基于BΦifot结构的双脊波导超宽带正交模耦合器设计

陈卯蒸，宁云炜，马　军，曹　亮

(1.中国科学院 新疆天文台，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国科学院 射电天文重点实验室，江苏 南京 210008)



基于BΦifot结构的双脊波导超宽带正交模耦合器设计

陈卯蒸1，2，宁云炜1，2，马军1，2，曹亮1，2

(1.中国科学院 新疆天文台，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国科学院 射电天文重点实验室，江苏 南京 210008)

射电天文望远镜的发展对天线馈源的宽带性提出了更高的要求，作为实现双极化天线馈源系统的关键器件，正交模耦合器的宽带性能将直接影响宽带天线的性能。分析了双脊波导厚度对于水平/垂直极化波的影响，使用电磁仿真软件HFSS对水平/垂直极化波模式进行分析，对7mm波段(30～50GHz)的正交模耦合器进行了设计与优化，在50%相对带宽内，回波损耗优于-21dB，正交隔离度优于-50dB，为进一步开展毫米波宽带OMT的研究提供理论设计基础。

正交模耦合器；超宽带；BΦifot结构；双脊波导

0　引言

超宽带和毫米波是射电望远镜发展的趋势。新疆110m射电望远镜(QiTaiRadioTelescope，QTT)正在开展关键技术的预先研究[1]。QTT的接收频段覆盖范围300MHz～117GHz。单体接收机将采用国际前沿的宽带化设计以满足望远镜的科学目标需求。QTT各波段接收机的带宽比都达到了一个倍频程以上。

7mm波段是VLBI和分子谱线研究的一个热点，国际上许多射电望远镜已经覆盖到7mm波段。目前已经建成并公开发表相关成果的最宽的7mm波段接收机是ALMA(AtacamaLargeMillimeter/sub-millimeterArray)的band1接收机[2]，其工作频率为31～45GHz，相对带宽为37%。新疆天文台正在设计的7mm波段接收机，工作带宽达到30～50GHz，相对带宽达到50%，是目前世界上最宽的7mm波段接收机。

正交模耦合器(Ortho-modeTransducer,OMT)是射电天文接收机馈源系统的关键器件，它的带宽决定了单体接收机的工作带宽。OMT的宽带设计主要分成Turnstile结构[3-4]和BΦifot[5]结构2种，其中BΦifot结构又分为金属隔板[6-7]和双脊波导[8]2种结构。Turnstile结构有4个分支臂，因此加工装配难度大且占用空间体积较大[9]；金属隔板BΦifot结构占据空间较小，但是隔板和金属孔在毫米波波段加工难度很大。因此采用双脊波导BΦifot结构设计了7mm波段OMT，工作频率30～50GHz,利用HFSS电磁仿真软件对各个参数精确优化，在50%的相对带宽内，回波损耗优于-21dB，正交隔离度优于-50dB。仿真结果在带宽比band1接收机宽的条件下，优于band1接收机的OMT[10]。

1　OMT设计

双脊波导BΦifot结构OMT是从金属隔板BΦifot结构改进而来，金属隔板的厚度与其工作波长有关。在毫米波段，金属隔板会变得非常薄，在加工装备时容易引起形变，导致OMT性能恶化。双脊波导BΦifot结构取代金属隔板结构可以避免上述缺点，其OMT整体结构如图1所示。

图1　BΦifot结构OMT

馈源输出的2个互相垂直的线极化波通过圆-方波导转化，从OMT的方波导口进入，分别成为方波导的2个主模TE10模和TE01模。双脊波导BΦifot结构分离2个主模，2个主模分别从E面弯转和Y形功率合成器的标准矩形波导输出。双脊波导BΦifot结构是对称结构，可以有效抑制金属波导的高次模，从而增加主模的带宽。

由于双脊波导BΦifot结构OMT结构复杂，建模时把OMT分为3部分：双脊波导BΦifot结构、E面弯转和Y形功率合成。仿真时先分别对3部分优化，最后再合成一起进行优化设计。这样可以大大提高设计效率，缩短设计时间。

