚毫米波领域无色差的准光学半波片（HWPs）可以利用双折射材料如：石英或蓝宝石来设计。带宽这一性能可以通过堆叠不同波片和改变双折射轴的方向来改变，根据Panchartnam准则1,3,4 。准则描述使用三个或五个单个的双折射半波片围绕光轴旋转特定的角度。越多片数可以获得越广泛的的带宽。在给定频率V0下，一个半波片可以在两个正交晶轴间电场中产生一个完美的180度相移。有三个半波片根据准则将有两个增加的频率，一个在V0上另一个在V0下，所以在三个半波片下相移误差就会消失，再次出现一个完美的180度相移14。在取这些频率点时相移将非常接近180度：在30%频宽下相位误差低于1度是很容易实现的。我们的偏振旋转器相当于这种设备。我们利用Pancharatnam准则改变三个半波片成单通模式的波导管传输，在文献中已经包括了这样的组件。III 设计与模型我们的偏转器的基本设计元素是一个宽频带的圆波导虹膜偏光镜5已经将频率定在97GHz。在过去使用的类似的虹膜偏振片6平面反应的相移器已经实现。偏光镜的作用就是将两个以正交方式平行传递的四分之一波组（QWS）的波形相移90度并使其垂直与虹膜。一个半波组（HWS）可以获得两个简单级联并对齐的四分之一波组（QWS）在这种情况下，逐渐远离中心频率的偏离180度相移超过10度（见图6）。为了保持理想的180度相移，基于Pancharatnam准则的3片半波片通过级联方式以适当的相对方向：-30度/+30度/-30度连接，其半波组见图1(a)。他们的第一和第三半波组与他们的虹膜对齐，而相对中心旋转60度见图1（b）。这个设备等效于一个高带宽的半波组（180度 延迟器）所有的虹膜都以0度对齐。延迟器使入射的极化信号的角度变为二倍，让入射信号机械性循环。图1.偏振旋转器是旋转片（QWSs）的组合(a)HFSS模型的侧视图（b）QWS相对方向沿着传播方向（c）模型包括电抗器和固定法兰尺寸（d）射频仿真例子TE11模式偏振旋转：从+45度到-45度。图2波导偏振旋转器原型所有的设备模型被完成是用一个网络化的散射矩阵。频率取决于四分之一波组信号的散射矩阵，用高精度的商用有限元素分析软件-Ansoft HFSS来计算。通过运用旋转矩阵组来获得四分之一波组。这个设备还包括两个固定的法兰标准的直圆形波导管部分。这些损失是由于这些部件和旋转缓速器之间的空隙，通过特别设计的标准化部件来使损失降到最小(见图1和2)。超过100um的空隙会使得损失直观的显现出来。这个装置通过将三对旋转四分之一波组级联起来用来实现仿真。需要注意，由于圆波导四分之一波组本质上是很好兼容的所以不需要有“防反射图层”的双折射片在准光学设备上用来适配自由空间的阻抗的。基于以前在镀金片波导上测量电导率=15000000siemens/m6。我们采用的设备非常好的反映了四分之一波组所设计的预期误差表现（约为：RL=-30dB和IL=-0.2dB；见图4和5）5。根据Pancharatnam准则这个非常平稳的差分相移错误率和非常低的交叉极化波（约为：=0.15度，X-pol=-50dB；见图6和7）是非常高效的结果。通过这种占频宽30%的四分之一波组级联技术将原相移误差（超过10度）降低到非常小。旋转减速器的差分相移的传输损耗极为平稳可以引起很纯粹的偏振调制。IV 实验结果不同的偏振旋转器由Forestal S.r.l制造8；旋转部分由电铸技术打造原型如图2。两个固定的直圆波导管部分被定位在旋转器的两边。每个部分都有一个扼流圈面向转动部分和法兰标准的外部波导管在相反位置。两个器件之间的空隙都被保持在低于100um，一个齿轮机制使旋转角度误差保持在0.25度以内。对旋转器进行性能测试使用WR10机头的罗德和施瓦茨ZVA40 VNA设备。因此使得特征频宽在75-110GHz9。旋转器的圆形波导管端口和被测的一对矩形波导管端口相当于VNA系统两个正交模转换器如图3（a）。其他的矩形波导管口终止了正交模转换器加载，这样的设置允许不需要的反射功率在正交极化方向被发送到正交模转换器避免波停留在该系统中。通过圆形波导管来校准正交模转换器并为了圆形波导的器件的产出。使用一个端口来校准回波损耗的测量见图3（b）。