基于BΦifot結構的雙脊波導超寬帶正交模耦合器設計

陳卯蒸，寧云煒，馬　軍，曹　亮

(1.中國科學院 新疆天文臺，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學院 射電天文重點實驗室，江蘇 南京 210008)

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基于BΦifot結構的雙脊波導超寬帶正交模耦合器設計

陳卯蒸1，2，寧云煒1，2，馬軍1，2，曹亮1，2

(1.中國科學院 新疆天文臺，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學院 射電天文重點實驗室，江蘇 南京 210008)

射電天文望遠鏡的發展對天線饋源的寬帶性提出了更高的要求，作為實現雙極化天線饋源系統的關鍵器件，正交模耦合器的寬帶性能將直接影響寬帶天線的性能。分析了雙脊波導厚度對于水平/垂直極化波的影響，使用電磁仿真軟件HFSS對水平/垂直極化波模式進行分析，對7mm波段(30～50GHz)的正交模耦合器進行了設計與優化，在50%相對帶寬內，回波損耗優于-21dB，正交隔離度優于-50dB，為進一步開展毫米波寬帶OMT的研究提供理論設計基礎。

正交模耦合器；超寬帶；BΦifot結構；雙脊波導

0　引言

超寬帶和毫米波是射電望遠鏡發展的趨勢。新疆110m射電望遠鏡(QiTaiRadioTelescope，QTT)正在開展關鍵技術的預先研究[1]。QTT的接收頻段覆蓋范圍300MHz～117GHz。單體接收機將采用國際前沿的寬帶化設計以滿足望遠鏡的科學目標需求。QTT各波段接收機的帶寬比都達到了一個倍頻程以上。

7mm波段是VLBI和分子譜線研究的一個熱點，國際上許多射電望遠鏡已經覆蓋到7mm波段。目前已經建成并公開發表相關成果的最寬的7mm波段接收機是ALMA(AtacamaLargeMillimeter/sub-millimeterArray)的band1接收機[2]，其工作頻率為31～45GHz，相對帶寬為37%。新疆天文臺正在設計的7mm波段接收機，工作帶寬達到30～50GHz，相對帶寬達到50%，是目前世界上最寬的7mm波段接收機。

正交模耦合器(Ortho-modeTransducer,OMT)是射電天文接收機饋源系統的關鍵器件，它的帶寬決定了單體接收機的工作帶寬。OMT的寬帶設計主要分成Turnstile結構[3-4]和BΦifot[5]結構2種，其中BΦifot結構又分為金屬隔板[6-7]和雙脊波導[8]2種結構。Turnstile結構有4個分支臂，因此加工裝配難度大且占用空間體積較大[9]；金屬隔板BΦifot結構占據空間較小，但是隔板和金屬孔在毫米波波段加工難度很大。因此采用雙脊波導BΦifot結構設計了7mm波段OMT，工作頻率30～50GHz,利用HFSS電磁仿真軟件對各個參數精確優化，在50%的相對帶寬內，回波損耗優于-21dB，正交隔離度優于-50dB。仿真結果在帶寬比band1接收機寬的條件下，優于band1接收機的OMT[10]。

1　OMT設計

雙脊波導BΦifot結構OMT是從金屬隔板BΦifot結構改進而來，金屬隔板的厚度與其工作波長有關。在毫米波段，金屬隔板會變得非常薄，在加工裝備時容易引起形變，導致OMT性能惡化。雙脊波導BΦifot結構取代金屬隔板結構可以避免上述缺點，其OMT整體結構如圖1所示。

圖1　BΦifot結構OMT

饋源輸出的2個互相垂直的線極化波通過圓-方波導轉化，從OMT的方波導口進入，分別成為方波導的2個主模TE10模和TE01模。雙脊波導BΦifot結構分離2個主模，2個主模分別從E面彎轉和Y形功率合成器的標準矩形波導輸出。雙脊波導BΦifot結構是對稱結構，可以有效抑制金屬波導的高次模，從而增加主模的帶寬。

由于雙脊波導BΦifot結構OMT結構復雜，建模時把OMT分為3部分：雙脊波導BΦifot結構、E面彎轉和Y形功率合成。仿真時先分別對3部分優化，最后再合成一起進行優化設計。這樣可以大大提高設計效率，縮短設計時間。

1.1雙脊波導BΦifot結構設計

雙脊波導BΦifot結構是整個OMT的核心部分，它是分離2個正交極化波的關鍵部分。方波導中的階梯雙脊結構對于TE10模和TE01模線極化波的作用各不相同。理想的階梯雙脊在方波導中對TE01模幾乎不影響，對TE10模呈容性，既可以起到防止TE10模進入側臂，又可以對TE10模進行阻抗匹配，降低反射損耗。為了達到上述目的，需要合理選擇階梯雙脊的寬度。階梯雙脊寬度太小，導致對TE10模的阻抗變化過小，不易匹配；階梯雙脊寬度太大，又會導致對TE01模的阻抗變化過大，導致TE01模駐波特性惡化。一般階梯雙脊的寬度選為方波導邊長的1/10～1/15。雙脊波導BΦifot結構如圖2(a)所示，回波損耗如圖2(b)所示。

圖2　雙脊波導BΦifot結構

1.2E面彎轉設計

E面彎轉是矩形波導在電場面也就是邊長較長的面的轉彎結構。E面彎轉的作用是把雙脊波導BΦifot結構中分離出的方波導TE10模匹配輸出到標準矩形波導[11]，其主要有E面拐角和2個3階阻抗變換器構成。為了保證E面拐角在寬帶下有良好的駐波特性，采用的3階階梯結構，如圖3所示。

