宽带正交模耦合器的设计

王 涛，张文静

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

OMT又称为正交模转换器，其主要功能是合成或分离两正交模式，被广泛使用在卫星通信、雷达系统和射电天文中。近年来，天线工作带宽和工作频率均不断增加，为了满足天线设备的要求，OMT的工作带宽需要进行扩展并且使OMT在高频时易于加工装配。但随着工作频率的升高，加工装配误差对OMT的性能的不利影响愈加明显。扩展工作带宽和降低加工装配误差对性能的不利影响成为宽带OMT设计的主要内容。介绍了一种宽带正交模耦合器，该OMT工作在Ka波段，结构紧凑，性能优异，能降低加工装配误差对性能的不利影响。最后利用HFSS进行设计验证。

1 设计方案

按照工作频带范围可以将OMT分为窄带OMT和宽带OMT。对于不同的OMT设计的重点有所不同，对于窄带OMT，设计目的是在窄的工作频带(通常小于10%)内追求高性能(低电压驻波系数，高隔离)和低生产成本;对于宽带OMT，设计目的是在保证一定的性能指标前提下，尽可能展宽带宽［1］。

宽带正交模耦合器结构众多，常见的如鳍线、四脊、十字转门、B∅ifot、双脊和对称负反馈，它们各具特点，如表1所示。

表1 各结构宽带OMT比较

OMT公共波导内容易产生高次模，这将影响OMT的性能和带宽展宽。因此设计宽带OMT的关键就是抑制公共波导中的高次模的产生。

B∅ifot型 OMT由 A.M.B∅ifot等人在 1990年提出［2］，结构紧凑，并且对于水平极化和垂直极化都是对称的，可以有效抑制高次模的产生。可以在较宽的频带内保证良好的驻波和隔离特性，工作频带可达40%以上(理论上可达76.4%)，其结构如示意图1所示。

图1 正交模耦合器结构

2 OMT的模块设计

需要设计的宽带正交模耦合器可以分成B∅ifot接头、方波导—标准波导过渡段和Y形接头3个部分。将各个部分分别进行优化设计，最后再将组件组合成一个完整的OMT进行整体的优化设计，可以极大地提高设计效率，加速设计速度。

2.1 B∅ifot接头的设计

B∅ifot接头是整个OMT的核心部分，它是分离2个正交极化的关键部分。常规的B∅ifot接头包括位于2个侧臂入口处的2对容性柱和位于直通臂中心的膜片。它们对两极化的作用各不相同:对于垂直极化而言，直通臂中的膜片几乎无影响，2对容性柱相当于一个短路平面，目的在于防止垂直极化进入侧臂，从而提高隔离度。对于水平极化而言，由于容性柱尺寸较小，可认为对其无影响，水平极化可以无损耗地通过，膜片的形状对水平极化的回波损耗有重要的影响，可以通过精心设计膜片的形状，降低水平极化回波损耗。膜片同样用于抑制水平极化在直通臂中的传输，膜片越长，对水平极化传输的抑制越完全，但这会导致垂直极化的回波损耗增加，因此也需要对膜片的长度进行合理选择，尽可能完全的抑制水平极化在直通臂中的传输，又尽量小的增加垂直极化的回波损耗。两极化间的隔离与水平极化的回波损耗有关，水平极化回波损耗越小隔离越好，因而B∅ifot结构OMT设计的关键是提高水平极化的驻波性能。

随着频率的升高，常规的B∅ifot型OMT的性能受加工装配误差的影响越来越大。为降低加工装配误差对OMT性能的不利影响，采用多级容性阶梯来取代常规 B∅ifot型 OMT两侧臂入口处的容性柱［3，4］，如图1 所示，可以获得与常规 B∅ifot接头相同的性能。

对于 B∅ifot接头，入口采用方波导，尺寸为7.112 mm×7.112 mm，水平极化出口尺寸为标准波导7.112 mm ×3.556 mm，垂直极化出口仍为方波导，取代容性柱的多级阶梯选为4阶，膜片轮廓采用连续变化的曲线。利用HFSS建模并对膜片形状、厚度和长度以及每级阶梯的大小和长度进行优化得到结果如图2所示。

图2 B∅ifot接头回波损耗

B∅ifot接头的性能直接影响整个OMT的性能，在设计时应尽可能降低两极化的回波损耗。由图2可知，在整个Ka频带内，水平极化回波损耗低于-20 dB，在绝大部分频带内垂直极化回波损耗低于-20 dB，达到设计要求。

2.2 方波导—标准波导过渡

对于水平极化和垂直极化而言，方波导—标准波导过渡区域的设计十分重要。截面尺寸为a×b，内填充空气的矩形波导，阻抗计算公式为［5］:

