Q波段脊過渡正交模耦合器設(shè)計(jì)

陳卯蒸，馬 軍，覃 律，劉兆明，王 娜，王 凱

(1.中國科學(xué)院新疆天文臺 烏魯木齊 830011；2.中國科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210008；3.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 石景山區(qū) 100049；4.中國電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所 西安 710065)

射電天文學(xué)在宇宙學(xué)、星系演化、恒星物理、探索地外生命等研究領(lǐng)域中扮演著重要的角色，其中毫米波射電天文是研究恒星形成、星系形成乃至宇宙形成的重要研究領(lǐng)域。在3 mm波段，由于有分布非常廣泛的CO分子的最低轉(zhuǎn)動能級躍遷，國內(nèi)外已有大量的觀測研究，并且取得很大的成績，而7 mm波段的觀測相對較少。在7 mm波段也有大量的分子譜線，且包括很多重要的分子譜線，如HC3N(5-4)(45.49 GHz)、SiO(1-0)(43.42 GHz)、CS(1-0)(48.99 GHz)以及其同位素C34S(1-0)(48.21 GHz)和13CS(1-0)(46.25 GHz)、H2CO(48.28 GHz)、CH3OH(44.07 GHz)等[1-3]。這些譜線是分子云和恒星形成區(qū)物理、化學(xué)性質(zhì)的重要探針；如果具備足夠的靈敏度(如依托大口徑望遠(yuǎn)鏡)，還可以用這些分子譜線研究星系演化早期階段的物理和動力學(xué)性質(zhì)。發(fā)展7 mm(Q)波段觀測將顯著提高在分子譜線前沿研究領(lǐng)域的能力和水平[4-5]。

隨著射電望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)系統(tǒng)工作帶寬和工作頻率需求的不斷增加，為了滿足Q波段接收機(jī)的要求，需要對正交模耦合器(ortho-mode transducer, OMT)的工作帶寬進(jìn)行擴(kuò)展并且提高頻段OMT加工裝配程序[6-7]。由于工作頻率越高，加工裝配誤差對OMT的性能影響愈加明顯。本文設(shè)計(jì)了一款寬帶脊過渡正交模耦合器，該OMT工作覆蓋Ka和Q波段，結(jié)構(gòu)緊湊，性能優(yōu)異，降低了加工裝配誤差對電氣性能的影響，最后利用HFSS仿真軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并通過實(shí)物測試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

1 方案選擇

常規(guī)窄帶正交模耦合器的結(jié)構(gòu)一般為非對稱的T型結(jié)構(gòu)，工作帶寬主要受制于微波器件公共端口的橫截面形狀及對應(yīng)的主模與第一高次模截止頻率的相對關(guān)系。

圓波導(dǎo)的主模 TE11模的截止波長λc=3.41R(R為圓波導(dǎo)半徑)[8]，第一高次模TM01模的截止波長λc=2.62R。為保證最低工作頻點(diǎn)f0能夠在圓波導(dǎo)中傳輸，要求最低工作頻點(diǎn)f0≥1.05fc，圓波導(dǎo)的半徑至少應(yīng)該取R=1.05c/(3.412f0)(c為光傳播速度)，正交模耦合器主模高低頻點(diǎn)之比為(3.412/1.05/2.62):1=1.24:1，最大工作帶寬的百分比為21.4%。方波導(dǎo)的主模TE10模的截止波長λc=2a，(a為方波導(dǎo)邊長)，第一高次模 TM11/TE11模截止波長λc=1.414a。為保證最低工作頻點(diǎn)f0能夠在方波導(dǎo)中傳輸，要求最低工作頻點(diǎn)f0≥1.05fc，因此方波導(dǎo)半徑至少應(yīng)該取a=1.05c/2/f0，正交模耦合器主模高低頻點(diǎn)之比為(2/1.05/1.414):1=1.34:1，最大工作帶寬百分比為29.5%[9-10]。

