基于Turnstile結(jié)構(gòu)的超寬帶正交模耦合器研究

陳卯蒸，寧云煒，馬　軍

(1.中國科學(xué)院新疆天文臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008)

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基于Turnstile結(jié)構(gòu)的超寬帶正交模耦合器研究

陳卯蒸1,2，寧云煒1,2，馬軍1,2

(1.中國科學(xué)院新疆天文臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008)

正交模耦合器是反射面天線饋源系統(tǒng)中非常重要的無源器件，正交模耦合器的帶寬決定了天線的工作帶寬，其性能直接影響接收機(jī)的性能。為滿足新疆天文臺(tái)Q波段(30～50 GHz)制冷接收機(jī)的需求，描述了Turnstile結(jié)構(gòu)的正交模耦合器，公共端口為圓波導(dǎo)，2個(gè)分支端口為標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)。應(yīng)用電磁仿真軟件HFSS對(duì)正交模耦合器進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，在50%相對(duì)帶寬內(nèi)，回波損耗優(yōu)于-22 dB，正交隔離度優(yōu)于-46 dB。為進(jìn)一步開展毫米波寬帶OMT的研究提供了理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

正交模耦合器；超寬帶；無源器件

0　引言

新疆天文臺(tái)正在推進(jìn)的7 mm(30～50 GHz)接收機(jī)是目前Q波段帶寬最寬的射電天文制冷接收機(jī)，相對(duì)帶寬達(dá)到了50%。正交模耦合器 (Ortho-mode Transducer，OMT)是射電天文望遠(yuǎn)鏡天線饋線最為關(guān)鍵的器件。由于金屬波導(dǎo)的傳播特性，正交模耦合器的工作帶寬是整個(gè)射電天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)工作帶寬的瓶頸[1]，其帶寬決定了射電天文接收機(jī)的工作帶寬。傳統(tǒng)的金屬隔板極化器[2-4]和介質(zhì)插片極化器[5-6]不僅可以起到正交模耦合器的作用，還起到了極化轉(zhuǎn)化的作用，且具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易于設(shè)計(jì)和加工的優(yōu)點(diǎn)，但是其相對(duì)工作帶寬只有10%，當(dāng)相對(duì)帶寬超過15%時(shí)，性能會(huì)急劇惡化。四脊波導(dǎo)OMT的相對(duì)帶寬可以達(dá)到要求[7-8]，但是其工作頻率上限只能到10 GHz[9-10]。超寬帶正交模耦合器在追求更寬的工作頻率的同時(shí)還必須考慮回波損耗和正交隔離度。如果參數(shù)優(yōu)化不好，隨著相對(duì)帶寬的增加，性能會(huì)惡化得十分嚴(yán)重。

Turnstile結(jié)構(gòu)，其原理通過對(duì)稱結(jié)構(gòu)，抑制金屬波導(dǎo)高次模的傳播，從而擴(kuò)展正交模耦合器2個(gè)互相垂直的主模的工作帶寬。文獻(xiàn)[11]采用Turnstile結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正交模耦合器，相對(duì)帶寬36%，回波損耗優(yōu)于-19 dB，正交隔離度優(yōu)于-48 dB。文獻(xiàn)[12]基于Turnstile結(jié)構(gòu)的正交模耦合器，相對(duì)帶寬38%，回波損耗優(yōu)于-22 dB，正交隔離度優(yōu)于-45 dB。文獻(xiàn)[13]的正交模耦合器的工作頻率也在Q波段，其對(duì)Turnstile結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。在21%的相對(duì)帶寬內(nèi)，回波損耗優(yōu)于-28 dB，正交隔離度優(yōu)于-50 dB。由上述內(nèi)容可以看出，相對(duì)帶寬對(duì)正交模耦合器性能影響很大。隨著相對(duì)帶寬的增加，正交模耦合器的性能尤其是回波損耗會(huì)急劇惡化。本文設(shè)計(jì)采用Turnstile對(duì)稱結(jié)構(gòu)，具有良好的寬帶特性；結(jié)構(gòu)緊湊，輸入公共端口為圓波導(dǎo)，更易與圓波導(dǎo)波紋喇叭饋源連接；容易加工，沒有隔板、孔和螺釘?shù)群撩撞ǘ尾灰准庸さ牟考?/p>

1　OMT設(shè)計(jì)

Turnstile結(jié)構(gòu)OMT整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。Turnstile結(jié)構(gòu)OMT主要由4部分組成：Turnstile結(jié)構(gòu)、E面彎轉(zhuǎn)、Y型功率合成器和7節(jié)切比雪夫阻抗匹配器。

