C波段寬帶OMT設(shè)計分析

王 壘,楊國棟,耿丹陽,張志華

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081;2.中國交通通信信息中心,北京100011)

0 引言

OMT也稱為雙模變換器或正交模轉(zhuǎn)換器,廣泛應(yīng)用于微波天線、電子對抗和微波測量儀表之中,其主要功能是在天線饋電中實現(xiàn)正交極化的雙工傳輸(分離與合成),是天線系統(tǒng)中的關(guān)鍵部位,其性能的好壞直接影響整個系統(tǒng)的性能。近年來,微波無源器件在帶寬不斷增加的同時,還要保證低電壓駐波比、低損耗和高端口隔離度。為了適應(yīng)現(xiàn)代天線設(shè)備的需求,出現(xiàn)越來越多新型的正交模轉(zhuǎn)換器。介紹了一種結(jié)構(gòu)新穎的正交模轉(zhuǎn)換器的設(shè)計,用HFSS進行仿真,并且在C波段進行了驗證。

1 總體設(shè)計方案

正交模轉(zhuǎn)換器為圓波導(dǎo)口輸入,2個標準矩形波導(dǎo)輸出,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入極化波通過分波頭進入到兩路對稱的彎波導(dǎo)中,再經(jīng)由兩個Y連接器分別進行合成,從而實現(xiàn)了兩路正交信號的輸出。

圖1 正交模轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖

常規(guī)OMT主要有圓波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)和方波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)2種。前者只能在15%左右的相對帶寬內(nèi)表現(xiàn)出良好的性能,當相對帶寬變寬后駐波、隔離等性能急劇下降,已經(jīng)不能滿足工程的需求。方波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)可以采用單短路片或者多個短路片形式,只是有限地擴展了帶寬。

與上述正交模轉(zhuǎn)換器相比,四路分波的結(jié)構(gòu)能夠更有效的展寬頻帶,并且很容易在40%及以上的相對帶寬內(nèi)得到優(yōu)良的駐波和隔離特性。

2 關(guān)鍵技術(shù)

寬頻帶正交模耦合器主要由分波頭、Y型連接器2個部分組成。這2個部件的設(shè)計與實現(xiàn)是這種結(jié)構(gòu)的OMT的關(guān)鍵。

2.1 分波頭設(shè)計

分波頭是由一段圓波導(dǎo)、四路矩形波導(dǎo)出口和位于中心的匹配臺階組成。為了保證主模TE11模式的傳輸,并且抑制其他高次模的產(chǎn)生,圓波導(dǎo)的口徑R選取一般滿足:

式中,λmax為最低頻率的波長;λmin為最高頻率的波長。

匹配臺的選擇也是分波頭設(shè)計的關(guān)鍵,它直接影響到分波頭的駐波與對應(yīng)兩路間的端口隔離特性。匹配臺可以有多種形狀,例如圓柱狀、圓錐狀,也可以是正方體臺階,也可以是它們的組合形式,但它必須是完全對稱結(jié)構(gòu),這樣才能保證四路波導(dǎo)出口的一致性。為了在寬頻帶內(nèi)達到良好的匹配特性,匹配臺選擇2級圓柱臺或者圓臺與正方形臺的組合。匹配臺可以焊接在分波頭上,這時對加工精度的要求就很嚴格了,細小的偏差對駐波,特別是端口隔離都有很大的影響。匹配臺可以通過螺紋孔定位在分波頭上,這樣既可以保證匹配臺的位置,固定螺釘也可以對駐波的指標進行細微的修正。

2.2 Y型連接器設(shè)計

Y型連接器是把分波頭分出的2路信號合成為一路的裝置,它是由彎波導(dǎo)和方矩過渡組成。

彎波導(dǎo)的尺寸與分波頭出口的尺寸一致,它的弧度可以根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸適當選取,但彎波導(dǎo)的弧度并不是彎的越大越好,相反,仿真計算的結(jié)果顯示在一定的范圍內(nèi)彎波導(dǎo)的半徑越小駐波值越好。在波導(dǎo)形式的十字轉(zhuǎn)門連接器中,2路彎波導(dǎo)合成一路方波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)在加工時由于波導(dǎo)的變形而造成的誤差往往會給整個系統(tǒng)的性能造成影響,所以彎波導(dǎo)的形式可以選取切角彎波導(dǎo),切角彎波導(dǎo)所適應(yīng)的相對帶寬更寬,更重要的是它減少了在加工過程中由于變形而造成的誤差。由2個E面彎波導(dǎo)合成的方波導(dǎo)再經(jīng)由階梯過渡轉(zhuǎn)化為標準波導(dǎo)出口,這里就不再過多講述。

3 仿真設(shè)計分析

根據(jù)上述理論分析,應(yīng)用HFSS軟件對分波頭進行仿真計算,設(shè)計了一個寬頻帶正交器,它能在4.5～7 GHz的頻帶內(nèi)具有良好的性能。

根據(jù)式(1),為了保證主模TE11模式的傳輸,圓波導(dǎo)半徑的選取范圍為:

考慮到相對帶寬以及匹配的要求,這里的半徑口徑選取比理論值要偏大一些,R≈23.5mm左右。分波頭出口波導(dǎo)選取非標準波導(dǎo):a=41.4 mmb=20.51mm

匹配臺的形式選擇圓臺與正方形臺組合的形式,這種形式的匹配相對帶寬更寬,并保證了良好的端口隔離度。

根據(jù)以上所得電氣尺寸在HFSS里建立分波頭的模型,如圖2所示。

圖2 分波頭仿真模型

通過對圓波導(dǎo)和匹配臺的尺寸進行了優(yōu)化設(shè)計,最終優(yōu)化計算得到的駐波曲線如圖3所示,2個極化駐波均小于1.12。

圖3 駐波計算曲線

根據(jù)仿真優(yōu)化得到的尺寸對此正交模耦合器進行了加工制造,耦合器實測結(jié)果如圖4所示,2個端口駐波均小于1.2,在寬頻帶內(nèi)滿足設(shè)計要求。

圖4 OMT駐波實測曲線

4 結(jié)束語

上述結(jié)構(gòu)的正交模耦合器能夠?qū)崿F(xiàn)在4.5～7 GHz寬頻帶內(nèi)的信號傳輸,對簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和拓展信號帶寬有著重要的作用,其本身具有結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)良的特點。產(chǎn)品已成功應(yīng)用在工程項目中,并取得滿意的結(jié)果,受到好評。

[1]顧銳龍,沈民誼.微波技術(shù)與天線[M].北京:國防工業(yè)出版社,1980.

[2]PISANO G,PIETRANERA L.A Broadband WR10 Turnstile Junction Orthomode Transducer[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2007,17(4):286-288.

[3]張 戈.衛(wèi)星寬帶未來[J].無線電工程,2002(9):1-6.