1.1双脊波导BΦifot结构设计

双脊波导BΦifot结构是整个OMT的核心部分，它是分离2个正交极化波的关键部分。方波导中的阶梯双脊结构对于TE10模和TE01模线极化波的作用各不相同。理想的阶梯双脊在方波导中对TE01模几乎不影响，对TE10模呈容性，既可以起到防止TE10模进入侧臂，又可以对TE10模进行阻抗匹配，降低反射损耗。为了达到上述目的，需要合理选择阶梯双脊的宽度。阶梯双脊宽度太小，导致对TE10模的阻抗变化过小，不易匹配；阶梯双脊宽度太大，又会导致对TE01模的阻抗变化过大，导致TE01模驻波特性恶化。一般阶梯双脊的宽度选为方波导边长的1/10～1/15。双脊波导BΦifot结构如图2(a)所示，回波损耗如图2(b)所示。

图2　双脊波导BΦifot结构

1.2E面弯转设计

E面弯转是矩形波导在电场面也就是边长较长的面的转弯结构。E面弯转的作用是把双脊波导BΦifot结构中分离出的方波导TE10模匹配输出到标准矩形波导[11]，其主要有E面拐角和2个3阶阻抗变换器构成。为了保证E面拐角在宽带下有良好的驻波特性，采用的3阶阶梯结构，如图3所示。

图3　3阶阶梯型E面弯转

1.3Y形功率合成器设计

双脊波导BΦifot结构为了扩展2个互相垂直的主模的工作带宽，采用对称结构，但是却把方波导的TE01模分成了对称的两部分，且相位相差180°，因此还需要功率合成器进行功率合成对其合成，并通过阻抗变换器匹配到标准矩形波导。Y型功率合成器如图4所示。

图4　Y型功率合成器

2　仿真结果分析

对双脊波导BΦifot、E面弯转和Y形功率合成器分别优化完成后，再把3部分合成OMT，利用电磁仿真软件HFSS再对整体双脊波导BΦifot结构OMT进行优化。OMT的回波损耗如图5所示，在50%的相对带宽下(30～50GHz)，2个垂直的线极化波的回波损耗优于-21dB。

图5　回波损耗

正交隔离度是2个互相垂直的线极化主模信号的隔离度。交叉极化是指正交模耦合器输入的线极化信号，经过不连续性后，会在与它垂直方向产生交叉极化分量。这2个指标决定了圆极化器2个互相垂直的线极化信号互相干扰的程度。如图6所示，正交隔离度和交叉极化都优于-50dB，说明正交模耦合器的2个垂直的信号互相干扰的程度非常小。

毫米波段的OMT，机械加工所引起的误差对性能影响很大，尤其是本设计的OMT，其工作带宽几乎已经接近波导器件在7mm波段的极限带宽，留下的设计余量很小。为了验证机械加工误差对器件性能的影响，采用HFSS对所设计的OMT的参数进行误差分析，结果如表1所示，表1列出的是参数产生误差时的性能最坏值。目前加工精度一般可以控制在±0.01mm，由表1可以看出，即使误差在±0.03mm时，OMT的回拨损耗依然优于-19dB,正交隔离度优于-42dB，满足实际使用要求的回波损耗优于-15dB,正交隔离度优于-20dB。

图6　交叉极化和正交隔离度

参数变化/mm回波损耗/dB正交隔离度/dB-0.03-19.02-46.98-0.02-19.75-48.61-0.01-20.05-50.47设计值-21.27-56.52+0.01-20.27-53.03+0.02-19.9149.86+0.03-19.61-46.3

上述结果表明，该正交模耦合器在总体上达到了较好的指标，而且结构紧凑，体积为65mm×30mm×27mm。在加工中，即使存在加工误差，在±0.03mm范围内，仍能达到指标要求。