圖1　Turnstile結(jié)構(gòu)OMT

從反射面天線饋源接收的圓極化信號(hào)通過極化器變成2個(gè)互相垂直的線極化信號(hào)，進(jìn)入Turnstile結(jié)構(gòu)OMT。Turnstile結(jié)構(gòu)是高性能OMT設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，把2個(gè)互相垂直的線極化分離。分離后的線極化波功率相等，相位相差180°。通過E面彎轉(zhuǎn)和Y形功率合成器合成相位相差180°的線極化波。最后通過切比雪夫阻抗匹配器把Turnstile結(jié)構(gòu)OMT匹配到標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)。

因?yàn)檎w結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)較多，因此在建模時(shí)，先對(duì)4個(gè)部分分別建模，進(jìn)行優(yōu)化，最后再將4個(gè)部分合成一個(gè)完整的OMT進(jìn)行整體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以極大地提高設(shè)計(jì)效率，加快設(shè)計(jì)速度。

1.1Turnstile結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Turnstile結(jié)構(gòu)的輸入端連接在饋源的輸出端口，因?yàn)轲佋摧敵鍪菆A波導(dǎo)，因此Turnstile結(jié)構(gòu)輸入端采用的也是圓波導(dǎo)，以利于駐波的優(yōu)化。Turnstile結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。極化簡并的2個(gè)圓波導(dǎo)TE11主模，互相垂直，從饋源輸入。通過Turnstile結(jié)構(gòu)，每個(gè)主模分離成2個(gè)幅度相等、相位相差180°的線極化波到4個(gè)矩形波導(dǎo)臂，以矩形波導(dǎo)主模TE10傳播。

為了對(duì)圓形波導(dǎo)和4個(gè)矩形波導(dǎo)端口進(jìn)行匹配，減小反射損耗，在Turnstile結(jié)構(gòu)的中間會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)凸起結(jié)構(gòu)，對(duì)各個(gè)端口駐波進(jìn)行優(yōu)化。常用的有圓柱、金字塔、長方體、圓臺(tái)、梯形臺(tái)、長方體與梯形臺(tái)組合等等。本文設(shè)計(jì)對(duì)各種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真和比較，采用雙圓柱結(jié)構(gòu)。Turnstile結(jié)構(gòu)的反射損耗如圖2(b)所示。

圖2　Turnstile結(jié)構(gòu)

1.2E面彎轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)

E面彎轉(zhuǎn)是矩形波導(dǎo)在電場面也就是邊長較長的面的轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)。常用的E面彎轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示[14]。因設(shè)計(jì)的相對(duì)帶寬達(dá)到50%，在如此寬的帶寬內(nèi)要保證E面彎轉(zhuǎn)的回波損耗盡量低，設(shè)計(jì)中采用的是3階階梯型E面彎轉(zhuǎn)，如圖4(a)所示。為了加工方便，在一個(gè)E面的兩端加了半徑0.5 mm的圓形倒腳。E面彎轉(zhuǎn)的回波損耗如圖4(b)所示。

圖3　常用E面彎轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

1.3Y形功率合成器和切比雪夫阻抗匹配器設(shè)計(jì)

Turnstile結(jié)構(gòu)利用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展了正交模耦合器的工作帶寬，但是卻把饋源輸入信號(hào)分成了各自對(duì)稱的2份，且相位相差180°，因此還需要功率合成器進(jìn)行功率合成。功率合成器一般有Y型和T型2種結(jié)構(gòu)，通過對(duì)2種結(jié)構(gòu)的仿真對(duì)比，采用Y型功率合成器。為了保證在50%的相對(duì)帶寬能有好的駐波特性，Y型功率合成器沒有采用傳統(tǒng)的圓弧結(jié)構(gòu)，而是采用三線式結(jié)構(gòu)，如圖5所示(單位：mm)。原點(diǎn)是(0,0)，三線式結(jié)構(gòu)的3個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(-0.65,1.35)、(-1.55,2.25)和(2.9,2.85)。Y形功率合成器的兩臂之間連接也沒有采用傳統(tǒng)的沒有間隔的結(jié)構(gòu)，而是采用了長為0.1 mm的間隔。為了方便加工，三線結(jié)構(gòu)的3個(gè)端點(diǎn)分別采用半徑0.5 mm的倒角。

圖5　Y型功率合成器結(jié)構(gòu)

