K頻段寬帶正交器的設計與實現

蘇麗

【摘要】 文章介紹了一種K頻段寬帶正交器（OMT）的設計過程與實現方法。與傳統正交器相比它實現K全頻帶（18GHz- 6.5GHz）內具有良好的駐波隔離特性。先詳細描述了此OMT的設計仿真過程，介紹了幾種不同加工工藝的加工結果比較，對影響電氣性能的敏感參數進行分析，實現有針對性的、重點部位的加工，最后也對目前的設計加工狀態提出新的研究方向。

【關鍵詞】 K頻段 極化器 電鑄

正交模耦合器（ortho-mode transducer）以下簡稱OMT，是一種常用的微波元器件。在衛星天線的部件設計中，由于空間資源有限，又受天線小型化的影響，對天線網絡整體體積的要求越來越苛刻，同時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。單個微波元器件的體積受所在頻帶的制約，可以改進的空間有限，在現有體積的基礎上拓展帶寬就給我們帶來新的研究方向。

傳統的OMT帶寬一般≤20%，這里我們設計生產的這種寬帶OMT，覆蓋18GHz-26.5GHz整個K頻段，帶寬達到38.2%。具有較高的實際工程應用價值。

一、OMT工作原理

OMT是實現兩個不同極化信道同時傳輸信號的微波器件。這兩個信道具有較高的極化隔離特性。OMT一般表現為三個物理接口，但在電氣上它是一個四端口器件。公共端口與饋電喇叭連接，其端口可以是方波導也可以是圓波導，它提供兩個電氣端口，分別分配給兩個獨立的正交模式，其余兩個端口為標準方波導（或同軸）出口，只傳輸一種模式，即各自的基模。

OMT在工作的時候，由公共端口激勵出互相垂直的電磁波，形成正交極化波，分別傳輸到相應的標準矩形口（或同軸口），信號也可以反向傳輸。所以正交模耦合器對于兩個正交極化波來說，是一個分離或者混合的器件。

傳統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，然后對稱的兩路再用階梯過渡進行合成，能夠保證在一個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-階梯合成的設計與優化

正交模耦合器只需要兩路正交的波導出口，經過分波頭的信號被分成四路，因此我們還需要將對稱的兩路合成。對于合成這塊，如果對尺寸沒有嚴格的要求，可以直接過渡，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行合成，由兩路正交的標準BJ220口輸出。通過對比，采用階梯合成比直接過渡輸出長度上要短一半左右，其仿真模型如圖3所示。

根據切比雪夫階梯阻抗匹配變換器的設計原理，通過計算得到最初的階梯尺寸，再經過CST優化得到如圖3所示的具有較好電器性能的階梯過渡。

三、OMT敏感參數分析

所謂敏感參數就是對整體器件電氣性能具有較靈敏感應的參數。敏感參數有少許變化將引起某些電氣性能較大變化。目前國內精密加工業還不是很發達，有些誤差范圍還不能實現。這就要求對器件的敏感參數進行分析，確認敏感參數最大在什么范圍內引起的電氣性能是允許的，屆時給出適合的尺寸誤差范圍，也可對加工制作過程做些監督工作。

這里的寬帶OMT敏感參數有兩部分。第一部分是分波頭底部的兩個圓柱形臺階。它們的高度和直徑對器件整體駐波及隔離影響很敏感，有時候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和難點部分，在加工過程中也遇到許多問題，將在下面著重介紹。

四、OMT的加工與制造

一個器件能否成功，光實現理論設計顯然是不行的。能夠將其轉化程實物，并且滿足設計要求才是最終結果。在毫米波波段，實際器件的物理尺寸非常小，因此在OMT的實際設計過程中，不僅考慮它要具備良好的電氣性能，還應該易于加工制作。此次的OMT在加工制作上也是經過幾次的嘗試。大體上分為三種。一種是將其制作成四個大方塊的方式進行拼接。另一種是銑床銑出來，最后一種是做出內腔芯子，電鑄。四塊拼接方式內腔尺寸好控制，難在拼接的定位精度，每次拆開在裝上就有比較大的差別；銑出來的方式難在對不能銑的部分的焊接及不同部分之間焊接的方。電鑄在理論上來說應該是最完美的選擇，實際不然，因其內部結構較復雜，彎角和階梯比較多，有些地方鍍不上，且檢測不方便，造成實際測試結果最差。

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

五、OMT的測試與分析

上面分別介紹了OMT兩個關鍵部件的仿真計算，一般來說，部件優化到最優狀態，連接到一起就未必還是最優，這里我們還需要將連接起來的整體OMT進行優化計算，得到如下仿真和實測的兩個端口的駐波曲線。

六、結束語

文章介紹了一種新型的能夠覆蓋整個K頻段的寬帶正交模耦合器。介紹了設計背景以及應用價值。從其工作原理出發，分別詳細的介紹了兩個關鍵部件的計算及優化過程，又分析了其敏感參數的特性，描述了本OMT的敏感參數性能，為其加工制造提供參考。最后對此種正交模耦合器進行驗證，給出兩個端口的仿真及計算結果。雖然目前的器件勉強能夠滿足項目要求，但其與設計仿真結果還有一定的差距，下一步我們將進一步簡化模型，研究工藝過程，爭取得到最接近仿真結果的理想微波器件。

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