C波段宽带OMT设计分析

王 垒,杨国栋,耿丹阳,张志华

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081;2.中国交通通信信息中心,北京100011)

0 引言

OMT也称为双模变换器或正交模转换器,广泛应用于微波天线、电子对抗和微波测量仪表之中,其主要功能是在天线馈电中实现正交极化的双工传输(分离与合成),是天线系统中的关键部位,其性能的好坏直接影响整个系统的性能。近年来,微波无源器件在带宽不断增加的同时,还要保证低电压驻波比、低损耗和高端口隔离度。为了适应现代天线设备的需求,出现越来越多新型的正交模转换器。介绍了一种结构新颖的正交模转换器的设计,用HFSS进行仿真,并且在C波段进行了验证。

1 总体设计方案

正交模转换器为圆波导口输入,2个标准矩形波导输出,其结构如图1所示。输入极化波通过分波头进入到两路对称的弯波导中,再经由两个Y连接器分别进行合成,从而实现了两路正交信号的输出。

图1 正交模转换器结构示意图

常规OMT主要有圆波导耦合结构和方波导耦合结构2种。前者只能在15%左右的相对带宽内表现出良好的性能,当相对带宽变宽后驻波、隔离等性能急剧下降,已经不能满足工程的需求。方波导耦合结构可以采用单短路片或者多个短路片形式,只是有限地扩展了带宽。

与上述正交模转换器相比,四路分波的结构能够更有效的展宽频带,并且很容易在40%及以上的相对带宽内得到优良的驻波和隔离特性。

2 关键技术

宽频带正交模耦合器主要由分波头、Y型连接器2个部分组成。这2个部件的设计与实现是这种结构的OMT的关键。

2.1 分波头设计

分波头是由一段圆波导、四路矩形波导出口和位于中心的匹配台阶组成。为了保证主模TE11模式的传输,并且抑制其他高次模的产生,圆波导的口径R选取一般满足:

式中,λmax为最低频率的波长;λmin为最高频率的波长。

匹配台的选择也是分波头设计的关键,它直接影响到分波头的驻波与对应两路间的端口隔离特性。匹配台可以有多种形状,例如圆柱状、圆锥状,也可以是正方体台阶,也可以是它们的组合形式,但它必须是完全对称结构,这样才能保证四路波导出口的一致性。为了在宽频带内达到良好的匹配特性,匹配台选择2级圆柱台或者圆台与正方形台的组合。匹配台可以焊接在分波头上,这时对加工精度的要求就很严格了,细小的偏差对驻波,特别是端口隔离都有很大的影响。匹配台可以通过螺纹孔定位在分波头上,这样既可以保证匹配台的位置,固定螺钉也可以对驻波的指标进行细微的修正。

2.2 Y型连接器设计

Y型连接器是把分波头分出的2路信号合成为一路的装置,它是由弯波导和方矩过渡组成。

弯波导的尺寸与分波头出口的尺寸一致,它的弧度可以根据结构尺寸适当选取,但弯波导的弧度并不是弯的越大越好,相反,仿真计算的结果显示在一定的范围内弯波导的半径越小驻波值越好。在波导形式的十字转门连接器中,2路弯波导合成一路方波导的结构在加工时由于波导的变形而造成的误差往往会给整个系统的性能造成影响,所以弯波导的形式可以选取切角弯波导,切角弯波导所适应的相对带宽更宽,更重要的是它减少了在加工过程中由于变形而造成的误差。由2个E面弯波导合成的方波导再经由阶梯过渡转化为标准波导出口,这里就不再过多讲述。

3 仿真设计分析

根据上述理论分析,应用HFSS软件对分波头进行仿真计算,设计了一个宽频带正交器,它能在4.5～7 GHz的频带内具有良好的性能。

根据式(1),为了保证主模TE11模式的传输,圆波导半径的选取范围为:

考虑到相对带宽以及匹配的要求,这里的半径口径选取比理论值要偏大一些,R≈23.5mm左右。分波头出口波导选取非标准波导:a=41.4 mmb=20.51mm

匹配台的形式选择圆台与正方形台组合的形式,这种形式的匹配相对带宽更宽,并保证了良好的端口隔离度。

根据以上所得电气尺寸在HFSS里建立分波头的模型,如图2所示。

图2 分波头仿真模型

通过对圆波导和匹配台的尺寸进行了优化设计,最终优化计算得到的驻波曲线如图3所示,2个极化驻波均小于1.12。

图3 驻波计算曲线

根据仿真优化得到的尺寸对此正交模耦合器进行了加工制造,耦合器实测结果如图4所示,2个端口驻波均小于1.2,在宽频带内满足设计要求。

图4 OMT驻波实测曲线

4 结束语

上述结构的正交模耦合器能够实现在4.5～7 GHz宽频带内的信号传输,对简化网络结构和拓展信号带宽有着重要的作用,其本身具有结构新颖、性能优良的特点。产品已成功应用在工程项目中,并取得满意的结果,受到好评。

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