新型双频段正交模耦合器的分析和设计

张海福，吴蓉蓉，张庆伟

(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.石家庄市第十一中学，河北 石家庄 050006)

新型双频段正交模耦合器的分析和设计

张海福1，吴蓉蓉1，张庆伟2

(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.石家庄市第十一中学，河北 石家庄 050006)

正交模耦合器是天馈系统中的重要组成部件，其特性直接影响到整个系统的通信质量。提出了一种新型的极高频(EHF)、Ka双频段正交模耦合器，在收发端口获得了良好的驻波比特性，同时在发射频段具有很好的隔离度。借助三维仿真软件HFSS设计了一个应用在EHF、Ka频段的双频段正交模耦合器，对其尺寸和结构进行了优化，并进行了加工和测试。测试结果与仿真结果吻合较好，对所提出正交模耦合器的性能进行了验证。

正交模耦合器；双频段；极高频频段；隔离度

0 引言

正交模耦合器(OMT)广泛应用于双极化天馈系统，特别是在大容量通信系统中，其性能优劣直接影响整个系统的通信质量[1]。OMT可以分离和组合相同频段内的正交模式，从而增加通信系统的通信容量[2]。

OMT也可设计成双频工作，这种OMT常用于2个相距较远的独立频段的同时传输，其作用类似于双工器[3]。但与传统的频率双工器有所不同，双频OMT用2个相互正交的极化波分别发射和接收不同的频率，同时利用2个不同极化波的正交特性来实现收发信号的隔离[4]。

目前各种形式的正交模耦合器研究较多，更高频率以及宽带成为研究的重点[5]。本文设计的正交模耦合器属于双频段正交模耦合器，旨在2段窄的工作频带内追求高性能，即发射频段的低VSWR、高隔离度，同时要结构简单体积小等[6]。其设计难点在于：① 收发频段相差很远，无法同时在收发频段内实现主模传输，高次模的产生将严重恶化OMT的性能，所以正交模耦合器必须具有很好的高次模抑制能力[7]；② 收发端口在发射频段内的隔离度要求达到60 dB以上，这用常规结构很难实现[8]。

1 总体设计及仿真分析

设计的正交模耦合器为双频段窄带正交模耦合器，其结构示意图如图1所示。位于公共端口的主模TE01模在阶梯过渡段截止并被反射，然后通过谐振窗耦合到耦合端口输出。公共端口中的TE10模直接通过阶梯过渡段在直通端口输出[9]。

图1 正交模耦合器结构示意

设计的双频段正交模耦合器接收频段为20.2～21.2 GHz，发射频段为43.5～ 45.5 GHz，收发频段相隔太远，无法同时在收发频段内用主模传输，频率较高的发射信号激励起的高次模将严重影响OMT的指标，所以设计时必须要求有很好的高次模抑制能力[10]。

公共端口的尺寸必须和后面的圆极化器尺寸一致，以此计算，发射信号在公共端口可以传输的高次模有TM01模和TE21模[11]。所以必须设计合理的过渡段的结构尺寸来抑制高次模的产生。本文抑制高次模的方法是通过设计合理的渐变过渡段，尽量减小过渡段的不连续性，从而有效地抑制高次模的产生[12]。

1.1 端口尺寸的选择

正交模耦合器的发射频段为43.5～45.5 GHz，为保证单模传输，选用WR22矩形波导作为输入端口，该波导的横截面尺寸为5.690 mm×2.845 mm。接收频段为20.2 ～21.2 GHz，为保证单模传输同时保证耦合端的性能，选用非标准波导端口，该波导的横截面尺寸为8.6 mm×2 mm。公共端口的尺寸为8.3 mm×8.3 mm[13]。

1.2 仿真结果分析

使用ANSYS公司出品的HFSS电磁仿真软件对所提出方案进行了仿真和优化，仿真建模时充分考虑加工的可实现性，在一些不易加工的地方做了相关处理[14]。最终尺寸和仿真模型如图2所示，仿真结果如图3所示。

