C波段寬帶OMT設計分析

王 壘,楊國棟,耿丹陽,張志華

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081;2.中國交通通信信息中心,北京100011)

0 引言

OMT也稱為雙模變換器或正交模轉換器,廣泛應用于微波天線、電子對抗和微波測量儀表之中,其主要功能是在天線饋電中實現正交極化的雙工傳輸(分離與合成),是天線系統中的關鍵部位,其性能的好壞直接影響整個系統的性能。近年來,微波無源器件在帶寬不斷增加的同時,還要保證低電壓駐波比、低損耗和高端口隔離度。為了適應現代天線設備的需求,出現越來越多新型的正交模轉換器。介紹了一種結構新穎的正交模轉換器的設計,用HFSS進行仿真,并且在C波段進行了驗證。

1 總體設計方案

正交模轉換器為圓波導口輸入,2個標準矩形波導輸出,其結構如圖1所示。輸入極化波通過分波頭進入到兩路對稱的彎波導中,再經由兩個Y連接器分別進行合成,從而實現了兩路正交信號的輸出。

圖1 正交模轉換器結構示意圖

常規OMT主要有圓波導耦合結構和方波導耦合結構2種。前者只能在15%左右的相對帶寬內表現出良好的性能,當相對帶寬變寬后駐波、隔離等性能急劇下降,已經不能滿足工程的需求。方波導耦合結構可以采用單短路片或者多個短路片形式,只是有限地擴展了帶寬。

與上述正交模轉換器相比,四路分波的結構能夠更有效的展寬頻帶,并且很容易在40%及以上的相對帶寬內得到優良的駐波和隔離特性。

2 關鍵技術

寬頻帶正交模耦合器主要由分波頭、Y型連接器2個部分組成。這2個部件的設計與實現是這種結構的OMT的關鍵。

2.1 分波頭設計

分波頭是由一段圓波導、四路矩形波導出口和位于中心的匹配臺階組成。為了保證主模TE11模式的傳輸,并且抑制其他高次模的產生,圓波導的口徑R選取一般滿足:

式中,λmax為最低頻率的波長;λmin為最高頻率的波長。

匹配臺的選擇也是分波頭設計的關鍵,它直接影響到分波頭的駐波與對應兩路間的端口隔離特性。匹配臺可以有多種形狀,例如圓柱狀、圓錐狀,也可以是正方體臺階,也可以是它們的組合形式,但它必須是完全對稱結構,這樣才能保證四路波導出口的一致性。為了在寬頻帶內達到良好的匹配特性,匹配臺選擇2級圓柱臺或者圓臺與正方形臺的組合。匹配臺可以焊接在分波頭上,這時對加工精度的要求就很嚴格了,細小的偏差對駐波,特別是端口隔離都有很大的影響。匹配臺可以通過螺紋孔定位在分波頭上,這樣既可以保證匹配臺的位置,固定螺釘也可以對駐波的指標進行細微的修正。

2.2 Y型連接器設計

Y型連接器是把分波頭分出的2路信號合成為一路的裝置,它是由彎波導和方矩過渡組成。

彎波導的尺寸與分波頭出口的尺寸一致,它的弧度可以根據結構尺寸適當選取,但彎波導的弧度并不是彎的越大越好,相反,仿真計算的結果顯示在一定的范圍內彎波導的半徑越小駐波值越好。在波導形式的十字轉門連接器中,2路彎波導合成一路方波導的結構在加工時由于波導的變形而造成的誤差往往會給整個系統的性能造成影響,所以彎波導的形式可以選取切角彎波導,切角彎波導所適應的相對帶寬更寬,更重要的是它減少了在加工過程中由于變形而造成的誤差。由2個E面彎波導合成的方波導再經由階梯過渡轉化為標準波導出口,這里就不再過多講述。

3 仿真設計分析

根據上述理論分析,應用HFSS軟件對分波頭進行仿真計算,設計了一個寬頻帶正交器,它能在4.5～7 GHz的頻帶內具有良好的性能。

根據式(1),為了保證主模TE11模式的傳輸,圓波導半徑的選取范圍為:

考慮到相對帶寬以及匹配的要求,這里的半徑口徑選取比理論值要偏大一些,R≈23.5mm左右。分波頭出口波導選取非標準波導:a=41.4 mmb=20.51mm

匹配臺的形式選擇圓臺與正方形臺組合的形式,這種形式的匹配相對帶寬更寬,并保證了良好的端口隔離度。

根據以上所得電氣尺寸在HFSS里建立分波頭的模型,如圖2所示。

圖2 分波頭仿真模型

通過對圓波導和匹配臺的尺寸進行了優化設計,最終優化計算得到的駐波曲線如圖3所示,2個極化駐波均小于1.12。

圖3 駐波計算曲線

根據仿真優化得到的尺寸對此正交模耦合器進行了加工制造,耦合器實測結果如圖4所示,2個端口駐波均小于1.2,在寬頻帶內滿足設計要求。

圖4 OMT駐波實測曲線

4 結束語

上述結構的正交模耦合器能夠實現在4.5～7 GHz寬頻帶內的信號傳輸,對簡化網絡結構和拓展信號帶寬有著重要的作用,其本身具有結構新穎、性能優良的特點。產品已成功應用在工程項目中,并取得滿意的結果,受到好評。

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