王 濤，張文靜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)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(dá)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(shè)備的要求，OMT的工作帶寬需要進(jìn)行擴(kuò)展并且使OMT在高頻時(shí)易于加工裝配。但隨著工作頻率的升高，加工裝配誤差對(duì)OMT的性能的不利影響愈加明顯。擴(kuò)展工作帶寬和降低加工裝配誤差對(duì)性能的不利影響成為寬帶OMT設(shè)計(jì)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(duì)性能的不利影響。最后利用HFSS進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

1 設(shè)計(jì)方案

按照工作頻帶范圍可以將OMT分為窄帶OMT和寬帶OMT。對(duì)于不同的OMT設(shè)計(jì)的重點(diǎn)有所不同，對(duì)于窄帶OMT，設(shè)計(jì)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(duì)于寬帶OMT，設(shè)計(jì)目的是在保證一定的性能指標(biāo)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(duì)稱負(fù)反饋，它們各具特點(diǎn)，如表1所示。

表1 各結(jié)構(gòu)寬帶OMT比較

OMT公共波導(dǎo)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(shè)計(jì)寬帶OMT的關(guān)鍵就是抑制公共波導(dǎo)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(duì)于水平極化和垂直極化都是對(duì)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(dá)40%以上(理論上可達(dá)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(shè)計(jì)

需要設(shè)計(jì)的寬帶正交模耦合器可以分成B?ifot接頭、方波導(dǎo)—標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)過渡段和Y形接頭3個(gè)部分。將各個(gè)部分分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后再將組件組合成一個(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，加速設(shè)計(jì)速度。

2.1 B?ifot接頭的設(shè)計(jì)

B?ifot接頭是整個(gè)OMT的核心部分，它是分離2個(gè)正交極化的關(guān)鍵部分。常規(guī)的B?ifot接頭包括位于2個(gè)側(cè)臂入口處的2對(duì)容性柱和位于直通臂中心的膜片。它們對(duì)兩極化的作用各不相同:對(duì)于垂直極化而言，直通臂中的膜片幾乎無影響，2對(duì)容性柱相當(dāng)于一個(gè)短路平面，目的在于防止垂直極化進(jìn)入側(cè)臂，從而提高隔離度。對(duì)于水平極化而言，由于容性柱尺寸較小，可認(rèn)為對(duì)其無影響，水平極化可以無損耗地通過，膜片的形狀對(duì)水平極化的回波損耗有重要的影響，可以通過精心設(shè)計(jì)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(zhǎng)，對(duì)水平極化傳輸?shù)囊种圃酵耆?，但這會(huì)導(dǎo)致垂直極化的回波損耗增加，因此也需要對(duì)膜片的長(zhǎng)度進(jìn)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(shè)計(jì)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(duì)OMT性能的不利影響，采用多級(jí)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(duì)于 B?ifot接頭，入口采用方波導(dǎo)，尺寸為7.112 mm×7.112 mm，水平極化出口尺寸為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)7.112 mm ×3.556 mm，垂直極化出口仍為方波導(dǎo)，取代容性柱的多級(jí)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(duì)膜片形狀、厚度和長(zhǎng)度以及每級(jí)階梯的大小和長(zhǎng)度進(jìn)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(gè)OMT的性能，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能降低兩極化的回波損耗。由圖2可知，在整個(gè)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(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.2 方波導(dǎo)—標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)過渡

對(duì)于水平極化和垂直極化而言，方波導(dǎo)—標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)過渡區(qū)域的設(shè)計(jì)十分重要。截面尺寸為a×b，內(nèi)填充空氣的矩形波導(dǎo)，阻抗計(jì)算公式為［5］:

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

為了實(shí)現(xiàn)寬帶工作，采用切比雪夫阻抗變換進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用上式計(jì)算出方波導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的波導(dǎo)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(jí)變換的阻抗值［6］，再由上式可以得到對(duì)應(yīng)阻抗值時(shí)的波導(dǎo)尺寸。每節(jié)過渡波導(dǎo)的長(zhǎng)度均選為λg/4，其中λg為中心頻率的波導(dǎo)波長(zhǎng)。

選擇方波導(dǎo)尺寸為 7.112 mm ×7.112 mm，標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)尺寸為7.112 mm ×3.556 mm，過渡階數(shù)選為3，中心頻率為33 GHz。可以計(jì)算處每節(jié)過渡波導(dǎo)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(dǎo)尺寸為2.95 mm。利用仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后結(jié)果如圖3所示。

方波導(dǎo)—標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)過渡段目的是將方波導(dǎo)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)輸出，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能降低它的回波損耗。由圖3可知，在整個(gè)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(shè)計(jì)

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(dǎo)和阻抗變換段組成。

彎波導(dǎo)的尺寸與B?ifot接頭的水平極化出口尺寸一致，彎波導(dǎo)的弧度可根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行適當(dāng)選取。為了降低加工過程中變形造成的誤差對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的影響和便于加工，可以采用倒角彎波導(dǎo)［7］。為降低倒角彎波導(dǎo)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，倒角的半徑也需要進(jìn)行合理選取。由兩路彎波導(dǎo)合成的波導(dǎo)再經(jīng)過阻抗變換段轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)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(dǎo)的尺寸選為7.112 mm×3.556 mm，利用上節(jié)的方波導(dǎo)—標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)過渡段，在HFSS中進(jìn)行建模并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以得到Y(jié)形接頭的回波損耗，如圖4所示。Y形波導(dǎo)設(shè)計(jì)要求與方波導(dǎo)—標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)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(gè)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(shè)計(jì)

根據(jù)上述的模塊設(shè)計(jì)，應(yīng)用HFSS設(shè)計(jì)了一個(gè)寬頻帶OMT［8］，要求能在整個(gè)Ka波段內(nèi)實(shí)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(dǎo)輸入，標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)輸出。輸入的兩極化通過B?ifot接頭進(jìn)行分離。分離出的2個(gè)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(dǎo)—標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)過渡段轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)輸出;分離出的2路水平極化利用Y形接頭進(jìn)行合成并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)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(gè)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(gè)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(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

該OMT結(jié)構(gòu)新穎，性能優(yōu)良，能有效地展寬帶寬。在設(shè)計(jì)時(shí)將OMT分成子模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行總體設(shè)計(jì)可以加快設(shè)計(jì)速度，提高設(shè)計(jì)效率。采用多級(jí)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(duì)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(yīng)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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