图2 正交模耦合器仿真模型

图3 正交模耦合器的仿真结果

仿真结果表明，在接收频段内驻波比小于1.3，发射频段内驻波比小于1.1，发射频段内的收发隔离度大于63 dB。所设计正交模耦合器的结构和尺寸得到了十分优越的性能，不仅达到了设计目标值，而且有较高冗余。设计过程中采用了各段分别设计、优化的策略，除大幅度缩短设计时间外，得到的仿真结果也验证了该策略的可靠性。

2 实物加工及测试

对所设计的正交模耦合器进行了加工和测试，最终的加工结构由2个不对称铝块贴合而成，如图4所示。为避免连接不紧密造成的性能恶化，在贴合处采用精密焊接的方式[15-16]。

图4 正交模耦合器实物

按照仿真优化的尺寸进行了加工，并使用R&S公司的ZVA50矢量网络分析仪进行了测试，所用校准件为Agilent公司的85056D 2.4 mm经济型校准件。所得到的测试结果如图5所示，其中，图5(a)为接收端口的驻波比特性；图5(b)为发射端口的驻波比特性；图5(c)为收发端口在发射频段的隔离度特性。测试时公共端口接匹配喇叭天线[17-18]。

测试结果表明，在接收频段内驻波比小于1.4，发射频段内驻波比小于1.22，发射频段内的收发隔离度优于60 dB。与仿真结果相比，收发端口的驻波比特性略有恶化，发射频段影响较大，但仍是一个很优的水准，完全能满足系统要求。收发频段隔离度指标降低了3 dB，相对差距较大，不过也达到了设计目标，仍能满足系统要求。

本文所设计的正交模耦合器频率较高，尤其是发射频段为EHF频段，受加工条件限制，加工尺寸和设计尺寸存在一定的偏差，所设计的不对称结构对尺寸的精度要求更高，因此受加工影响较大。同时由于软件仿真设置带来的误差，所以实测结果与仿真结果有一定的偏差。

图5 正交模耦合器的实测结果

3 结束语

设计了一种Ka/EHF双频段正交模耦合器，介绍了该正交模耦合器的工作原理、设计过程及设计结果。实测结果显示，该双频正交模耦合器低频段驻波比小于1.4，高频段驻波比小于1.22，高频段内的收发隔离度优于60 dB，完全满足了工程使用要求。同时，该正交模耦合器具有结构紧凑、可靠性高等优点，可广泛地应用于Ka/EHF双频段卫星天线和地球站天馈系统以及大规模阵列中，具有较高的工程应用价值和良好的应用前景。

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Design and Analysis of a New Type Dual-bandOrtho-mode Transducer

ZHANG Hai-fu1，WU Rong-rong1，ZHANG Qing-wei2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.The11thHighSchoolofShijiazhuangCity,ShijiazhuangHebei050006,China)

Ortho-Mode Transducer(OMT)is an important component in antenna and feed system.Its character has distinct influence on the communication quality of the whole system.A new type dual-band OMT of EHF and Ka band is proposed in this paper.Its structure exhibit good VSWR in both receive and send port,and provides a very good isolates degree.The design of this dual-band OMT worked in EHF and Ka band is described in this paper.3D simulations soft HFSS are employed to design and optimize the dimensions,while fabrication and measurement were made.Measured results show a good agreement with simulations,which validates the performance of the proposed OMT.

Ortho-Mode Transducer(OMT);dual-band;EHF frequency range;isolates degree

2017-03-06

海洋公益性行业科研专项基金资助项目(201305028-5)。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.13

张海福，吴蓉蓉，张庆伟.新型双频段正交模耦合器的分析和设计[J].无线电工程,2017,47(6):52-55.[ZHANG Haifu，WU Rongrong，ZHANG Qingwei.Design and Analysis of a New Type Dual-band Ortho-mode Transducer[J].Radio Engineering,2017,47(6):52-55.]

TN622

A

1003-3106(2017)06-0052-04

张海福 男，(1986—)，工程师。主要研究方向：微波电路设计。

吴蓉蓉 女，(1987—)，工程师。主要研究方向：微波电路设计。