基于Turnstile結構的超寬帶正交模耦合器研究

陳卯蒸，寧云煒，馬　軍

(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Turnstile結構的超寬帶正交模耦合器研究

陳卯蒸1,2，寧云煒1,2，馬軍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)

正交模耦合器是反射面天線饋源系統中非常重要的無源器件，正交模耦合器的帶寬決定了天線的工作帶寬，其性能直接影響接收機的性能。為滿足新疆天文臺Q波段(30～50 GHz)制冷接收機的需求，描述了Turnstile結構的正交模耦合器，公共端口為圓波導，2個分支端口為標準矩形波導。應用電磁仿真軟件HFSS對正交模耦合器進行了設計與優化。仿真結果表明，在50%相對帶寬內，回波損耗優于-22 dB，正交隔離度優于-46 dB。為進一步開展毫米波寬帶OMT的研究提供了理論設計基礎。

正交模耦合器；超寬帶；無源器件

0　引言

新疆天文臺正在推進的7 mm(30～50 GHz)接收機是目前Q波段帶寬最寬的射電天文制冷接收機，相對帶寬達到了50%。正交模耦合器 (Ortho-mode Transducer，OMT)是射電天文望遠鏡天線饋線最為關鍵的器件。由于金屬波導的傳播特性，正交模耦合器的工作帶寬是整個射電天文望遠鏡系統工作帶寬的瓶頸[1]，其帶寬決定了射電天文接收機的工作帶寬。傳統的金屬隔板極化器[2-4]和介質插片極化器[5-6]不僅可以起到正交模耦合器的作用，還起到了極化轉化的作用，且具有結構簡單緊湊，易于設計和加工的優點，但是其相對工作帶寬只有10%，當相對帶寬超過15%時，性能會急劇惡化。四脊波導OMT的相對帶寬可以達到要求[7-8]，但是其工作頻率上限只能到10 GHz[9-10]。超寬帶正交模耦合器在追求更寬的工作頻率的同時還必須考慮回波損耗和正交隔離度。如果參數優化不好，隨著相對帶寬的增加，性能會惡化得十分嚴重。

Turnstile結構，其原理通過對稱結構，抑制金屬波導高次模的傳播，從而擴展正交模耦合器2個互相垂直的主模的工作帶寬。文獻[11]采用Turnstile結構設計的正交模耦合器，相對帶寬36%，回波損耗優于-19 dB，正交隔離度優于-48 dB。文獻[12]基于Turnstile結構的正交模耦合器，相對帶寬38%，回波損耗優于-22 dB，正交隔離度優于-45 dB。文獻[13]的正交模耦合器的工作頻率也在Q波段，其對Turnstile結構進行了改進。在21%的相對帶寬內，回波損耗優于-28 dB，正交隔離度優于-50 dB。由上述內容可以看出，相對帶寬對正交模耦合器性能影響很大。隨著相對帶寬的增加，正交模耦合器的性能尤其是回波損耗會急劇惡化。本文設計采用Turnstile對稱結構，具有良好的寬帶特性；結構緊湊，輸入公共端口為圓波導，更易與圓波導波紋喇叭饋源連接；容易加工，沒有隔板、孔和螺釘等毫米波段不易加工的部件。

1　OMT設計

Turnstile結構OMT整體結構圖如圖1所示。Turnstile結構OMT主要由4部分組成：Turnstile結構、E面彎轉、Y型功率合成器和7節切比雪夫阻抗匹配器。

圖1　Turnstile結構OMT

從反射面天線饋源接收的圓極化信號通過極化器變成2個互相垂直的線極化信號，進入Turnstile結構OMT。Turnstile結構是高性能OMT設計的關鍵，把2個互相垂直的線極化分離。分離后的線極化波功率相等，相位相差180°。通過E面彎轉和Y形功率合成器合成相位相差180°的線極化波。最后通過切比雪夫阻抗匹配器把Turnstile結構OMT匹配到標準矩形波導。

因為整體結構復雜、參數較多，因此在建模時，先對4個部分分別建模，進行優化，最后再將4個部分合成一個完整的OMT進行整體的優化設計，可以極大地提高設計效率，加快設計速度。

1.1Turnstile結構設計

Turnstile結構的輸入端連接在饋源的輸出端口，因為饋源輸出是圓波導，因此Turnstile結構輸入端采用的也是圓波導，以利于駐波的優化。Turnstile結構如圖2(a)所示。極化簡并的2個圓波導TE11主模，互相垂直，從饋源輸入。通過Turnstile結構，每個主模分離成2個幅度相等、相位相差180°的線極化波到4個矩形波導臂，以矩形波導主模TE10傳播。

為了對圓形波導和4個矩形波導端口進行匹配，減小反射損耗，在Turnstile結構的中間會設計一個凸起結構，對各個端口駐波進行優化。常用的有圓柱、金字塔、長方體、圓臺、梯形臺、長方體與梯形臺組合等等。本文設計對各種結構進行了仿真和比較，采用雙圓柱結構。Turnstile結構的反射損耗如圖2(b)所示。

