基于Turnstile结构的超宽带正交模耦合器研究

陈卯蒸，宁云炜，马　军

(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Turnstile结构的超宽带正交模耦合器研究

陈卯蒸1,2，宁云炜1,2，马军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)

正交模耦合器是反射面天线馈源系统中非常重要的无源器件，正交模耦合器的带宽决定了天线的工作带宽，其性能直接影响接收机的性能。为满足新疆天文台Q波段(30～50 GHz)制冷接收机的需求，描述了Turnstile结构的正交模耦合器，公共端口为圆波导，2个分支端口为标准矩形波导。应用电磁仿真软件HFSS对正交模耦合器进行了设计与优化。仿真结果表明，在50%相对带宽内，回波损耗优于-22 dB，正交隔离度优于-46 dB。为进一步开展毫米波宽带OMT的研究提供了理论设计基础。

正交模耦合器；超宽带；无源器件

0　引言

新疆天文台正在推进的7 mm(30～50 GHz)接收机是目前Q波段带宽最宽的射电天文制冷接收机，相对带宽达到了50%。正交模耦合器 (Ortho-mode Transducer，OMT)是射电天文望远镜天线馈线最为关键的器件。由于金属波导的传播特性，正交模耦合器的工作带宽是整个射电天文望远镜系统工作带宽的瓶颈[1]，其带宽决定了射电天文接收机的工作带宽。传统的金属隔板极化器[2-4]和介质插片极化器[5-6]不仅可以起到正交模耦合器的作用，还起到了极化转化的作用，且具有结构简单紧凑，易于设计和加工的优点，但是其相对工作带宽只有10%，当相对带宽超过15%时，性能会急剧恶化。四脊波导OMT的相对带宽可以达到要求[7-8]，但是其工作频率上限只能到10 GHz[9-10]。超宽带正交模耦合器在追求更宽的工作频率的同时还必须考虑回波损耗和正交隔离度。如果参数优化不好，随着相对带宽的增加，性能会恶化得十分严重。

Turnstile结构，其原理通过对称结构，抑制金属波导高次模的传播，从而扩展正交模耦合器2个互相垂直的主模的工作带宽。文献[11]采用Turnstile结构设计的正交模耦合器，相对带宽36%，回波损耗优于-19 dB，正交隔离度优于-48 dB。文献[12]基于Turnstile结构的正交模耦合器，相对带宽38%，回波损耗优于-22 dB，正交隔离度优于-45 dB。文献[13]的正交模耦合器的工作频率也在Q波段，其对Turnstile结构进行了改进。在21%的相对带宽内，回波损耗优于-28 dB，正交隔离度优于-50 dB。由上述内容可以看出，相对带宽对正交模耦合器性能影响很大。随着相对带宽的增加，正交模耦合器的性能尤其是回波损耗会急剧恶化。本文设计采用Turnstile对称结构，具有良好的宽带特性；结构紧凑，输入公共端口为圆波导，更易与圆波导波纹喇叭馈源连接；容易加工，没有隔板、孔和螺钉等毫米波段不易加工的部件。

1　OMT设计

Turnstile结构OMT整体结构图如图1所示。Turnstile结构OMT主要由4部分组成：Turnstile结构、E面弯转、Y型功率合成器和7节切比雪夫阻抗匹配器。

图1　Turnstile结构OMT

从反射面天线馈源接收的圆极化信号通过极化器变成2个互相垂直的线极化信号，进入Turnstile结构OMT。Turnstile结构是高性能OMT设计的关键，把2个互相垂直的线极化分离。分离后的线极化波功率相等，相位相差180°。通过E面弯转和Y形功率合成器合成相位相差180°的线极化波。最后通过切比雪夫阻抗匹配器把Turnstile结构OMT匹配到标准矩形波导。

因为整体结构复杂、参数较多，因此在建模时，先对4个部分分别建模，进行优化，最后再将4个部分合成一个完整的OMT进行整体的优化设计，可以极大地提高设计效率，加快设计速度。

