一種緊湊型Ku頻段正交模耦合器的設計

李東超 何紹林 劉玉龍

(中國電波傳播研究所,青島 266107)

引 言

隨著經濟社會的快速發展,人們對頻譜資源的需求迅速增加,但頻譜資源有限,因此對頻譜的利用效率提出了較高的要求. 在衛星通信系統中,為了提高通信系統的頻率效率和增加通信容量,通常利用雙極化特性來工作. 正交模耦合器(orthomode mransducer, OMT)能夠分離正交極化信號,是天饋線系統的重要組成部分[1-2],因此,其性能的好壞直接決定著天饋線系統的整體水平. A.M.B?ifot根據設計以及結構的復雜性將OMT劃分為對稱形和非對稱形兩種結構形式[3].

對稱形OMT多為寬帶設計,其工作帶寬多為40%～70%[4-6],甚至有作者提出其帶寬能夠達到三倍頻[7]. 這種寬帶OMT通常是將常規波導的兩個對稱波導枝節進行折疊,并在此基礎上進行設計,兩對稱枝節能夠有效抑制高次模的產生,因此能夠較容易擴展工作帶寬. 但是,這種設計亦存在明顯缺點,即OMT的設計變得更加復雜,結構尺寸更大.

非對稱形OMT是一種窄帶設計, 工作帶寬僅為10%～20%. 這種窄帶OMT 兩個端口之間需要保持一定的距離,該距離能夠抑制高次模. 窄帶OMT的每個端口可分別用一個對稱平面來分析設計.

上述對稱形OMT的工作帶寬取決于其結構復雜性,非對稱形OMT的設計取決于兩端口之間的距離,因此并不適用于雙頻段多饋電網絡的集成饋電系統. 文獻[8-10]給出了幾種形式的緊湊型OMT,這些OMT雖然帶寬寬,但是結構復雜,或者結構簡單但尺寸較大,均不適用于集成饋電系統.

文中設計了一種結構極為緊湊、同時適用于復雜多饋電集成系統的OMT. 該設計基于雙極化方波導,通過一系列階梯變換以及側壁縫隙耦合實現極化分離,兩個輸出端口分別對應一個極化波,可以實現緊湊的結構設計,同時具有良好的饋電性能.

1 緊湊型OMT的工作原理

緊湊型OMT更容易集成到天饋線系統中,它通常是由方波導或者圓波導接收雙極化信號,經過過濾分離再傳輸到另外兩個端口. 設計這種結構非常緊湊的OMT,首先要保證所有的端口都有對稱平面,從而保證正交極化信號的隔離度,其結構如圖1所示.

圖1 OMT工作原理圖Fig.1 The working principle of OMT

電磁波在波導中傳輸存在多種模式,以矩形波導為例,可能存在無窮多TEmn和TMmn模,一般情況下,認為TE10模為主模,其他為高次模. 在設計中,矩形波導a>b的首要條件是保證僅傳輸TE10模,因此需要滿足關系[11-12]:

(1)

一般選擇a=0.7λ,b=(0.4～0.5)a.

本文設計的OMT工作頻率范圍為12.25～14.5 GHz,對應波長范圍24.5～20.7 mm,根據上述主模傳輸要求,a>12.25 mm. 不考慮損耗及傳輸功率,b的取值要結合所設計天線的尺寸要求確定.

根據波導尺寸a×b,以及傳輸頻率f0,可以計算波導波長,公式為

(2)

主模TE10模的波導波長為

(3)

式中:λg為波導中導模的波導波長;λc為波導中導模的截止波長.

2 OMT的設計

OMT結構如圖2所示,可以看出進入OMT公共端口的電磁波將通過階梯變換以及縫隙耦合的形式分別傳輸到端口1和端口2.

圖2 緊湊型OMT結構圖Fig.2 Structure diagram of compact OMT

2.1 結構設計

OMT設計的關鍵點包括階梯變換段和側方耦合段兩部分,它們可以實現兩個正交極化波(TE10模和TE01模)的分離,其具體結構參數如圖3所示.

(a) OMT前視圖及參數尺寸(a) The front view and the prameter size of OMT

(b) OMT側視圖及參數尺寸(b) The side view and the prameter size of OMT

(c) OMT定視圖及參數尺寸(c) The top view and the prameter size of OMT圖3 OMT在不同角度時的結構示意圖Fig.3 The schematic of OMT structure at different angles

從上述結構圖形中可以看出階梯變換段實現了TE10模的匹配,在設計時采用多節四分之一波長變換器的方法,即階梯段的初始長度為λg/4.根據OMT的工作頻率范圍,在Ku波段一般選用BJ140波導,因此方波導邊長為a,取值15.8 mm,端口1和端口2直接選用BJ140波導內壁尺寸,即截面尺寸為15.8 mm×7.9 mm. 綜合考慮工作頻帶以及駐波比等,階梯數取值定為3,各節的窄邊尺寸取值由15.8 mm漸變至7.9 mm.