圖3　3階階梯型E面彎轉

1.3Y形功率合成器設計

雙脊波導BΦifot結構為了擴展2個互相垂直的主模的工作帶寬，采用對稱結構，但是卻把方波導的TE01模分成了對稱的兩部分，且相位相差180°，因此還需要功率合成器進行功率合成對其合成，并通過阻抗變換器匹配到標準矩形波導。Y型功率合成器如圖4所示。

圖4　Y型功率合成器

2　仿真結果分析

對雙脊波導BΦifot、E面彎轉和Y形功率合成器分別優化完成后，再把3部分合成OMT，利用電磁仿真軟件HFSS再對整體雙脊波導BΦifot結構OMT進行優化。OMT的回波損耗如圖5所示，在50%的相對帶寬下(30～50GHz)，2個垂直的線極化波的回波損耗優于-21dB。

圖5　回波損耗

正交隔離度是2個互相垂直的線極化主模信號的隔離度。交叉極化是指正交模耦合器輸入的線極化信號，經過不連續性后，會在與它垂直方向產生交叉極化分量。這2個指標決定了圓極化器2個互相垂直的線極化信號互相干擾的程度。如圖6所示，正交隔離度和交叉極化都優于-50dB，說明正交模耦合器的2個垂直的信號互相干擾的程度非常小。

毫米波段的OMT，機械加工所引起的誤差對性能影響很大，尤其是本設計的OMT，其工作帶寬幾乎已經接近波導器件在7mm波段的極限帶寬，留下的設計余量很小。為了驗證機械加工誤差對器件性能的影響，采用HFSS對所設計的OMT的參數進行誤差分析，結果如表1所示，表1列出的是參數產生誤差時的性能最壞值。目前加工精度一般可以控制在±0.01mm，由表1可以看出，即使誤差在±0.03mm時，OMT的回撥損耗依然優于-19dB,正交隔離度優于-42dB，滿足實際使用要求的回波損耗優于-15dB,正交隔離度優于-20dB。

圖6　交叉極化和正交隔離度

參數變化/mm回波損耗/dB正交隔離度/dB-0.03-19.02-46.98-0.02-19.75-48.61-0.01-20.05-50.47設計值-21.27-56.52+0.01-20.27-53.03+0.02-19.9149.86+0.03-19.61-46.3

上述結果表明，該正交模耦合器在總體上達到了較好的指標，而且結構緊湊，體積為65mm×30mm×27mm。在加工中，即使存在加工誤差，在±0.03mm范圍內，仍能達到指標要求。

3　結束語

本設計利用雙脊方波導對稱結構，體積小、易于加工。對稱結構抑制波導高次模，在有效擴展帶寬的基礎上，通過優化設計，使OMT依然保持良好的毫米波性能，回波損耗優于-21dB，正交隔離度和交叉極化優于-50dB。使用先分部設計仿真，最后合成優化的方法，大大節約了HFSS仿真的時間。考慮到本設計加工一次成形，不需要調試，因此利用HFSS對加工誤差進行了分析。仿真過程中，在47.5GHz處出現了毛刺，分析可能為波導腔體產生諧振。通過改變波導腔體長度，抑制諧振的產生。本設計采用的方法可以應用于更高頻段[12]，為QTT的7mm波段OMT提供了設計經驗和技術積累。

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陳卯蒸男,(1975—)，碩士,正高級工程師。主要研究方向：射電天文技術。

寧云煒男，(1980—)，碩士,工程師。主要研究方向：微波毫米波電路系統與天線。

ADesignofaDouble-ridgedUltraWidebandWaveguideOrtho-modeTransducerBasedonBΦifot

CHENMao-zheng1,2，NINGYun-wei1,2，MAJun1,2,CAOLiang1,2

(1.Xinjiang Observatory,Chinese Academy of Sciences,Urumqi Xinjiang 830011,China;2.Key Laboratory of Radio Astronomy,Chinese Academy of Sciences,Nanjing Jiangsu 210008,China)

ThedevelopmentofradioAstronomytelescoperequiresantennafeedwithwiderbandwidth.Asakeydevicetorealizedualpolarizedantennafeedsystem,theperformanceofortho-modetransduceronbandwidthwilldirectlyaffectthatofthebroadbandantenna.Thearticleanalyzestheeffectofdouble-ridgedwaveguidethicknessonthehorizontally/verticallypolarizedwave,analyzeshorizontally/vertically-polarizedwavemodewithelectromagneticsimulationsoftwareHFSS,anddesignsandoptimizestheortho-modetransducerforthe7mmband(30～50GHz).Within50%relativebandwidth,returnlossisbetterthan-21dB,orthogonalisolationisbetterthan-50dB,whichprovidestheoreticaldesignfoundationfortheresearchonmillimeterwavebroadbandOMT.

ortho-modetransducer;ultra-wideband;BΦifotstructure;double-ridgedwaveguide

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.12引用格式：陳卯蒸，寧云煒，馬軍，等.基于BΦifot結構的雙脊波導超寬帶正交模耦合器設計[J].無線電工程,2016,46(8):47-50.

2016-05-06

國家重點基礎研究發展計劃基金資助項目(2015CB857100)；國家自然科學基金資助項目(U1431230)；“西部之光”后續支持項目(2015-HXZC-01)。

TN823.28A

1003-3106(2016)08-0047-04