1.47節(jié)切比雪夫阻抗變換器

為了便于連接，需要把正交模耦合器的輸出匹配到標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)。波導(dǎo)橫截面上的不連續(xù)在毫米波段不能僅僅用阻抗變化來表示，因?yàn)樽杩棺儞Q器各段的高度變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生邊緣電容。它的存在會(huì)影響變換器的性能，要用修正各節(jié)的長度來抵消它的影響，最后的切比雪夫阻抗變換器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　切比雪夫阻抗變換器

2　仿真結(jié)果分析

對(duì)Turnstile結(jié)構(gòu)、E面彎轉(zhuǎn)、Y形功率合成器和7節(jié)切比雪夫阻抗匹配器分別優(yōu)化完后，再把4部分合成Turnstile結(jié)構(gòu)的OMT。OMT的回波損耗如圖7所示，在50%的相對(duì)帶寬下(30～50 GHz)，2個(gè)垂直的線極化波的回波損耗優(yōu)于-22 dB。

圖7　回波損耗

正交隔離度是2個(gè)互相垂直的線極化主模信號(hào)的隔離度。交叉極化是指正交模耦合器輸入的線極化信號(hào)，經(jīng)過不連續(xù)性后，會(huì)在與它垂直方向產(chǎn)生交叉極化分量。這2個(gè)指標(biāo)決定了圓極化器2個(gè)互相垂直的線極化信號(hào)互相干擾的程度。正交隔離度和交叉極化如圖8所示。正交隔離度優(yōu)于-46 dB，交叉極化優(yōu)于-42 dB。

圖8　交叉極化和正交隔離度

仿真結(jié)果表明，該正交模耦合器在總體上達(dá)到了較好的指標(biāo)，在50%的相對(duì)帶寬下，仍能保持較好的回波損耗和正交隔離度。

3　結(jié)束語

利用HFSS電磁仿真軟件，設(shè)計(jì)了7 mm波段的Turnstile結(jié)構(gòu)OMT。與BΦifot結(jié)構(gòu)OMT相比，Turnstile結(jié)構(gòu)OMT的公共端口為圓波導(dǎo)，通過圓波導(dǎo)過渡可以直接與饋源輸入口相連，而BΦifot結(jié)構(gòu)OMT公共端口為方波導(dǎo)，與饋源輸入端口相連還需要進(jìn)行方圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換。在毫米波段，多一個(gè)器件通過法蘭盤連接，都有可能在實(shí)際工程中造成駐波的惡化。在相對(duì)帶寬達(dá)到50%的情況下，依然保持良好的電磁性能，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，為QTT的OMT設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累。

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陳卯蒸男，(1975—)，正高級(jí)工程師。主要研究方向：射電天文技術(shù)。

寧云煒男，(1980—)，碩士，工程師。主要研究方向：微波毫米波電路系統(tǒng)。

Study of a Turnstile Ultra Wideband Waveguide Ortho-mode Transducer

CHEN Mao-zheng1,2,NING Yun-wei1,2,MA Jun1,2

(1.XinjiangObservatory,ChineseAcademyofSciences,UrumqiXinjiang830011,China)2.KeyLaboratoryofRadioAstronomy,ChineseAcademyofSciences,NanjingJiangsu210008,China)

Ortho-mode transducer (OMT) is a very important passive component in a reflector antenna feed system.The bandwidth of the ortho-mode transducer determines the bandwidth of the antenna and its performance directly affects the performance of the receiver.In order to meet the need of Q band (30～50 GHz) cryogenic receiver for Xinjiang Astronomical Observatory,the OMT based on Turnstile structure is described,which has public port based circular waveguide and two branch ports based on standard rectangular waveguide.The ortho-mode transducer is designed and optimized for the Q band (30～50 GHz) by electromagnetic simulation software HFSS.Simulation results indicate the return loss is better than -22 dB,the orthogonal isolation is better than -46 dB within 50% relative bandwidth.The study provides theoretical design basis for further research of millimeter wave broadband OMT.

ortho-mode transducer;ultra wideband;passive component

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.10.13

2016-06-25

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2015CB857100)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1431230)；“西部之光”后續(xù)支持項(xiàng)目(2015-HXZC-01)。

TN823.28

A

1003-3106(2016)10-0054-04

引用格式：陳卯蒸,寧云煒,馬軍.基于Turnstile結(jié)構(gòu)的超寬帶正交模耦合器研究[J].無線電工程,2016,46(10):54-57.