一種C波段寬帶正交模耦合器設計

正交模耦合器（OMT，Ortho-mode Transducer）作為一種無源微波器件，一般用于分離兩個相互垂直的極化模式。這種方式可以使兩種極化在同頻段內獨立工作，不僅有利于頻率復用，還提高了系統(tǒng)的通信效率和容量^[1]。雙極化天線饋電網(wǎng)絡常應用于衛(wèi)星通訊系統(tǒng)，OMT 作為天線饋源系統(tǒng)的重要器件，可以實現(xiàn)天線的雙極化。將從公共波導通道輸入的正交線極化波分離到兩路獨立的輸出通道，并使兩路輸出通道匹配且保持較高的隔離度。傳統(tǒng)的OMT 通常是介質或金屬擋板類型，雖然結構容易加工，但其相對帶寬通常低于20%。隨著應用需求的提高，寬帶高頻的OMT 得到快速發(fā)展，例如Boifot-OMT^[2]、Turnstile-OMT^[3]。這些OMT 的結構一般是對稱的，可以抑制高階模式的產(chǎn)生，從而實現(xiàn)寬帶主模式的傳播。

本文設計了一種C 波段的寬帶Boifot-OMT。首先對OMT 的關鍵部分進行理論分析與優(yōu)化設計，通過垂直極化通路和水平極化通路的獨立仿真，然后闡述了OMT 使正交極化波分離的工作原理，最后整體仿真得到了相對帶寬可達43% 的寬帶OMT，實現(xiàn)了寬帶低損耗高隔離。

圖1 寬帶正交模耦合器模型示意圖

1 OMT設計的理論基礎

OMT 整體結構物理上表現(xiàn)為三端口器件，1 個公共端口輸入正交極化波，兩個終端口分別輸出垂直極化波和水平極化波。在電氣上表現(xiàn)為四端口器件，公共端口提供兩個端口來輸入正交極化主模式。圖2 給出了OMT 的理論等效電路，兩個相互垂直的線極化從公共端口的方波導饋入，分別在方波導上形成TE₁₀ 模和TE₀₁ 模兩個主模式。OMT 將這兩個正交的主模分離開來，分別傳輸和分配到兩個終端口，并且擁有很高的通道隔離度^[4]。OMT 的理想四端口散射矩陣可以由式（1）表示：

對于TE₁₀ 模和TE₀₁ 模而言，方波導過渡到標準波導的設計理論也很重要。對于截面尺寸a ?b，填充空氣的矩形波導，其阻抗計算公式為：

其中，λ 表示波長；μ 和ε分別表示空氣磁導率和空氣介電常數(shù)。為了提高OMT 的工作帶寬，利用切比雪夫阻抗變換進行設計。根據(jù)切比雪夫阻抗變換關系可求出滿足所需要求的各級變換的阻抗值，因此可以得到相應的波導尺寸^[5-6]。此外，在各部分波導連接處的不連續(xù)性會激勵高階模式，影響主模的場分布，從而影響OMT 的工作帶寬。若結構波導內的不連續(xù)性和兩個正交極化模都是對稱的，根據(jù)下式可知^[7]：

當OMT 的結構對兩個正交模式都呈對稱性時，可以限制高階模式的激勵，從而可以提高工作帶寬和隔離度^[8]。

圖2 OMT四端口等效電路圖

2 關鍵部位的設計與分析

為了更清晰地分析OMT 的工作原理以及高效地設計，我們把結構分成兩部分獨立仿真與分析。其中垂直極化通路由Boifot 接頭和切比雪夫變換器構成，而水平極化通路由Boifot 接頭、E 面轉彎、Y 型功分器和切比雪夫變換器組成。兩個極化波導輸出終端口皆為標準BJ58 波導，輸入正交極化的方波導的邊長等于BJ58 的寬邊，有利于與外部部件的對接。先對每條通路進行獨立仿真和優(yōu)化，然后再對整體結構進行模擬，這樣不僅提高了器件設計的效率還有利于OMT 工作原理的理解。

2.1 垂直極化通路

正交極化信號饋入公共波導端口經(jīng)過Boifot 接頭、切比雪夫匹配器，從垂直極化波導終端口輸出一路垂直極化（圖1 Pol.V）信號。Boifot 接頭是分離正交極化信號的關鍵部位。對于垂直極化信號（TE₁₀ 模），對稱的雙脊階梯狀金屬薄片呈現(xiàn)容性，可以有效防止其傳播到雙脊的兩側波導內。因此，TE₁₀ 模的能量主要通過雙脊階梯狀金屬薄片上下方被等分成兩部分，之后又匯合到一起從后端的三階切比雪夫匹配器輸出。在雙脊階梯狀金屬薄片兩側對稱分布的金屬圓柱起到了增強模反射的作用，有利于TE₁₀模的能量聚集在垂直極化通路內。所設計的Boifot 接頭模型如圖3（b）所示，圖4 展示了垂直極化終端口的電壓駐波比。

2.2 水平極化通路

正交極化信號饋入公共波導端口經(jīng)過Boifot 接頭、E 面轉彎、Y 型功分器及切比雪夫匹配器從水平極化波導終端口輸出一路水平極化（圖1 Pol.H）信號。對于水平極化波（TE₀₁ 模），Boifot 接頭中的雙脊階梯狀金屬薄片可以把水平極化能量等分成兩部分進入兩側的波導臂中，同時抑制垂直極化波的進入。在雙脊階梯狀金屬薄片兩側對稱分布的金屬圓柱可以用來進行阻抗匹配。由于轉彎波導的不連續(xù)性，可能會引起高階模式。由于OMT 的對稱性設計，不對稱的高階模電場相反，所以經(jīng)過Y 型功分器合成后會被抵消，有利于TE₀₁ 模在水平極化通帶輸出。圖5 和圖6 分別給出了Y 型功分器的模型示意圖和水平極化終端口的駐波比。

3 OMT整體仿真與分析

通過以上對結構分解后的部位獨立仿真及優(yōu)化，設計了一種C 波段的寬帶OMT。在4.4~6.8 GHz 頻帶內，垂直極化和水平極化終端口的駐波比都低于1.25。利用電磁仿真軟件HFSS 對整體結構進行仿真，OMT 的主要電氣指標分別是回波損耗、隔離度、交叉極化以及傳輸損耗，其仿真結果如下。

圖7 給出了垂直極化通路和水平極化通路輸出端口的回波損耗，在C 波段兩者小于-20 dB，其相對帶寬達到了43%。兩條通路的傳輸損耗如8 圖所示，均小于0.07 dB。可以滿足射電天文學以及無線通訊系統(tǒng)等多個領域的應用指標需求。

垂直極化通路和水平極化通路輸出終端口的隔離度和交叉極化如圖9 和10 所示。在全頻段，OMT 的隔離度大于57 dB，垂直極化通路和水平極化通路的交叉極化水平低于-60 dB。

4 結束語

本文設計了一種C 波段寬帶正交耦合器，闡述了擴展正交耦合器帶寬的方法。在4.4 ～ 6.8 GHz（相對帶寬達到43%）的頻帶內，回波損耗小于-20 dB，傳輸損耗小于0.07 dB，端口隔離度優(yōu)于-57 dB，交叉極化水平低于-60 dB，擁有良好的電氣性能，適用于雷達探測、電子對抗以及無線通訊系統(tǒng)等多個領域。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期）