一種C頻段雙頻OMT設(shè)計(jì)①

趙 鋒,張喬杉,劉 曦

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，對(duì)收、發(fā)天線提出更高的性能要求已成為趨勢(shì)。例如：收、發(fā)工作頻帶寬、在收、發(fā)工作頻帶內(nèi)要求低VSWR、高隔離度、高極化鑒別率等。雙極化天線的一個(gè)關(guān)鍵部件是正交模耦合器 (OMT)，用來實(shí)現(xiàn)極化分離。OMT有很多種類型，如何選用取決于下述要求：工作頻帶，隔離度和極化鑒別率。同時(shí)為了確保整副天線的極化鑒別率，就要確保OMT中高次模(TE11/TM11模)有一個(gè)較低的值，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮在OMT內(nèi)部采用對(duì)稱模對(duì)稱激勵(lì)OMT公共圓波導(dǎo)。因此在OMT激勵(lì)端口增加雙對(duì)稱T型結(jié)構(gòu)成為OMT設(shè)計(jì)的必須，使高次模TE11/TM11模的傳播常數(shù)的實(shí)部保持在一個(gè)較低的水平。

波導(dǎo)型OMT內(nèi)部沒有耦合縫隙和金屬材質(zhì)的調(diào)諧桿(OMT內(nèi)部的這些裝置將會(huì)大大增加OMT性能實(shí)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn))，因此，它的功率容量較大。這已通過了其它文獻(xiàn)[1,2]的證實(shí)。在工作頻段輸入600W功率，功率容量余量大于15dB。

文章介紹的OMT主要組成部分在結(jié)構(gòu)形式上具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，水平極化和垂直極化傳輸路徑是完全相同的。

波導(dǎo)型OMT在X向和Y向尺寸較小(Z向作為傳輸方向時(shí))，Z向尺寸也較小。便于加工。實(shí)際應(yīng)用中，OMT選材用鋁合金，加工工藝也是常規(guī)工藝(線切割、電火花刻蝕等)。

波導(dǎo)型OMT側(cè)壁的四個(gè)矩形波導(dǎo)端口兩兩平行，距離圓波導(dǎo)對(duì)稱中心一致。公共圓波導(dǎo)口與收發(fā)信號(hào)的饋源喇叭的饋電圓波導(dǎo)可以直接對(duì)接。

波導(dǎo)型OMT本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，結(jié)構(gòu)形式上為一圓形波導(dǎo)，在波導(dǎo)圓對(duì)稱中心有一用于調(diào)諧的探針。顯而易見，這樣的組成形式包絡(luò)尺寸是比較小的。此外，如前所述，由于OMT圓波導(dǎo)接口為圓波導(dǎo)口，這樣就可以與饋源喇叭直接對(duì)接，整個(gè)饋源體積小、插入損耗小、回波損小。

由于具有插入損耗低，功率容量高，結(jié)構(gòu)緊湊，包絡(luò)尺寸小等特點(diǎn)，本文中介紹的波導(dǎo)型OMT對(duì)于諸如空間通信、星地間通信等遠(yuǎn)程通信任務(wù)以及其它應(yīng)用領(lǐng)域中有很重要的意義。

本文所介紹的OMT設(shè)計(jì)工作很好地證實(shí)了這種新型OMT的設(shè)計(jì)理念，對(duì)這種類型的OMT的技術(shù)特點(diǎn)給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)結(jié)果并通過了實(shí)際的測(cè)試證明的設(shè)計(jì)的正確性。

1 理論

1.1 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)

正交模耦合器是極化雙工器，用來將工作頻段范圍內(nèi)的一路輸入微波信號(hào)分解為兩路正交的輸出微波信號(hào)。本文介紹了一種應(yīng)用于通信天線的雙線極化OMT，收、發(fā)頻率范圍3.4 GHz～6.7 GHz。