1.1Turnstile结构设计

Turnstile结构的输入端连接在馈源的输出端口，因为馈源输出是圆波导，因此Turnstile结构输入端采用的也是圆波导，以利于驻波的优化。Turnstile结构如图2(a)所示。极化简并的2个圆波导TE11主模，互相垂直，从馈源输入。通过Turnstile结构，每个主模分离成2个幅度相等、相位相差180°的线极化波到4个矩形波导臂，以矩形波导主模TE10传播。

为了对圆形波导和4个矩形波导端口进行匹配，减小反射损耗，在Turnstile结构的中间会设计一个凸起结构，对各个端口驻波进行优化。常用的有圆柱、金字塔、长方体、圆台、梯形台、长方体与梯形台组合等等。本文设计对各种结构进行了仿真和比较，采用双圆柱结构。Turnstile结构的反射损耗如图2(b)所示。

图2　Turnstile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。常用的E面弯转结构如图3所示[14]。因设计的相对带宽达到50%，在如此宽的带宽内要保证E面弯转的回波损耗尽量低，设计中采用的是3阶阶梯型E面弯转，如图4(a)所示。为了加工方便，在一个E面的两端加了半径0.5 mm的圆形倒脚。E面弯转的回波损耗如图4(b)所示。

图3　常用E面弯转结构

1.3Y形功率合成器和切比雪夫阻抗匹配器设计

Turnstile结构利用对称结构，扩展了正交模耦合器的工作带宽，但是却把馈源输入信号分成了各自对称的2份，且相位相差180°，因此还需要功率合成器进行功率合成。功率合成器一般有Y型和T型2种结构，通过对2种结构的仿真对比，采用Y型功率合成器。为了保证在50%的相对带宽能有好的驻波特性，Y型功率合成器没有采用传统的圆弧结构，而是采用三线式结构，如图5所示(单位：mm)。原点是(0,0)，三线式结构的3个端点的坐标分别为(-0.65,1.35)、(-1.55,2.25)和(2.9,2.85)。Y形功率合成器的两臂之间连接也没有采用传统的没有间隔的结构，而是采用了长为0.1 mm的间隔。为了方便加工，三线结构的3个端点分别采用半径0.5 mm的倒角。

图5　Y型功率合成器结构

1.47节切比雪夫阻抗变换器

为了便于连接，需要把正交模耦合器的输出匹配到标准矩形波导。波导横截面上的不连续在毫米波段不能仅仅用阻抗变化来表示，因为阻抗变换器各段的高度变化时，会产生边缘电容。它的存在会影响变换器的性能，要用修正各节的长度来抵消它的影响，最后的切比雪夫阻抗变换器结构如图6所示。

图6　切比雪夫阻抗变换器

2　仿真结果分析

对Turnstile结构、E面弯转、Y形功率合成器和7节切比雪夫阻抗匹配器分别优化完后，再把4部分合成Turnstile结构的OMT。OMT的回波损耗如图7所示，在50%的相对带宽下(30～50 GHz)，2个垂直的线极化波的回波损耗优于-22 dB。

图7　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。正交隔离度和交叉极化如图8所示。正交隔离度优于-46 dB，交叉极化优于-42 dB。

图8　交叉极化和正交隔离度

仿真结果表明，该正交模耦合器在总体上达到了较好的指标，在50%的相对带宽下，仍能保持较好的回波损耗和正交隔离度。

3　结束语

利用HFSS电磁仿真软件，设计了7 mm波段的Turnstile结构OMT。与BΦifot结构OMT相比，Turnstile结构OMT的公共端口为圆波导，通过圆波导过渡可以直接与馈源输入口相连，而BΦifot结构OMT公共端口为方波导，与馈源输入端口相连还需要进行方圆波导转换。在毫米波段，多一个器件通过法兰盘连接，都有可能在实际工程中造成驻波的恶化。在相对带宽达到50%的情况下，依然保持良好的电磁性能，满足设计指标要求，为QTT的OMT设计提供了设计经验和技术积累。

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陈卯蒸男，(1975—)，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。

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

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)。

TN823.28

A

1003-3106(2016)10-0054-04

引用格式：陈卯蒸,宁云炜,马军.基于Turnstile结构的超宽带正交模耦合器研究[J].无线电工程,2016,46(10):54-57.