旋转器的一端连接正交模转换器的圆形输入端，另一端接一圆形端口的负载。在一个特定的角度对旋转器进行测量（见图4）。与模型有个很好的一致性改变设备的旋转角度回波损耗的形状改变，但不改变他们的包络形状。在82-110GHz频率范围内测得品均回馈损耗在-38dB。图4旋转器设定为0度时测量和和模拟回拨损耗图5旋转器设定为0度时测量和模拟插入损耗使用两个端口来校准插入损耗的测量。将旋转器设置在0度和90度来测量传输性。插入损耗的一个测量例子如图5。有一个大众一致的观点关于模型其所呈现出来的波峰被归结于圆形波导管之间的空隙产生的失调。在82-110GHz测的插入损耗为0.27dB。差分相移是由旋转器设置在0度和90度时插入损耗之间的阶段产生的。如图6与模型有良好的一致性；在82-110GHz频段测量平均相位差是：180.40.7度。还要注意两个四分之一波组的平整度相互比较。图6差分相移的测量和仿真图7差分极化波的测量与仿真设置旋转器在45度时测量差分极化波，这时入射的垂直极化波是旋转了90度的理想状态发送到第二个终端正交模交换器中；达到VNA中的信号是交叉极化信号。理想的结果是在整个82-110GHz频率范围内为-36.5dB（见图7）。理想值和实测值的不同（在10dB分贝的低频时）可以追溯到使用电铸技术加工配用的顶杆和最终对齐时旋转器的固定部分的误差。V 总结一个宽带波导极化旋转器是基于一个缓速的半波旋转器设计出来被测量和测试的。缓速器的设计基于一个无色差的光学系统采用三段式Panchartnam准则，在这里实现优化波导的作用。一个网络散射矩阵模型由有限元素分析矩阵的构成元素是完善的来预测设备的性能。实验验证了VNA设备工作在WR10波段。结果与预期非常一致，现实出了设备非常优秀的性能在82-110GHz的范围内我门测量了整个交叉极化波在-38dB，-0.27dB和-36.5dB回波损耗和插入损耗的分别。这个设计达到了相移误差低于1度这以为着获得极其纯粹的偏振调制，远远优于其他建立在毫米波长的调制系统。感谢作者对A.Cori 和P.Volpi，他们高超的工艺和专业的知识表示感谢。参考文献1 S. Pancharatnam, “Achromatic Combinations of Birefringent Plates,” Raman Research Institute, Memoir 71. Bangalore, India, pp. 137144, 1955.2 Ade et al., “Polarization modulators for CMBPol,” J. Phys. Conf. Ser., vol. 155, no. 1, p. 012006, 2009.3 G. Pisano et al., “Achromatic half-wave plate for submillimeter instrumentsin CMB astronomy: Modelling and simulation,” Appl. Optics, vol. 45, no. 35, pp. 89078915, 2006.4 G. Savini et al., “Achromatic half-wave plate for submillimeter instruments in CMB astronomy: Experimental characterization,” Appl. Optics, vol. 45, no. 27, pp. 69826989, 2006.5 G. Virone et al., “A novel design tool for waveguide polarizers,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 53, no. 3, pp. 888894, Mar. 2005.6 G. Pisano et al., “A 90 GHz waveguide variable phase-shifter,” IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol