一種緊湊型Ku頻段正交模耦合器的設(shè)計(jì)

李東超 何紹林 劉玉龍

(中國(guó)電波傳播研究所,青島 266107)

引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,人們對(duì)頻譜資源的需求迅速增加,但頻譜資源有限,因此對(duì)頻譜的利用效率提出了較高的要求. 在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,為了提高通信系統(tǒng)的頻率效率和增加通信容量,通常利用雙極化特性來(lái)工作. 正交模耦合器(orthomode mransducer, OMT)能夠分離正交極化信號(hào),是天饋線系統(tǒng)的重要組成部分[1-2],因此,其性能的好壞直接決定著天饋線系統(tǒng)的整體水平. A.M.B?ifot根據(jù)設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性將OMT劃分為對(duì)稱形和非對(duì)稱形兩種結(jié)構(gòu)形式[3].

對(duì)稱形OMT多為寬帶設(shè)計(jì),其工作帶寬多為40%～70%[4-6],甚至有作者提出其帶寬能夠達(dá)到三倍頻[7]. 這種寬帶OMT通常是將常規(guī)波導(dǎo)的兩個(gè)對(duì)稱波導(dǎo)枝節(jié)進(jìn)行折疊,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì),兩對(duì)稱枝節(jié)能夠有效抑制高次模的產(chǎn)生,因此能夠較容易擴(kuò)展工作帶寬. 但是,這種設(shè)計(jì)亦存在明顯缺點(diǎn),即OMT的設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜,結(jié)構(gòu)尺寸更大.

非對(duì)稱形OMT是一種窄帶設(shè)計(jì), 工作帶寬僅為10%～20%. 這種窄帶OMT 兩個(gè)端口之間需要保持一定的距離,該距離能夠抑制高次模. 窄帶OMT的每個(gè)端口可分別用一個(gè)對(duì)稱平面來(lái)分析設(shè)計(jì).

上述對(duì)稱形OMT的工作帶寬取決于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,非對(duì)稱形OMT的設(shè)計(jì)取決于兩端口之間的距離,因此并不適用于雙頻段多饋電網(wǎng)絡(luò)的集成饋電系統(tǒng). 文獻(xiàn)[8-10]給出了幾種形式的緊湊型OMT,這些OMT雖然帶寬寬,但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,或者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但尺寸較大,均不適用于集成饋電系統(tǒng).

文中設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)極為緊湊、同時(shí)適用于復(fù)雜多饋電集成系統(tǒng)的OMT. 該設(shè)計(jì)基于雙極化方波導(dǎo),通過(guò)一系列階梯變換以及側(cè)壁縫隙耦合實(shí)現(xiàn)極化分離,兩個(gè)輸出端口分別對(duì)應(yīng)一個(gè)極化波,可以實(shí)現(xiàn)緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),同時(shí)具有良好的饋電性能.

1 緊湊型OMT的工作原理

緊湊型OMT更容易集成到天饋線系統(tǒng)中,它通常是由方波導(dǎo)或者圓波導(dǎo)接收雙極化信號(hào),經(jīng)過(guò)過(guò)濾分離再傳輸?shù)搅硗鈨蓚€(gè)端口. 設(shè)計(jì)這種結(jié)構(gòu)非常緊湊的OMT,首先要保證所有的端口都有對(duì)稱平面,從而保證正交極化信號(hào)的隔離度,其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 OMT工作原理圖Fig.1 The working principle of OMT

電磁波在波導(dǎo)中傳輸存在多種模式,以矩形波導(dǎo)為例,可能存在無(wú)窮多TEmn和TMmn模,一般情況下,認(rèn)為TE10模為主模,其他為高次模. 在設(shè)計(jì)中,矩形波導(dǎo)a>b的首要條件是保證僅傳輸TE10模,因此需要滿足關(guān)系[11-12]:

(1)

一般選擇a=0.7λ,b=(0.4～0.5)a.

本文設(shè)計(jì)的OMT工作頻率范圍為12.25～14.5 GHz,對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍24.5～20.7 mm,根據(jù)上述主模傳輸要求,a>12.25 mm. 不考慮損耗及傳輸功率,b的取值要結(jié)合所設(shè)計(jì)天線的尺寸要求確定.

根據(jù)波導(dǎo)尺寸a×b,以及傳輸頻率f0,可以計(jì)算波導(dǎo)波長(zhǎng),公式為

(2)

主模TE10模的波導(dǎo)波長(zhǎng)為

(3)

式中:λg為波導(dǎo)中導(dǎo)模的波導(dǎo)波長(zhǎng);λc為波導(dǎo)中導(dǎo)模的截止波長(zhǎng).

2 OMT的設(shè)計(jì)

OMT結(jié)構(gòu)如圖2所示,可以看出進(jìn)入OMT公共端口的電磁波將通過(guò)階梯變換以及縫隙耦合的形式分別傳輸?shù)蕉丝?和端口2.

圖2 緊湊型OMT結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of compact OMT

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

OMT設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)包括階梯變換段和側(cè)方耦合段兩部分,它們可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)正交極化波(TE10模和TE01模)的分離,其具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示.

(a) OMT前視圖及參數(shù)尺寸(a) The front view and the prameter size of OMT

(b) OMT側(cè)視圖及參數(shù)尺寸(b) The side view and the prameter size of OMT

(c) OMT定視圖及參數(shù)尺寸(c) The top view and the prameter size of OMT圖3 OMT在不同角度時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The schematic of OMT structure at different angles

從上述結(jié)構(gòu)圖形中可以看出階梯變換段實(shí)現(xiàn)了TE10模的匹配,在設(shè)計(jì)時(shí)采用多節(jié)四分之一波長(zhǎng)變換器的方法,即階梯段的初始長(zhǎng)度為λg/4.根據(jù)OMT的工作頻率范圍,在Ku波段一般選用BJ140波導(dǎo),因此方波導(dǎo)邊長(zhǎng)為a,取值15.8 mm,端口1和端口2直接選用BJ140波導(dǎo)內(nèi)壁尺寸,即截面尺寸為15.8 mm×7.9 mm. 綜合考慮工作頻帶以及駐波比等,階梯數(shù)取值定為3,各節(jié)的窄邊尺寸取值由15.8 mm漸變至7.9 mm.

端口2的耦合位置H、縫隙的尺寸等對(duì)回波損耗影響大,設(shè)定初值為H=3×W0/4,Lslot=3×a/4,Wslot=3×b3_2/4,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析優(yōu)化.

2.2 模型分析

緊湊型OMT設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要保證兩個(gè)端口的正交隔離,合適的階梯變換段和側(cè)方耦合段可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)正交極化波(TE10模和TE01模)的分離,采用有限元分析方法,利用Ansoft HFSS 15.0建立模型并進(jìn)行優(yōu)化后,得到的OMT具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

表1 OMT結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸Tab.1 OMT structure parameter size

采用表1中的結(jié)構(gòu)參數(shù),計(jì)算得到的OMT雙端口回波損耗、隔離度和插入損耗如圖4所示.

(a) 端口1的回波損耗 (b) 端口2的回波損耗(a) The return loss of port 1 (b) The return loss of port 2

(c) 端口1和2之間的隔離度 (d) 傳輸損耗 (c) Isolation of the two ports (d) Transmission loss of the two ports圖4 OMT雙端口回波損耗、隔離度以及傳輸損耗的計(jì)算結(jié)果Fig.4 Simulated return loss、isolution and transmission loss of the OMT

OMT不同參數(shù)的取值對(duì)兩個(gè)端口有不同的影響,根據(jù)分析計(jì)算,發(fā)現(xiàn)第二節(jié)階梯段W3、b2變化時(shí)對(duì)端口1的回波損耗影響較大,如圖5所示,Lslot、Wslot等參數(shù)變化時(shí)對(duì)端口2的回波損耗影響較大,如圖6所示.

(a) W3變化 (b) b2變化(a) W3 change curve (b) b2 change curve圖5 端口1的回波損耗變化曲線Fig.5 The return loss diagram of the port 1

(a) Lslot變化 (b) Wslot變化(a) Lslot change curve (b) Wslot change curve圖6 端口2的回波損耗變化曲線Fig.6 The return loss diagram of the port 2

由圖5、圖6得出如下結(jié)論:

1) 當(dāng)W3<6 mm、b2<10 mm時(shí),即第二節(jié)階梯段越長(zhǎng)、截面寬邊尺寸越大,端口1的回波損耗越小;當(dāng)W3和b2的取值大于臨界值時(shí),回波損耗逐漸增大;

2) 當(dāng)Lslot<13.55 mm、Wslot<4.6 mm時(shí),即側(cè)方縫隙截面的長(zhǎng)度寬度越大,端口2的回波損耗越小;當(dāng)Lslot和Wslot的取值大于臨界值時(shí),回波損耗逐漸增大;

根據(jù)上述分析,OMT的設(shè)計(jì)需要綜合考慮兩個(gè)端口的性能后確定各個(gè)參數(shù)的取值.

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及對(duì)比

在上述優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上按照表1的參數(shù)取值加工了樣機(jī),該樣機(jī)包含了OMT以及匹配過(guò)渡段(測(cè)試用),實(shí)物如圖7所示.

(a) 側(cè)視圖 (b) 頂視圖(a) Side view (b) Top view圖7 OMT加工實(shí)物圖Fig.7 Processing object of OMT

可以看出OMT的縱向長(zhǎng)度僅為36 mm,尺寸很小,結(jié)構(gòu)緊湊,能夠大大降低陣列天線的尺寸. 我們利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量了OMT的雙端口駐波、隔離度等參數(shù),如圖8所示.

圖8 OMT實(shí)測(cè)圖片F(xiàn)ig.8 The actual test picture of OMT

圖9、圖10分別給出了兩個(gè)端口駐波比(standing-wave ratio, SWR)以及隔離度的測(cè)試曲線.

(a) 端口1 (b) 端口2(a) Port 1 (b) Port 2圖9 OMT雙端口駐波的測(cè)試曲線Fig.9 Measured characteristics of draft OMT prototype of SWR at two ports

圖10 OMT雙端口隔離度的測(cè)試曲線Fig.10 Measured characteristics of draft OMT prototype of the 2-port segregation

可以看出在兩個(gè)頻段內(nèi)端口駐波均小于1.6,隔離度小于-50 dB,測(cè)試結(jié)果良好. 從上述結(jié)果可以看出,設(shè)計(jì)的OMT結(jié)構(gòu)最大尺寸僅為36 mm,較容易集成到天饋線系統(tǒng)中,器件的工作帶寬約為15%,且雙端口在工作頻帶內(nèi)實(shí)測(cè)駐波小于1.6,隔離度小于-50 dB,性能優(yōu)良.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)極為緊湊,同時(shí)適用于多饋電集成系統(tǒng)的OMT,該設(shè)計(jì)基于方波導(dǎo),通過(guò)一系列階梯變換和縫隙耦合實(shí)現(xiàn)了極化分離,兩個(gè)輸出端口均有一個(gè)對(duì)稱平面,分別對(duì)應(yīng)一種極化波. 設(shè)計(jì)的OMT縱向最大尺寸僅為工作波長(zhǎng)的1.6倍,且在15%的頻帶范圍內(nèi)具有優(yōu)良的性能,實(shí)測(cè)端口駐波小于1.6,隔離度小于-50 dB. 與文獻(xiàn)[8-9]相比,OMT的結(jié)構(gòu)尺寸縮小約10%. 本文設(shè)計(jì)的OMT大大降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,結(jié)構(gòu)極為緊湊、性能優(yōu)良,容易集成到天饋線系統(tǒng)中,在衛(wèi)星通信中有較好的應(yīng)用前景.