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，被廣泛使用在衛星通信、雷達系統和射電天文中。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設計的主要內容。介紹了一種寬帶正交模耦合器，該OMT工作在Ka波段，結構緊湊，性能優異，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%)內追求高性能(低電壓駐波系數，高隔離)和低生產成本;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構眾多，常見的如鰭線、四脊、十字轉門、B?ifot、雙脊和對稱負反饋，它們各具特點，如表1所示。

表1 各結構寬帶OMT比較

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

B?ifot型 OMT由 A.M.B?ifot等人在 1990年提出［2］，結構緊湊，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生?？梢栽谳^寬的頻帶內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%)，其結構如示意圖1所示。

圖1 正交模耦合器結構

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化設計，最后再將組件組合成一個完整的OMT進行整體的優化設計，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個正交極化的關鍵部分。常規的B?ifot接頭包括位于2個側臂入口處的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，對水平極化傳輸的抑制越完全，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，水平極化回波損耗越小隔離越好，因而B?ifot結構OMT設計的關鍵是提高水平極化的駐波性能。

隨著頻率的升高，常規的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 B?ifot型 OMT兩側臂入口處的容性柱［3，4］，如圖1 所示，可以獲得與常規 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化得到結果如圖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，水平極化回波損耗低于-20 dB，在絕大部分頻帶內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—標準波導過渡區域的設計十分重要。截面尺寸為a×b，內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;λ表示空氣中電磁波波長。

為了實現寬帶工作，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，根據切比雪夫阻抗變換關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，過渡階數選為3，中心頻率為33 GHz?？梢杂嬎闾幟抗澾^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。每節過渡波導尺寸為2.95 mm。利用仿真軟件進行優化設計后結果如圖3所示。

方波導—標準波導過渡段目的是將方波導轉換成標準波導輸出，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，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結構尺寸進行適當選取。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過阻抗變換段轉化為標準波導出口，阻抗變換原理與上述相同，不再贅述。

根據上述分析，彎波導的尺寸選為7.112 mm×3.556 mm，利用上節的方波導—標準波導過渡段，在HFSS中進行建模并進行優化設計可以得到Y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，回波損耗優于-25 dB，滿足使用要求。

圖4 Y形接頭仿真結果

3 OMT的仿真設計

根據上述的模塊設計，應用HFSS設計了一個寬頻帶OMT［8］，要求能在整個Ka波段內實現水平極化和垂直極化回波損耗均優于-20 dB，端口隔離度優于-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，水平和垂直極化的回波損耗均優于-20 dB，并且兩端口間隔離度優于-50 dB，達到了設計的目標。

4 結束語

該OMT結構新穎，性能優良，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，回波損耗優于-20 dB，端口間隔離度優于-50 dB。該結構可應用于常規B?ifot型OMT無法使用的W波段乃至更高波段。 ■

［1］UHER J，BORNEMANN J，ROSENBERG U.Waveguide Components For Antenna Feed Systems:Theory and CAD［M］.Boston:Artech House，1993:377-410.

［2］B?IFOT A M，LIER E，SCHAUG-PETTERSEN T.Simple and Broadband Orthomode Transducer［J］.IEE，Proceedings，1990，137(6):396-400.

［3］NARAYANAN G，ERICKSON N R. A NovelFull Waveguide Band Orthomode Transducer［C］∥ Proceedings of the 13th International Symposium on Space Terahertz Technology，Cambridge，MA，USA，2002:505-514.

［4］NAVARRINI A，CARTER M.Design of a Dual Polarization SIS Sideband Separating Receiver based on waveguide OMT for the 275-370 GHz frequency band［C］∥14th International Symposium on Space Terahertz Technology，Tuscon，AZ，USA，2003:159-168.

［5］顧繼慧.微波技術［M］.北京:科學出版社，2007:153-155.

［6］POZAR D M.Microwave Engineering(Third Edition)［M］.張肇儀，周樂柱，譯.北京:電子工業出版社，2006:216-217.

［7］王 壘，楊國棟，耿丹陽，等.C波段寬帶OMT設計分析［J］.無線電工程，2011，41(8):38-40.

［8］謝擁軍，劉 瑩，李 磊，等.HFSS原理與工程應用［M］.北京:科學出版社，2009.