常規(guī)采用對稱耦合孔技術(shù)的正交模耦合器，工作帶寬最寬可以達(dá)到33%。若要實(shí)現(xiàn)40%以上的工作帶寬，一般常見的結(jié)構(gòu)形式有雙脊過渡-分支合成OMT、雙脊過渡-同軸輸出型OMT、四臂合成型OMT、鰭線型OMT[11]、隔板-分支合成型(B?ifot型)OMT[12]、四脊OMT[13]等類型。其中雙脊過渡-同軸輸出型OMT、鰭線型OMT、四脊OMT均為同軸輸出端口，在Ka以上的波段制作加工以及裝配調(diào)試的難度比較大，無法實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。而四臂合成型OMT則結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，插入損耗比較大，不利于降低天饋系統(tǒng)噪聲溫度。隔板-分支合成型(B?ifot型)OMT結(jié)構(gòu)相對簡單，設(shè)計(jì)難度較低，更易于設(shè)計(jì)、加工和調(diào)配，但是側(cè)臂分支合成通道的駐波性能較差。雙脊過渡-分支合成OMT雖然設(shè)計(jì)難度比較大，但是兩個線極化通道的電氣性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也更加緊湊，是射電天文望遠(yuǎn)鏡天線饋源設(shè)計(jì)的最佳選擇方案。

本文設(shè)計(jì)的Q波段正交模耦合器用于射電天文望遠(yuǎn)鏡天線系統(tǒng)，工作頻率為30～50 GHz，工作帶寬百分比達(dá)到50%。為滿足設(shè)計(jì)要求，正交模耦合器最終采用雙脊過渡-分支合成結(jié)構(gòu)，公共端口為方形波導(dǎo)邊長5.4 mm×5.4 mm，輸出端口為BJ400標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)。該雙脊過渡-分支合成型正交模耦合器結(jié)構(gòu)緊湊，對于水平極化和垂直極化都是對稱的，可以抑制高次模的產(chǎn)生，理論上在小于1.8:1倍頻程內(nèi)有較好的駐波和隔離特性，其仿真模型如圖1所示。

圖1 雙脊過渡-分支合成型OMT

為了抑制方波導(dǎo)的高次模TE20模，同時保證主模傳輸，正交模耦合器方波導(dǎo)邊長取5.4 mm(TE20模的截止頻率為55.55 GHz，主模截止頻率為27.78 GHz)，正交模耦合器出口波導(dǎo)為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ400 (5.69 mm×2.845 mm)?？紤]到結(jié)構(gòu)小型化的要求，正交模耦合器采用了分支縱向合成輸出的結(jié)構(gòu)形式。

2 具體設(shè)計(jì)

雙脊過渡-分支合成型OMT可以分為雙脊過渡分支接頭、Y型接頭、E型彎頭3大部分，其中以雙脊過渡分支接頭、Y型接頭為核心部件，它們將決定整個OMT的性能。將3個部件優(yōu)化仿真后，再拼接組合成完整的OMT模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 雙脊過渡分支接頭設(shè)計(jì)

根據(jù)以往工程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，側(cè)臂波導(dǎo)窄邊的尺寸應(yīng)小于方波導(dǎo)邊長的一半，如此才能兼顧駐波和隔離性能，后口波導(dǎo)窄邊的尺寸約為方波導(dǎo)邊長的的1/3左右，脊厚度約為方波導(dǎo)邊長的0.12～0.16倍。直通道的雙脊過渡段按四分之一波長阻抗變換器原理設(shè)計(jì)，方波導(dǎo)根部雙脊的切角尺寸要求，同時還要兼顧直通道和側(cè)臂分支通道的駐波性能，最終與E型彎頭進(jìn)行融合設(shè)計(jì)。側(cè)臂分支通道的設(shè)計(jì)主要影響因素是方波導(dǎo)根部雙脊的切角尺寸，考慮到結(jié)構(gòu)的小型化，將接頭分支與E型彎頭融合設(shè)計(jì)并引入匹配釘和電感膜片，如圖2所示。

