K頻段寬帶正交器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘇麗

【摘要】 文章介紹了一種K頻段寬帶正交器（OMT）的設(shè)計(jì)過(guò)程與實(shí)現(xiàn)方法。與傳統(tǒng)正交器相比它實(shí)現(xiàn)K全頻帶（18GHz- 6.5GHz）內(nèi)具有良好的駐波隔離特性。先詳細(xì)描述了此OMT的設(shè)計(jì)仿真過(guò)程，介紹了幾種不同加工工藝的加工結(jié)果比較，對(duì)影響電氣性能的敏感參數(shù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的、重點(diǎn)部位的加工，最后也對(duì)目前的設(shè)計(jì)加工狀態(tài)提出新的研究方向。

【關(guān)鍵詞】 K頻段 極化器 電鑄

正交模耦合器（ortho-mode transducer）以下簡(jiǎn)稱OMT，是一種常用的微波元器件。在衛(wèi)星天線的部件設(shè)計(jì)中，由于空間資源有限，又受天線小型化的影響，對(duì)天線網(wǎng)絡(luò)整體體積的要求越來(lái)越苛刻，同時(shí)要求展寬微波器件的帶寬，即要求微波器具有較小巧的體積以及較寬的頻帶覆蓋率。單個(gè)微波元器件的體積受所在頻帶的制約，可以改進(jìn)的空間有限，在現(xiàn)有體積的基礎(chǔ)上拓展帶寬就給我們帶來(lái)新的研究方向。

傳統(tǒng)的OMT帶寬一般≤20%，這里我們?cè)O(shè)計(jì)生產(chǎn)的這種寬帶OMT，覆蓋18GHz-26.5GHz整個(gè)K頻段，帶寬達(dá)到38.2%。具有較高的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

一、OMT工作原理

OMT是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同極化信道同時(shí)傳輸信號(hào)的微波器件。這兩個(gè)信道具有較高的極化隔離特性。OMT一般表現(xiàn)為三個(gè)物理接口，但在電氣上它是一個(gè)四端口器件。公共端口與饋電喇叭連接，其端口可以是方波導(dǎo)也可以是圓波導(dǎo)，它提供兩個(gè)電氣端口，分別分配給兩個(gè)獨(dú)立的正交模式，其余兩個(gè)端口為標(biāo)準(zhǔn)方波導(dǎo)（或同軸）出口，只傳輸一種模式，即各自的基模。

OMT在工作的時(shí)候，由公共端口激勵(lì)出互相垂直的電磁波，形成正交極化波，分別傳輸?shù)较鄳?yīng)的標(biāo)準(zhǔn)矩形口（或同軸口），信號(hào)也可以反向傳輸。所以正交模耦合器對(duì)于兩個(gè)正交極化波來(lái)說(shuō)，是一個(gè)分離或者混合的器件。

傳統(tǒng)的正交模耦合器帶寬有限，這里為了拓展帶寬，先用分波頭分為四路，然后對(duì)稱的兩路再用階梯過(guò)渡進(jìn)行合成，能夠保證在一個(gè)很寬的頻帶取得良好的性能。其仿真模型如圖1所示。

2.2 OMT-階梯合成的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

正交模耦合器只需要兩路正交的波導(dǎo)出口，經(jīng)過(guò)分波頭的信號(hào)被分成四路，因此我們還需要將對(duì)稱的兩路合成。對(duì)于合成這塊，如果對(duì)尺寸沒有嚴(yán)格的要求，可以直接過(guò)渡，但一般情況下，都要求越小越好。這里我們采用切比雪夫階梯阻抗匹配變換器進(jìn)行合成，由兩路正交的標(biāo)準(zhǔn)BJ220口輸出。通過(guò)對(duì)比，采用階梯合成比直接過(guò)渡輸出長(zhǎng)度上要短一半左右，其仿真模型如圖3所示。

根據(jù)切比雪夫階梯阻抗匹配變換器的設(shè)計(jì)原理，通過(guò)計(jì)算得到最初的階梯尺寸，再經(jīng)過(guò)CST優(yōu)化得到如圖3所示的具有較好電器性能的階梯過(guò)渡。