波導(dǎo)型OMT核心部分為一旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其原理圖如圖1所示,波導(dǎo)型OMT有一個(gè)公共的圓波導(dǎo)端口，該端口與饋源的輻射部分(例如：喇叭)連接。OMT將從饋源的輻射部分接收到的射頻信號(hào)分解到相互垂直的矩形波導(dǎo)中去，然后通過波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)對(duì)相對(duì)立兩矩形波導(dǎo)進(jìn)行合成。

圖1 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Turnstile junction

實(shí)踐證明，該類型OMT工作頻段較寬，功率容量較大。按照參考文獻(xiàn)[3]，該類型OMT本身有縱向尺寸小的優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上有四個(gè)矩形輸出端口，需要波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)對(duì)四個(gè)矩形輸出端口進(jìn)行合成，生成需要的兩個(gè)正交的模式，這樣整個(gè)OMT的橫向尺寸較大(X向和Y向)，對(duì)于實(shí)際的工程應(yīng)用，增加了加工制造的難度。此外，波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)也會(huì)增加整個(gè)OMT的插入損耗。

1.2 頻率雙工器

OMT后面連接兩個(gè)完全相同的頻率雙工器。頻率雙工器主要組成：一個(gè)非對(duì)稱的E面“Y”型結(jié)構(gòu)[4]、一個(gè)低通波紋波導(dǎo)濾波器和一個(gè)高通濾波器。E面“Y”型結(jié)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)頻率分配，低通波紋波導(dǎo)濾波器和高通濾波器的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了高隔離度的性能。低通波紋波導(dǎo)濾波器端口為整個(gè)饋源的發(fā)射端口，高通濾波器端口為整個(gè)饋源的接收端口。設(shè)計(jì)分兩步進(jìn)行：首先，優(yōu)化頻率雙工器每一個(gè)部件。其次，頻率雙工器每一個(gè)部件優(yōu)化完成后，將各部分組合成整體進(jìn)行分析，包括部件所有的不連續(xù)性、高次模影響，從而對(duì)頻率雙工器整體進(jìn)行優(yōu)化。在本文后續(xù)給出了頻率雙工器整體仿真計(jì)算結(jié)果，從仿真計(jì)算結(jié)果看，頻率雙工器整體仿真計(jì)算結(jié)果優(yōu)良，饋源組件實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，仿真計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果相吻合。在饋源組件工作頻段范圍內(nèi)，插損測(cè)試結(jié)果低于0.2dB。

2 設(shè)計(jì)

OMT工作頻率如下：

·發(fā)射頻段(TX):3.4～3.72GHz

·接收頻段(RX):6.3～6.7GHz

相比于見諸文字的技術(shù)文獻(xiàn)，上述工作頻率對(duì)于本設(shè)計(jì)OMT中的頻率雙工器來說，發(fā)射頻段與接收頻段跨度較大。考慮發(fā)射頻段傳輸和接收頻段的高次模抑制，仔細(xì)選擇了頻率雙工器的公共波導(dǎo)口。

·插入損耗:<-0.2dB

為滿足低損耗的技術(shù)指標(biāo)，頻率雙工器中的低通濾波器選擇波紋波導(dǎo)低通濾波器方案。這種低通濾波器損耗低。

·隔離度:>45dB

·回波損耗：<-26.4dB

在如此寬的工作頻段提出的上述回波損耗指標(biāo)，要求還是比較高的。因此在方案選擇階段，對(duì)頻率雙工器中的三端口結(jié)構(gòu)作了仔細(xì)考慮。在本設(shè)計(jì)中，三端口結(jié)構(gòu)方案為E面二分支結(jié)構(gòu)(“Y”型結(jié)構(gòu))，并對(duì)該結(jié)構(gòu)的三個(gè)端口進(jìn)行了充分考慮，既要與高、低通濾波器接口匹配，又要使本身的性能優(yōu)良，方案選擇上選用高度變換的波導(dǎo)阻抗變換結(jié)構(gòu)形式。

·無源互調(diào):<-145dBm

為避免或減小無源互調(diào)，設(shè)計(jì)時(shí)頻率雙工器結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)為一體。為便于加工制造，頻率雙工器以波導(dǎo)寬邊對(duì)稱面分成完全對(duì)稱的兩部分。