圖2　Turnstile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。常用的E面彎轉結構如圖3所示[14]。因設計的相對帶寬達到50%，在如此寬的帶寬內要保證E面彎轉的回波損耗盡量低，設計中采用的是3階階梯型E面彎轉，如圖4(a)所示。為了加工方便，在一個E面的兩端加了半徑0.5 mm的圓形倒腳。E面彎轉的回波損耗如圖4(b)所示。

圖3　常用E面彎轉結構

1.3Y形功率合成器和切比雪夫阻抗匹配器設計

Turnstile結構利用對稱結構，擴展了正交模耦合器的工作帶寬，但是卻把饋源輸入信號分成了各自對稱的2份，且相位相差180°，因此還需要功率合成器進行功率合成。功率合成器一般有Y型和T型2種結構，通過對2種結構的仿真對比，采用Y型功率合成器。為了保證在50%的相對帶寬能有好的駐波特性，Y型功率合成器沒有采用傳統的圓弧結構，而是采用三線式結構，如圖5所示(單位：mm)。原點是(0,0)，三線式結構的3個端點的坐標分別為(-0.65,1.35)、(-1.55,2.25)和(2.9,2.85)。Y形功率合成器的兩臂之間連接也沒有采用傳統的沒有間隔的結構，而是采用了長為0.1 mm的間隔。為了方便加工，三線結構的3個端點分別采用半徑0.5 mm的倒角。

圖5　Y型功率合成器結構

1.47節切比雪夫阻抗變換器

為了便于連接，需要把正交模耦合器的輸出匹配到標準矩形波導。波導橫截面上的不連續在毫米波段不能僅僅用阻抗變化來表示，因為阻抗變換器各段的高度變化時，會產生邊緣電容。它的存在會影響變換器的性能，要用修正各節的長度來抵消它的影響，最后的切比雪夫阻抗變換器結構如圖6所示。

圖6　切比雪夫阻抗變換器

2　仿真結果分析

對Turnstile結構、E面彎轉、Y形功率合成器和7節切比雪夫阻抗匹配器分別優化完后，再把4部分合成Turnstile結構的OMT。OMT的回波損耗如圖7所示，在50%的相對帶寬下(30～50 GHz)，2個垂直的線極化波的回波損耗優于-22 dB。

圖7　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。正交隔離度和交叉極化如圖8所示。正交隔離度優于-46 dB，交叉極化優于-42 dB。

圖8　交叉極化和正交隔離度

仿真結果表明，該正交模耦合器在總體上達到了較好的指標，在50%的相對帶寬下，仍能保持較好的回波損耗和正交隔離度。

3　結束語

利用HFSS電磁仿真軟件，設計了7 mm波段的Turnstile結構OMT。與BΦifot結構OMT相比，Turnstile結構OMT的公共端口為圓波導，通過圓波導過渡可以直接與饋源輸入口相連，而BΦifot結構OMT公共端口為方波導，與饋源輸入端口相連還需要進行方圓波導轉換。在毫米波段，多一個器件通過法蘭盤連接，都有可能在實際工程中造成駐波的惡化。在相對帶寬達到50%的情況下，依然保持良好的電磁性能，滿足設計指標要求，為QTT的OMT設計提供了設計經驗和技術積累。

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陳卯蒸男，(1975—)，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。

Study of a Turnstile Ultra Wideband Waveguide Ortho-mode Transducer

CHEN Mao-zheng1,2,NING Yun-wei1,2,MA Jun1,2

(1.XinjiangObservatory,ChineseAcademyofSciences,UrumqiXinjiang830011,China)2.KeyLaboratoryofRadioAstronomy,ChineseAcademyofSciences,NanjingJiangsu210008,China)

Ortho-mode transducer (OMT) is a very important passive component in a reflector antenna feed system.The bandwidth of the ortho-mode transducer determines the bandwidth of the antenna and its performance directly affects the performance of the receiver.In order to meet the need of Q band (30～50 GHz) cryogenic receiver for Xinjiang Astronomical Observatory,the OMT based on Turnstile structure is described,which has public port based circular waveguide and two branch ports based on standard rectangular waveguide.The ortho-mode transducer is designed and optimized for the Q band (30～50 GHz) by electromagnetic simulation software HFSS.Simulation results indicate the return loss is better than -22 dB,the orthogonal isolation is better than -46 dB within 50% relative bandwidth.The study provides theoretical design basis for further research of millimeter wave broadband OMT.

ortho-mode transducer;ultra wideband;passive component

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.10.13

2016-06-25

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)。

TN823.28

A

1003-3106(2016)10-0054-04

引用格式：陳卯蒸,寧云煒,馬軍.基于Turnstile結構的超寬帶正交模耦合器研究[J].無線電工程,2016,46(10):54-57.