一種C波段寬帶正交模耦合器設(shè)計(jì)

正交模耦合器（OMT，Ortho-mode Transducer）作為一種無(wú)源微波器件，一般用于分離兩個(gè)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(nèi)獨(dú)立工作，不僅有利于頻率復(fù)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(luò)常應(yīng)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(shí)現(xiàn)天線的雙極化。將從公共波導(dǎo)通道輸入的正交線極化波分離到兩路獨(dú)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(zhì)或金屬擋板類型，雖然結(jié)構(gòu)容易加工，但其相對(duì)帶寬通常低于20%。隨著應(yīng)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(jié)構(gòu)一般是對(duì)稱的，可以抑制高階模式的產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)寬帶主模式的傳播。

本文設(shè)計(jì)了一種C 波段的寬帶Boifot-OMT。首先對(duì)OMT 的關(guān)鍵部分進(jìn)行理論分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過垂直極化通路和水平極化通路的獨(dú)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(duì)帶寬可達(dá)43% 的寬帶OMT，實(shí)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(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

OMT 整體結(jié)構(gòu)物理上表現(xiàn)為三端口器件，1 個(gè)公共端口輸入正交極化波，兩個(gè)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(gè)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(gè)相互垂直的線極化從公共端口的方波導(dǎo)饋入，分別在方波導(dǎo)上形成TE₁₀ 模和TE₀₁ 模兩個(gè)主模式。OMT 將這兩個(gè)正交的主模分離開來，分別傳輸和分配到兩個(gè)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(duì)于TE₁₀ 模和TE₀₁ 模而言，方波導(dǎo)過渡到標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的設(shè)計(jì)理論也很重要。對(duì)于截面尺寸a ?b，填充空氣的矩形波導(dǎo)，其阻抗計(jì)算公式為：

其中，λ 表示波長(zhǎng)；μ 和ε分別表示空氣磁導(dǎo)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(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)切比雪夫阻抗變換關(guān)系可求出滿足所需要求的各級(jí)變換的阻抗值，因此可以得到相應(yīng)的波導(dǎo)尺寸^[5-6]。此外，在各部分波導(dǎo)連接處的不連續(xù)性會(huì)激勵(lì)高階模式，影響主模的場(chǎng)分布，從而影響OMT 的工作帶寬。若結(jié)構(gòu)波導(dǎo)內(nèi)的不連續(xù)性和兩個(gè)正交極化模都是對(duì)稱的，根據(jù)下式可知^[7]：

當(dāng)OMT 的結(jié)構(gòu)對(duì)兩個(gè)正交模式都呈對(duì)稱性時(shí)，可以限制高階模式的激勵(lì)，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(guān)鍵部位的設(shè)計(jì)與分析

為了更清晰地分析OMT 的工作原理以及高效地設(shè)計(jì)，我們把結(jié)構(gòu)分成兩部分獨(dú)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(gòu)成，而水平極化通路由Boifot 接頭、E 面轉(zhuǎn)彎、Y 型功分器和切比雪夫變換器組成。兩個(gè)極化波導(dǎo)輸出終端口皆為標(biāo)準(zhǔn)BJ58 波導(dǎo)，輸入正交極化的方波導(dǎo)的邊長(zhǎng)等于BJ58 的寬邊，有利于與外部部件的對(duì)接。先對(duì)每條通路進(jìn)行獨(dú)立仿真和優(yōu)化，然后再對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，這樣不僅提高了器件設(shè)計(jì)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(hào)饋入公共波導(dǎo)端口經(jīng)過Boifot 接頭、切比雪夫匹配器，從垂直極化波導(dǎo)終端口輸出一路垂直極化（圖1 Pol.V）信號(hào)。Boifot 接頭是分離正交極化信號(hào)的關(guān)鍵部位。對(duì)于垂直極化信號(hào)（TE₁₀ 模），對(duì)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(cè)波導(dǎo)內(nèi)。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(cè)對(duì)稱分布的金屬圓柱起到了增強(qiáng)模反射的作用，有利于TE₁₀模的能量聚集在垂直極化通路內(nèi)。所設(shè)計(jì)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(hào)饋入公共波導(dǎo)端口經(jīng)過Boifot 接頭、E 面轉(zhuǎn)彎、Y 型功分器及切比雪夫匹配器從水平極化波導(dǎo)終端口輸出一路水平極化（圖1 Pol.H）信號(hào)。對(duì)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(jìn)入兩側(cè)的波導(dǎo)臂中，同時(shí)抑制垂直極化波的進(jìn)入。在雙脊階梯狀金屬薄片兩側(cè)對(duì)稱分布的金屬圓柱可以用來進(jìn)行阻抗匹配。由于轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)的不連續(xù)性，可能會(huì)引起高階模式。由于OMT 的對(duì)稱性設(shè)計(jì)，不對(duì)稱的高階模電場(chǎng)相反，所以經(jīng)過Y 型功分器合成后會(huì)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(duì)結(jié)構(gòu)分解后的部位獨(dú)立仿真及優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種C 波段的寬帶OMT。在4.4~6.8 GHz 頻帶內(nèi)，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(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，OMT 的主要電氣指標(biāo)分別是回波損耗、隔離度、交叉極化以及傳輸損耗，其仿真結(jié)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(duì)帶寬達(dá)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(xué)以及無(wú)線通訊系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用指標(biāo)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(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種C 波段寬帶正交耦合器，闡述了擴(kuò)展正交耦合器帶寬的方法。在4.4 ～ 6.8 GHz（相對(duì)帶寬達(dá)到43%）的頻帶內(nèi)，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(dá)探測(cè)、電子對(duì)抗以及無(wú)線通訊系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期）