OMT采用一種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu), 參考文獻(xiàn)[4-8]，剖視圖如圖2。圓波導(dǎo)中設(shè)計(jì)了4個(gè)截面為矩形的脊，以展寬工作帶寬。脊均布在圓波導(dǎo)內(nèi)表面。圓波導(dǎo)中心為調(diào)諧圓柱結(jié)構(gòu)，圓波導(dǎo)底部為對(duì)稱的4個(gè)矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

圖2 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)剖視圖Fig.2 Internal view of the turnstile junction

圖2中，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)圓波導(dǎo)口直徑為53.4mm，與饋源中的光壁賦型喇叭對(duì)接，光壁賦型喇叭饋電圓波導(dǎo)口直徑也為53.4mm。該圓波導(dǎo)口徑的選擇主要考慮在工作最低頻點(diǎn)(3.4GHz)圓波導(dǎo)中兩個(gè)極化簡(jiǎn)并基模(TE11)(定義為Pol 1和Pol 2)可以獨(dú)立地傳播。圓波導(dǎo)截止波長λc=1.706D，波長大于該截止波長的微波都可以在其中傳輸。兩個(gè)極化簡(jiǎn)并基模(TE11)中的其中一個(gè)基模與一對(duì)矩形波導(dǎo)1a和1b(截面參數(shù)44.55 mm×11.9 mm)相對(duì)應(yīng)，但是與另外一對(duì)矩形波導(dǎo)2a和2b正交。同理，兩個(gè)極化簡(jiǎn)并基模(TE11)中的另一個(gè)基模與一對(duì)矩形波導(dǎo)2a和2b(截面參數(shù)44.55 mm×11.9 mm)相對(duì)應(yīng)，但是與另外一對(duì)矩形波導(dǎo)1a和1b正交。

為展寬工作帶寬，設(shè)計(jì)時(shí)，在矩形波導(dǎo)兩寬邊的其中一面增加了脊。脊的橫截面參數(shù)為：12.5mm×1.8 mm，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)四個(gè)矩波導(dǎo)中脊的結(jié)構(gòu)形式完全相同。

圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)除了產(chǎn)生并傳輸基模(TE11)外，同時(shí)也會(huì)在工作頻段的高頻段產(chǎn)生高次模。按照理論計(jì)算，圓波導(dǎo)中，TM01模的截止波長為λc=1.306D；TE21模的截止波長為λc=1.028D。理論上，這些模式可以通過該旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)中的矩形臂引起的不連續(xù)而產(chǎn)生，但是，這種不連續(xù)可以通過合理選擇參數(shù)而避免，例如，本設(shè)計(jì)方案中，采用了四個(gè)完全相同的、相對(duì)于圓中心對(duì)稱的矩波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以很好地抑制高頻段的高次模。

與公共圓波導(dǎo)底部連接在一起的金屬材質(zhì)調(diào)諧柱沒有破壞圓波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，增加該金屬材質(zhì)調(diào)諧柱展寬了整個(gè)OMT的工作頻段，同時(shí)獲得了更好的反射損耗性能。該金屬材質(zhì)調(diào)諧柱結(jié)構(gòu)形式上為4節(jié)圓柱變換段，其直徑和高度參數(shù)為：￠1=30.8mm,l1=7.15 mm, ￠2=13.2mm,l2=14.15 mm, ￠3=5.1mm,l3=24.6 mm, ￠4=2.4mm,l4=25.8 mm。各節(jié)圓柱變換段同軸且與公共圓波導(dǎo)同軸。最大直徑圓柱變換段與公共圓波導(dǎo)底部的矩形波導(dǎo)的脊(橫截面參數(shù)12.5mm×1.8 mm)連接。在制造方面，圓柱變換段可以與矩形波導(dǎo)的脊一體加工。運(yùn)用基于有限元分析方法的商用高頻仿真軟件HFSS對(duì)該結(jié)構(gòu)的電磁性能進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真計(jì)算時(shí)，OMT四個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的加脊的矩形波導(dǎo)口最為理想匹配端口，公共圓波導(dǎo)端口兩個(gè)極化簡(jiǎn)并基模(TE11)回波損耗仿真計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖4可以看出，在整個(gè)工作頻段3.5GHz～6.55GHz(包含發(fā)射頻段和接收頻段)內(nèi)，回波損耗優(yōu)于-26dB。