圖2 雙脊過渡分支接頭模型

雙脊過渡分支接頭方波導(dǎo)口徑為5.4 mm×5.4 mm，直通道出口波導(dǎo)口徑為BJ400標(biāo)準(zhǔn)，便于后續(xù)的裝配和調(diào)試。在設(shè)計(jì)中為保證加工的可實(shí)現(xiàn)性，接頭中雙脊過渡的厚度均取0.7 mm，減少了加工誤差參數(shù)。電氣設(shè)計(jì)過程中充分考慮了結(jié)構(gòu)器件加工的條件，對器件各個尺寸進(jìn)行合理的分配。經(jīng)過優(yōu)化，最終雙脊過渡分支接頭雙脊過渡采用3個臺階，直通道的反射損耗均小于?25.5 dB，側(cè)臂通道的反射損耗均小于?22.5 dB，如圖3所示。

圖3 雙脊過渡分支接頭反射損耗

2.2 Y型接頭設(shè)計(jì)

Y型接頭是將雙脊過渡分支接頭輸出的兩路水平極化信號合成一路信號的部件，由90°彎頭和阻抗變換段組成，如圖4所示。

彎頭的尺寸與雙脊過渡分支接頭分支口的尺寸一致，出口波導(dǎo)為BJ400標(biāo)準(zhǔn)尺寸。根據(jù)切比雪夫阻抗轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)原理，Y型接頭采用了4節(jié)阻抗轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)實(shí)際的加工工藝條件合理的選擇了倒角半徑。經(jīng)優(yōu)化，Y型接頭反射損耗均小于?25 dB，如圖5所示。

圖4 Y型接頭模型

圖5 Y型接頭反射損耗

2.3 E型彎頭

E型彎頭是連接雙脊過渡分支接頭和Y型接頭的部件，如圖6所示。

圖6 E型彎頭模型

E型彎頭仿真的反射損耗小于?37.7 dB，如圖7所示。

圖7 E型彎頭反射損耗

2.4 整體設(shè)計(jì)

在HFSS仿真軟件中將雙脊過渡-分支合成型OMT的3個部件組合成一個完整的模型，在頻率為30～50 GHz的頻帶內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真要求反射損耗小于?20 dB，極化隔離度大于50 dB。微調(diào)Y型接頭過渡段和E型彎頭倒角等參數(shù)，最終的優(yōu)化結(jié)果如圖8所示，其中直口回波損耗≤?24.7 dB，側(cè)口回波損耗≤?24.4 dB，直口-側(cè)口的隔離度?62 dB。

圖8 雙脊過渡-分支合成型OMT仿真結(jié)果

3 實(shí)測結(jié)果

雙脊過渡-分支合成型OMT經(jīng)實(shí)際加工后的實(shí)物如圖9所示。在實(shí)際測量中采用美國安利公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀MS4647B，使用5.4 mm×5.4 mm方波導(dǎo)到ф10圓波導(dǎo)的圓方過渡和ф10的圓負(fù)載。各項(xiàng)參數(shù)的測試結(jié)果如下：直口回波損耗S11≤?22.7 dB；側(cè)口回波損耗S11≤?21.0 dB；直口?側(cè)口隔離S12≤?45.6 dB，如圖10所示。

實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果相比，曲線的變化趨勢基本吻合。在HFSS軟件中，對圓弧類的面或物體(如圓柱體等)采用了正多邊形進(jìn)行擬合剖分，而仿真模型的橫截面比實(shí)際的尺寸小，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果存在偏差。實(shí)測回波損耗整體抬高，這是由于加工和裝配精度存在一定的偏差造成的，正交器匹配釘安裝誤差、整體使用螺釘固定等存在的誤差也會導(dǎo)致回波損耗增大。回波損耗結(jié)果波動較大，與測試時使用圓方過渡、負(fù)載引入的擾動及測試系統(tǒng)和定標(biāo)時使用的非穩(wěn)相同軸電纜和波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器有關(guān)。隔離度偏大與加工和裝配誤差相關(guān)。

圖9 雙脊過渡-分支合成型OMT實(shí)物圖

圖10 雙脊過渡-分支合成型OMT實(shí)測結(jié)果

4 結(jié)束語

本文采用雙脊過渡分支合成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種用于射電望遠(yuǎn)鏡天線系統(tǒng)的Q波段寬帶正交模耦合器。通過仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種比較可行的設(shè)計(jì)方案，并對實(shí)際加工的正交器進(jìn)行測試，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，可以滿足設(shè)備使用的要求。

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