端口2的耦合位置H、縫隙的尺寸等對回波損耗影響大,設定初值為H=3×W0/4,Lslot=3×a/4,Wslot=3×b3_2/4,在此基礎上進一步分析優化.

2.2 模型分析

緊湊型OMT設計的關鍵是要保證兩個端口的正交隔離,合適的階梯變換段和側方耦合段可以實現兩個正交極化波(TE10模和TE01模)的分離,采用有限元分析方法,利用Ansoft HFSS 15.0建立模型并進行優化后,得到的OMT具體結構參數如表1所示.

表1 OMT結構參數尺寸Tab.1 OMT structure parameter size

采用表1中的結構參數,計算得到的OMT雙端口回波損耗、隔離度和插入損耗如圖4所示.

(a) 端口1的回波損耗 (b) 端口2的回波損耗(a) The return loss of port 1 (b) The return loss of port 2

(c) 端口1和2之間的隔離度 (d) 傳輸損耗 (c) Isolation of the two ports (d) Transmission loss of the two ports圖4 OMT雙端口回波損耗、隔離度以及傳輸損耗的計算結果Fig.4 Simulated return loss、isolution and transmission loss of the OMT

OMT不同參數的取值對兩個端口有不同的影響,根據分析計算,發現第二節階梯段W3、b2變化時對端口1的回波損耗影響較大,如圖5所示,Lslot、Wslot等參數變化時對端口2的回波損耗影響較大,如圖6所示.

(a) W3變化 (b) b2變化(a) W3 change curve (b) b2 change curve圖5 端口1的回波損耗變化曲線Fig.5 The return loss diagram of the port 1

(a) Lslot變化 (b) Wslot變化(a) Lslot change curve (b) Wslot change curve圖6 端口2的回波損耗變化曲線Fig.6 The return loss diagram of the port 2

由圖5、圖6得出如下結論:

1) 當W3<6 mm、b2<10 mm時,即第二節階梯段越長、截面寬邊尺寸越大,端口1的回波損耗越小;當W3和b2的取值大于臨界值時,回波損耗逐漸增大;

2) 當Lslot<13.55 mm、Wslot<4.6 mm時,即側方縫隙截面的長度寬度越大,端口2的回波損耗越小;當Lslot和Wslot的取值大于臨界值時,回波損耗逐漸增大;

根據上述分析,OMT的設計需要綜合考慮兩個端口的性能后確定各個參數的取值.

3 實驗驗證及對比

在上述優化設計的基礎上按照表1的參數取值加工了樣機,該樣機包含了OMT以及匹配過渡段(測試用),實物如圖7所示.

(a) 側視圖 (b) 頂視圖(a) Side view (b) Top view圖7 OMT加工實物圖Fig.7 Processing object of OMT

可以看出OMT的縱向長度僅為36 mm,尺寸很小,結構緊湊,能夠大大降低陣列天線的尺寸. 我們利用矢量網絡分析儀測量了OMT的雙端口駐波、隔離度等參數,如圖8所示.

圖8 OMT實測圖片Fig.8 The actual test picture of OMT

圖9、圖10分別給出了兩個端口駐波比(standing-wave ratio, SWR)以及隔離度的測試曲線.

(a) 端口1 (b) 端口2(a) Port 1 (b) Port 2圖9 OMT雙端口駐波的測試曲線Fig.9 Measured characteristics of draft OMT prototype of SWR at two ports

圖10 OMT雙端口隔離度的測試曲線Fig.10 Measured characteristics of draft OMT prototype of the 2-port segregation

可以看出在兩個頻段內端口駐波均小于1.6,隔離度小于-50 dB,測試結果良好. 從上述結果可以看出,設計的OMT結構最大尺寸僅為36 mm,較容易集成到天饋線系統中,器件的工作帶寬約為15%,且雙端口在工作頻帶內實測駐波小于1.6,隔離度小于-50 dB,性能優良.

4 結 論

本文設計了一種結構極為緊湊,同時適用于多饋電集成系統的OMT,該設計基于方波導,通過一系列階梯變換和縫隙耦合實現了極化分離,兩個輸出端口均有一個對稱平面,分別對應一種極化波. 設計的OMT縱向最大尺寸僅為工作波長的1.6倍,且在15%的頻帶范圍內具有優良的性能,實測端口駐波小于1.6,隔離度小于-50 dB. 與文獻[8-9]相比,OMT的結構尺寸縮小約10%. 本文設計的OMT大大降低了結構復雜性,結構極為緊湊、性能優良,容易集成到天饋線系統中,在衛星通信中有較好的應用前景.