三、OMT敏感參數(shù)分析

所謂敏感參數(shù)就是對(duì)整體器件電氣性能具有較靈敏感應(yīng)的參數(shù)。敏感參數(shù)有少許變化將引起某些電氣性能較大變化。目前國(guó)內(nèi)精密加工業(yè)還不是很發(fā)達(dá)，有些誤差范圍還不能實(shí)現(xiàn)。這就要求對(duì)器件的敏感參數(shù)進(jìn)行分析，確認(rèn)敏感參數(shù)最大在什么范圍內(nèi)引起的電氣性能是允許的，屆時(shí)給出適合的尺寸誤差范圍，也可對(duì)加工制作過(guò)程做些監(jiān)督工作。

這里的寬帶OMT敏感參數(shù)有兩部分。第一部分是分波頭底部的兩個(gè)圓柱形臺(tái)階。它們的高度和直徑對(duì)器件整體駐波及隔離影響很敏感，有時(shí)候0.02mm的誤差就可能引起隔離5dB的變化。第二部分是切比雪夫階梯合成的尖端部分。這兩部分都是此器件加工的重點(diǎn)和難點(diǎn)部分，在加工過(guò)程中也遇到許多問(wèn)題，將在下面著重介紹。

四、OMT的加工與制造

一個(gè)器件能否成功，光實(shí)現(xiàn)理論設(shè)計(jì)顯然是不行的。能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)化程實(shí)物，并且滿足設(shè)計(jì)要求才是最終結(jié)果。在毫米波波段，實(shí)際器件的物理尺寸非常小，因此在OMT的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅考慮它要具備良好的電氣性能，還應(yīng)該易于加工制作。此次的OMT在加工制作上也是經(jīng)過(guò)幾次的嘗試。大體上分為三種。一種是將其制作成四個(gè)大方塊的方式進(jìn)行拼接。另一種是銑床銑出來(lái)，最后一種是做出內(nèi)腔芯子，電鑄。四塊拼接方式內(nèi)腔尺寸好控制，難在拼接的定位精度，每次拆開在裝上就有比較大的差別；銑出來(lái)的方式難在對(duì)不能銑的部分的焊接及不同部分之間焊接的方。電鑄在理論上來(lái)說(shuō)應(yīng)該是最完美的選擇，實(shí)際不然，因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，彎角和階梯比較多，有些地方鍍不上，且檢測(cè)不方便，造成實(shí)際測(cè)試結(jié)果最差。

為了便于加工，仿真模型也做過(guò)適當(dāng)修整。比如將階梯過(guò)渡最上面中間的尖峰過(guò)渡改成現(xiàn)在的便于加工的階梯狀過(guò)渡。分波頭由原來(lái)的兩路都是E面彎合成改成一路E面一路H面等地方。上面所說(shuō)的各種情況，我們都先后找過(guò)不同的廠家加工，目前成都某單位采用銑床加工的是最好的一個(gè)，其成品如圖4所示。

五、OMT的測(cè)試與分析

上面分別介紹了OMT兩個(gè)關(guān)鍵部件的仿真計(jì)算，一般來(lái)說(shuō)，部件優(yōu)化到最優(yōu)狀態(tài)，連接到一起就未必還是最優(yōu)，這里我們還需要將連接起來(lái)的整體OMT進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到如下仿真和實(shí)測(cè)的兩個(gè)端口的駐波曲線。

六、結(jié)束語(yǔ)

文章介紹了一種新型的能夠覆蓋整個(gè)K頻段的寬帶正交模耦合器。介紹了設(shè)計(jì)背景以及應(yīng)用價(jià)值。從其工作原理出發(fā)，分別詳細(xì)的介紹了兩個(gè)關(guān)鍵部件的計(jì)算及優(yōu)化過(guò)程，又分析了其敏感參數(shù)的特性，描述了本OMT的敏感參數(shù)性能，為其加工制造提供參考。最后對(duì)此種正交模耦合器進(jìn)行驗(yàn)證，給出兩個(gè)端口的仿真及計(jì)算結(jié)果。雖然目前的器件勉強(qiáng)能夠滿足項(xiàng)目要求，但其與設(shè)計(jì)仿真結(jié)果還有一定的差距，下一步我們將進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型，研究工藝過(guò)程，爭(zhēng)取得到最接近仿真結(jié)果的理想微波器件。

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