寬帶正交模耦合器的設計

王 濤，張文靜

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

OMT又稱為正交模轉(zhuǎn)換器，其主要功能是合成或分離兩正交模式，被廣泛使用在衛(wèi)星通信、雷達系統(tǒng)和射電天文中。近年來，天線工作帶寬和工作頻率均不斷增加，為了滿足天線設備的要求，OMT的工作帶寬需要進行擴展并且使OMT在高頻時易于加工裝配。但隨著工作頻率的升高，加工裝配誤差對OMT的性能的不利影響愈加明顯。擴展工作帶寬和降低加工裝配誤差對性能的不利影響成為寬帶OMT設計的主要內(nèi)容。介紹了一種寬帶正交模耦合器，該OMT工作在Ka波段，結(jié)構(gòu)緊湊，性能優(yōu)異，能降低加工裝配誤差對性能的不利影響。最后利用HFSS進行設計驗證。

1 設計方案

按照工作頻帶范圍可以將OMT分為窄帶OMT和寬帶OMT。對于不同的OMT設計的重點有所不同，對于窄帶OMT，設計目的是在窄的工作頻帶(通常小于10%)內(nèi)追求高性能(低電壓駐波系數(shù)，高隔離)和低生產(chǎn)成本;對于寬帶OMT，設計目的是在保證一定的性能指標前提下，盡可能展寬帶寬［1］。

寬帶正交模耦合器結(jié)構(gòu)眾多，常見的如鰭線、四脊、十字轉(zhuǎn)門、B?ifot、雙脊和對稱負反饋，它們各具特點，如表1所示。

表1 各結(jié)構(gòu)寬帶OMT比較

OMT公共波導內(nèi)容易產(chǎn)生高次模，這將影響OMT的性能和帶寬展寬。因此設計寬帶OMT的關(guān)鍵就是抑制公共波導中的高次模的產(chǎn)生。

B?ifot型 OMT由 A.M.B?ifot等人在 1990年提出［2］，結(jié)構(gòu)緊湊，并且對于水平極化和垂直極化都是對稱的，可以有效抑制高次模的產(chǎn)生?？梢栽谳^寬的頻帶內(nèi)保證良好的駐波和隔離特性，工作頻帶可達40%以上(理論上可達76.4%)，其結(jié)構(gòu)如示意圖1所示。

圖1 正交模耦合器結(jié)構(gòu)

2 OMT的模塊設計

需要設計的寬帶正交模耦合器可以分成B?ifot接頭、方波導—標準波導過渡段和Y形接頭3個部分。將各個部分分別進行優(yōu)化設計，最后再將組件組合成一個完整的OMT進行整體的優(yōu)化設計，可以極大地提高設計效率，加速設計速度。

2.1 B?ifot接頭的設計

B?ifot接頭是整個OMT的核心部分，它是分離2個正交極化的關(guān)鍵部分。常規(guī)的B?ifot接頭包括位于2個側(cè)臂入口處的2對容性柱和位于直通臂中心的膜片。它們對兩極化的作用各不相同:對于垂直極化而言，直通臂中的膜片幾乎無影響，2對容性柱相當于一個短路平面，目的在于防止垂直極化進入側(cè)臂，從而提高隔離度。對于水平極化而言，由于容性柱尺寸較小，可認為對其無影響，水平極化可以無損耗地通過，膜片的形狀對水平極化的回波損耗有重要的影響，可以通過精心設計膜片的形狀，降低水平極化回波損耗。膜片同樣用于抑制水平極化在直通臂中的傳輸，膜片越長，對水平極化傳輸?shù)囊种圃酵耆?，但這會導致垂直極化的回波損耗增加，因此也需要對膜片的長度進行合理選擇，盡可能完全的抑制水平極化在直通臂中的傳輸，又盡量小的增加垂直極化的回波損耗。兩極化間的隔離與水平極化的回波損耗有關(guān)，水平極化回波損耗越小隔離越好，因而B?ifot結(jié)構(gòu)OMT設計的關(guān)鍵是提高水平極化的駐波性能。

隨著頻率的升高，常規(guī)的B?ifot型OMT的性能受加工裝配誤差的影響越來越大。為降低加工裝配誤差對OMT性能的不利影響，采用多級容性階梯來取代常規(guī) B?ifot型 OMT兩側(cè)臂入口處的容性柱［3，4］，如圖1 所示，可以獲得與常規(guī) B?ifot接頭相同的性能。

對于 B?ifot接頭，入口采用方波導，尺寸為7.112 mm×7.112 mm，水平極化出口尺寸為標準波導7.112 mm ×3.556 mm，垂直極化出口仍為方波導，取代容性柱的多級階梯選為4階，膜片輪廓采用連續(xù)變化的曲線。利用HFSS建模并對膜片形狀、厚度和長度以及每級階梯的大小和長度進行優(yōu)化得到結(jié)果如圖2所示。