圖3 OMT的VSWR設(shè)計(jì)結(jié)果Fig.3 The VSWR of the OMT

圖4 “Y”型結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.4 Internal view of the E-plane Y-junction

選擇E面“T”功分器給OMT對(duì)立的兩端口饋電，該結(jié)構(gòu)形式在文獻(xiàn)[4]中有詳細(xì)敘述。通過優(yōu)化，最終確定了“T”功分器結(jié)構(gòu)參數(shù)。實(shí)踐證明，該結(jié)構(gòu)形式易于實(shí)現(xiàn)，且對(duì)于機(jī)加的要求較低。

一對(duì)180°E面彎波導(dǎo)將"T"型結(jié)構(gòu)對(duì)稱輸出口與“Y”型結(jié)構(gòu)輸入口連接。通過高頻仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真計(jì)算，在工作頻段內(nèi)，回波損耗優(yōu)于-32dB。

整個(gè)頻率雙工器由三部分組成，非對(duì)稱E面功分器、低通波紋濾波器和高通濾波器。圖5給出了雙工器剖面圖。非對(duì)稱E面功分器兩個(gè)阻抗變換段端口分別與低通波紋濾波器和高通濾波器相連。

為避免無源互調(diào)產(chǎn)物，頻率雙工器在制造方面做了如下處理：頻率雙工器中的高、低通濾波器設(shè)計(jì)為一體，按照頻率雙工器的對(duì)稱面分成完全對(duì)稱的兩部分，如圖5。對(duì)稱兩部分連接面采用橋式法蘭以增加壓強(qiáng)。

圖5 頻率雙工器剖面圖Fig.5 Internal view of the diplexer

圖6給出了C頻段饋源頻率雙工器公共端口VSWR設(shè)計(jì)結(jié)果。按最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，在發(fā)射頻段和接收頻段，VSWR設(shè)計(jì)結(jié)果都優(yōu)于1.2。

圖6 頻率雙工器VSWR設(shè)計(jì)結(jié)果Fig.6 The VSWR of the diplexer

圖7給出了C頻段饋源整體三維模型圖，整套饋源選用鋁材制造。

圖7 C頻段饋源模型圖Fig.7 view of the C feed

圖8給出了C頻段饋源VSWR設(shè)計(jì)與測(cè)試結(jié)果比對(duì)曲線，從圖中可以看出，發(fā)射頻段、接收頻段VSWR設(shè)計(jì)與測(cè)試結(jié)果一致，發(fā)射頻段VSWR優(yōu)于1.3；接收頻段VSWR優(yōu)于1.25。

圖8(a) C頻段饋源VSWR設(shè)計(jì)與測(cè)試結(jié)果(Tx)Fig.8(a) VSWR of the feed(Tx)

圖8(b) C頻段饋源VSWR設(shè)計(jì)與測(cè)試結(jié)果(Rx)Fig.8(b) VSWR of the feed(Rx)

圖9給出了發(fā)射頻段和接收頻段隔離度設(shè)計(jì)結(jié)果與測(cè)試結(jié)果比對(duì)曲線。C頻段饋源發(fā)射頻段隔離度實(shí)測(cè)結(jié)果優(yōu)于-55dB；接收頻段隔離度實(shí)測(cè)結(jié)果優(yōu)于-60dB。

發(fā)射頻段 接收頻段圖9 C頻段饋源隔離度設(shè)計(jì)與測(cè)試結(jié)果Fig.9 Isolation of the feed

4 總結(jié)

本文給出了一種雙頻正交模耦合器的設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果滿足通信系統(tǒng)提出的技術(shù)要求，測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果吻合。