式中，μ表示空气磁导率;ε表示空气介电常数;λ表示空气中电磁波波长。

为了实现宽带工作，采用切比雪夫阻抗变换进行设计。利用上式计算出方波导和标准波导的波导阻抗，根据切比雪夫阻抗变换关系可求出满足所需要求的各级变换的阻抗值［6］，再由上式可以得到对应阻抗值时的波导尺寸。每节过渡波导的长度均选为λg/4，其中λg为中心频率的波导波长。

选择方波导尺寸为 7.112 mm ×7.112 mm，标准波导尺寸为7.112 mm ×3.556 mm，过渡阶数选为3，中心频率为33 GHz。可以计算处每节过渡波导的初始尺寸分别为:7.112 mm ×4.081 mm、7.112 mm ×5.029 mm 和 7.112 mm × 6.198 mm。每节过渡波导尺寸为2.95 mm。利用仿真软件进行优化设计后结果如图3所示。

方波导—标准波导过渡段目的是将方波导转换成标准波导输出，设计时应尽可能降低它的回波损耗。由图3可知，在整个Ka波段内，其回波损耗低于-30 dB，满足使用要求。

2.3 Y形接头设计

Y形接头是将B∅ifot接头分出的2路水平极化合成为一路的装置，主要由弯波导和阻抗变换段组成。

弯波导的尺寸与B∅ifot接头的水平极化出口尺寸一致，弯波导的弧度可根据结构尺寸进行适当选取。为了降低加工过程中变形造成的误差对整个系统性能的影响和便于加工，可以采用倒角弯波导［7］。为降低倒角弯波导对系统性能的影响，倒角的半径也需要进行合理选取。由两路弯波导合成的波导再经过阻抗变换段转化为标准波导出口，阻抗变换原理与上述相同，不再赘述。

根据上述分析，弯波导的尺寸选为7.112 mm×3.556 mm，利用上节的方波导—标准波导过渡段，在HFSS中进行建模并进行优化设计可以得到Y形接头的回波损耗，如图4所示。Y形波导设计要求与方波导—标准波导过渡段相同，也是要尽可能小的减少回波损耗，由图4可知在整个Ka频段内，回波损耗优于-25 dB，满足使用要求。

图4 Y形接头仿真结果

3 OMT的仿真设计

根据上述的模块设计，应用HFSS设计了一个宽频带OMT［8］，要求能在整个Ka波段内实现水平极化和垂直极化回波损耗均优于-20 dB，端口隔离度优于-50 dB。

OMT采用方波导输入，标准波导输出。输入的两极化通过B∅ifot接头进行分离。分离出的2个极化处理方式各不相同:分离出的垂直极化直接通过方波导—标准波导过渡段转变成标准波导输出;分离出的2路水平极化利用Y形接头进行合成并转换成标准波导输出。

将上述的组件组合起来得到完整的OMT。在HFSS中建立模型如图1所示。通过HFSS仿真并优化得到两正交极化的回波损耗和隔离度，如图5和图6所示。

图5 整个OMT的回波损耗

图6 OMT两端口间隔离度

由图5和图6可知，在整个Ka频段内，水平和垂直极化的回波损耗均优于-20 dB，并且两端口间隔离度优于-50 dB，达到了设计的目标。

4 结束语

该OMT结构新颖，性能优良，能有效地展宽带宽。在设计时将OMT分成子模块分别进行设计，然后进行总体设计可以加快设计速度，提高设计效率。采用多级容性阶梯取代了常规B∅ifot型OMT中的容性柱，能有效降低加工装配误差对OMT性能的影响。在Ka波段内，回波损耗优于-20 dB，端口间隔离度优于-50 dB。该结构可应用于常规B∅ifot型OMT无法使用的W波段乃至更高波段。 ■

［1］UHER J，BORNEMANN J，ROSENBERG U.Waveguide Components For Antenna Feed Systems:Theory and CAD［M］.Boston:Artech House，1993:377-410.

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［3］NARAYANAN G，ERICKSON N R. A NovelFull Waveguide Band Orthomode Transducer［C］∥ Proceedings of the 13th International Symposium on Space Terahertz Technology，Cambridge，MA，USA，2002:505-514.

［4］NAVARRINI A，CARTER M.Design of a Dual Polarization SIS Sideband Separating Receiver based on waveguide OMT for the 275-370 GHz frequency band［C］∥14th International Symposium on Space Terahertz Technology，Tuscon，AZ，USA，2003:159-168.

［5］顾继慧.微波技术［M］.北京:科学出版社，2007:153-155.

［6］POZAR D M.Microwave Engineering(Third Edition)［M］.张肇仪，周乐柱，译.北京:电子工业出版社，2006:216-217.

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［8］谢拥军，刘 莹，李 磊，等.HFSS原理与工程应用［M］.北京:科学出版社，2009.