圖2 B?ifot接頭回波損耗

B?ifot接頭的性能直接影響整個OMT的性能，在設計時應盡可能降低兩極化的回波損耗。由圖2可知，在整個Ka頻帶內(nèi)，水平極化回波損耗低于-20 dB，在絕大部分頻帶內(nèi)垂直極化回波損耗低于-20 dB，達到設計要求。

2.2 方波導—標準波導過渡

對于水平極化和垂直極化而言，方波導—標準波導過渡區(qū)域的設計十分重要。截面尺寸為a×b，內(nèi)填充空氣的矩形波導，阻抗計算公式為［5］:

式中，μ表示空氣磁導率;ε表示空氣介電常數(shù);λ表示空氣中電磁波波長。

為了實現(xiàn)寬帶工作，采用切比雪夫阻抗變換進行設計。利用上式計算出方波導和標準波導的波導阻抗，根據(jù)切比雪夫阻抗變換關(guān)系可求出滿足所需要求的各級變換的阻抗值［6］，再由上式可以得到對應阻抗值時的波導尺寸。每節(jié)過渡波導的長度均選為λg/4，其中λg為中心頻率的波導波長。

選擇方波導尺寸為 7.112 mm ×7.112 mm，標準波導尺寸為7.112 mm ×3.556 mm，過渡階數(shù)選為3，中心頻率為33 GHz?？梢杂嬎闾幟抗?jié)過渡波導的初始尺寸分別為:7.112 mm ×4.081 mm、7.112 mm ×5.029 mm 和 7.112 mm × 6.198 mm。每節(jié)過渡波導尺寸為2.95 mm。利用仿真軟件進行優(yōu)化設計后結(jié)果如圖3所示。

方波導—標準波導過渡段目的是將方波導轉(zhuǎn)換成標準波導輸出，設計時應盡可能降低它的回波損耗。由圖3可知，在整個Ka波段內(nèi)，其回波損耗低于-30 dB，滿足使用要求。

2.3 Y形接頭設計

Y形接頭是將B?ifot接頭分出的2路水平極化合成為一路的裝置，主要由彎波導和阻抗變換段組成。

彎波導的尺寸與B?ifot接頭的水平極化出口尺寸一致，彎波導的弧度可根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸進行適當選取。為了降低加工過程中變形造成的誤差對整個系統(tǒng)性能的影響和便于加工，可以采用倒角彎波導［7］。為降低倒角彎波導對系統(tǒng)性能的影響，倒角的半徑也需要進行合理選取。由兩路彎波導合成的波導再經(jīng)過阻抗變換段轉(zhuǎn)化為標準波導出口，阻抗變換原理與上述相同，不再贅述。

根據(jù)上述分析，彎波導的尺寸選為7.112 mm×3.556 mm，利用上節(jié)的方波導—標準波導過渡段，在HFSS中進行建模并進行優(yōu)化設計可以得到Y(jié)形接頭的回波損耗，如圖4所示。Y形波導設計要求與方波導—標準波導過渡段相同，也是要盡可能小的減少回波損耗，由圖4可知在整個Ka頻段內(nèi)，回波損耗優(yōu)于-25 dB，滿足使用要求。

圖4 Y形接頭仿真結(jié)果

3 OMT的仿真設計

根據(jù)上述的模塊設計，應用HFSS設計了一個寬頻帶OMT［8］，要求能在整個Ka波段內(nèi)實現(xiàn)水平極化和垂直極化回波損耗均優(yōu)于-20 dB，端口隔離度優(yōu)于-50 dB。

OMT采用方波導輸入，標準波導輸出。輸入的兩極化通過B?ifot接頭進行分離。分離出的2個極化處理方式各不相同:分離出的垂直極化直接通過方波導—標準波導過渡段轉(zhuǎn)變成標準波導輸出;分離出的2路水平極化利用Y形接頭進行合成并轉(zhuǎn)換成標準波導輸出。

將上述的組件組合起來得到完整的OMT。在HFSS中建立模型如圖1所示。通過HFSS仿真并優(yōu)化得到兩正交極化的回波損耗和隔離度，如圖5和圖6所示。

圖5 整個OMT的回波損耗

圖6 OMT兩端口間隔離度

由圖5和圖6可知，在整個Ka頻段內(nèi)，水平和垂直極化的回波損耗均優(yōu)于-20 dB，并且兩端口間隔離度優(yōu)于-50 dB，達到了設計的目標。

4 結(jié)束語

該OMT結(jié)構(gòu)新穎，性能優(yōu)良，能有效地展寬帶寬。在設計時將OMT分成子模塊分別進行設計，然后進行總體設計可以加快設計速度，提高設計效率。采用多級容性階梯取代了常規(guī)B?ifot型OMT中的容性柱，能有效降低加工裝配誤差對OMT性能的影響。在Ka波段內(nèi)，回波損耗優(yōu)于-20 dB，端口間隔離度優(yōu)于-50 dB。該結(jié)構(gòu)可應用于常規(guī)B?ifot型OMT無法使用的W波段乃至更高波段。 ■

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