3　结束语

本设计利用双脊方波导对称结构，体积小、易于加工。对称结构抑制波导高次模，在有效扩展带宽的基础上，通过优化设计，使OMT依然保持良好的毫米波性能，回波损耗优于-21dB，正交隔离度和交叉极化优于-50dB。使用先分部设计仿真，最后合成优化的方法，大大节约了HFSS仿真的时间。考虑到本设计加工一次成形，不需要调试，因此利用HFSS对加工误差进行了分析。仿真过程中，在47.5GHz处出现了毛刺，分析可能为波导腔体产生谐振。通过改变波导腔体长度，抑制谐振的产生。本设计采用的方法可以应用于更高频段[12]，为QTT的7mm波段OMT提供了设计经验和技术积累。

[1]王娜.新疆奇台110米射电望远镜[J].中国科学：物理学 力学 天文学,2014(44):783-794.

[2]REYESN,ZROZIP,MENAFP,etal.DesignofaHeterodyneReceiverforBand1ofALMA[C]∥ 20thInternationalSymposiumonSpaceTechonlogy,Charlottesville,2009:20-22.

[3]NAVARRINIA,PLAMBECKRL.ATurnstileJunctionWaveguideOrthomodeTransducer[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2006,54(1):272-277.[4]PISANOG,PIETRANERAL,ISAAKK,etal.ABroadbandWR10TurnstileJunctionOrthomodeTransducer[J].IEEEMicrowaveandWirelessCompo-nents,2007,17(4):286-288.

[5]DDOUSSETD,CLAUDES,WUK.CompactHigh-PerformanceOrthomodeTransducerfortheAtacamaLargeMilli-meterArray(ALMA)Band1 (31～45GHz)[J].IEEEAccess,2013(1):480-487.

[6]WOLLACKEJ,GRAMMERW,KINGSLEYJ.TheBΦifotOrthomodeJunction[R].ALMAMemo,2002:425.

[7]CENANOVICA,KOPPELT,RINGELJ,etal.BroadbandOrthomodeTransducerfortheWR12-Band[C]∥Infrared,Millimeter,andTerahertzWaves(IRMMW-THz),2013 38thInternationalConferenceon,2013:1-2.

[8]王涛，张文静.宽带正交模耦合器的设计[J].无线电工程，2013,43(3):40-42.

[9]ZHANGTian-ling,YANZe-hong,CHENLei,etal.DesignofBroadbandOrthomodeTransducerBasedonDoubleRidgedWaveguide[C]∥MicrowaveandMillimeterWaveTechnology(ICMMT),2010InternationalConferenceon,2010:765-768.[10]REYESN,ZORZIP,PIZARROJ,etal.ADualRidgeBroadbandOrthomodeTransducerforthe7mmBand[J].JournalofInfrared,Millimeter,andTerahertzWaves,2012(33):1 203-1 210.

[11]ESPINOLARL,AHMADRU,PIZZUTOFRM.AStudyofHigh-index-contrast90°WaveguideBendStructures[J].Osgood.OpticsExpress,2001,8(9):517-528.[12]KAMIKURAM,NARUSEM,ASAYAMASI,etal.DevelopmentofaSubmillimeterDouble-RidgedWaveguideOrtho-ModeTransducer(OMT)forthe385～500GHzBand[J].InfraredMilliTerahzWaves,2010(31):697-707.

陈卯蒸男,(1975—)，硕士,正高级工程师。主要研究方向：射电天文技术。

宁云炜男，(1980—)，硕士,工程师。主要研究方向：微波毫米波电路系统与天线。

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：陈卯蒸，宁云炜，马军，等.基于BΦifot结构的双脊波导超宽带正交模耦合器设计[J].无线电工程,2016,46(8):47-50.

2016-05-06

国家重点基础研究发展计划基金资助项目(2015CB857100)；国家自然科学基金资助项目(U1431230)；“西部之光”后续支持项目(2015-HXZC-01)。

TN823.28A

1003-3106(2016)08-0047-04