張海福，吳蓉蓉，張慶偉

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.石家莊市第十一中學(xué)，河北 石家莊 050006)

新型雙頻段正交模耦合器的分析和設(shè)計(jì)

張海福1，吳蓉蓉1，張慶偉2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.石家莊市第十一中學(xué)，河北 石家莊 050006)

正交模耦合器是天饋系統(tǒng)中的重要組成部件，其特性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量。提出了一種新型的極高頻(EHF)、Ka雙頻段正交模耦合器，在收發(fā)端口獲得了良好的駐波比特性，同時(shí)在發(fā)射頻段具有很好的隔離度。借助三維仿真軟件HFSS設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用在EHF、Ka頻段的雙頻段正交模耦合器，對(duì)其尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并進(jìn)行了加工和測(cè)試。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，對(duì)所提出正交模耦合器的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

正交模耦合器；雙頻段；極高頻頻段；隔離度

0 引言

正交模耦合器(OMT)廣泛應(yīng)用于雙極化天饋系統(tǒng)，特別是在大容量通信系統(tǒng)中，其性能優(yōu)劣直接影響整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量[1]。OMT可以分離和組合相同頻段內(nèi)的正交模式，從而增加通信系統(tǒng)的通信容量[2]。

OMT也可設(shè)計(jì)成雙頻工作，這種OMT常用于2個(gè)相距較遠(yuǎn)的獨(dú)立頻段的同時(shí)傳輸，其作用類似于雙工器[3]。但與傳統(tǒng)的頻率雙工器有所不同，雙頻OMT用2個(gè)相互正交的極化波分別發(fā)射和接收不同的頻率，同時(shí)利用2個(gè)不同極化波的正交特性來(lái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)信號(hào)的隔離[4]。

目前各種形式的正交模耦合器研究較多，更高頻率以及寬帶成為研究的重點(diǎn)[5]。本文設(shè)計(jì)的正交模耦合器屬于雙頻段正交模耦合器，旨在2段窄的工作頻帶內(nèi)追求高性能，即發(fā)射頻段的低VSWR、高隔離度，同時(shí)要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單體積小等[6]。其設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于：① 收發(fā)頻段相差很遠(yuǎn)，無(wú)法同時(shí)在收發(fā)頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)主模傳輸，高次模的產(chǎn)生將嚴(yán)重惡化OMT的性能，所以正交模耦合器必須具有很好的高次模抑制能力[7]；② 收發(fā)端口在發(fā)射頻段內(nèi)的隔離度要求達(dá)到60 dB以上，這用常規(guī)結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)[8]。

1 總體設(shè)計(jì)及仿真分析

設(shè)計(jì)的正交模耦合器為雙頻段窄帶正交模耦合器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。位于公共端口的主模TE01模在階梯過(guò)渡段截止并被反射，然后通過(guò)諧振窗耦合到耦合端口輸出。公共端口中的TE10模直接通過(guò)階梯過(guò)渡段在直通端口輸出[9]。

圖1 正交模耦合器結(jié)構(gòu)示意

設(shè)計(jì)的雙頻段正交模耦合器接收頻段為20.2～21.2 GHz，發(fā)射頻段為43.5～ 45.5 GHz，收發(fā)頻段相隔太遠(yuǎn)，無(wú)法同時(shí)在收發(fā)頻段內(nèi)用主模傳輸，頻率較高的發(fā)射信號(hào)激勵(lì)起的高次模將嚴(yán)重影響OMT的指標(biāo)，所以設(shè)計(jì)時(shí)必須要求有很好的高次模抑制能力[10]。

公共端口的尺寸必須和后面的圓極化器尺寸一致，以此計(jì)算，發(fā)射信號(hào)在公共端口可以傳輸?shù)母叽文Ｓ蠺M01模和TE21模[11]。所以必須設(shè)計(jì)合理的過(guò)渡段的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)抑制高次模的產(chǎn)生。本文抑制高次模的方法是通過(guò)設(shè)計(jì)合理的漸變過(guò)渡段，盡量減小過(guò)渡段的不連續(xù)性，從而有效地抑制高次模的產(chǎn)生[12]。

1.1 端口尺寸的選擇

正交模耦合器的發(fā)射頻段為43.5～45.5 GHz，為保證單模傳輸，選用WR22矩形波導(dǎo)作為輸入端口，該波導(dǎo)的橫截面尺寸為5.690 mm×2.845 mm。接收頻段為20.2 ～21.2 GHz，為保證單模傳輸同時(shí)保證耦合端的性能，選用非標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)端口，該波導(dǎo)的橫截面尺寸為8.6 mm×2 mm。公共端口的尺寸為8.3 mm×8.3 mm[13]。

1.2 仿真結(jié)果分析

使用ANSYS公司出品的HFSS電磁仿真軟件對(duì)所提出方案進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，仿真建模時(shí)充分考慮加工的可實(shí)現(xiàn)性，在一些不易加工的地方做了相關(guān)處理[14]。最終尺寸和仿真模型如圖2所示，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 正交模耦合器仿真模型

圖3 正交模耦合器的仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明，在接收頻段內(nèi)駐波比小于1.3，發(fā)射頻段內(nèi)駐波比小于1.1，發(fā)射頻段內(nèi)的收發(fā)隔離度大于63 dB。所設(shè)計(jì)正交模耦合器的結(jié)構(gòu)和尺寸得到了十分優(yōu)越的性能，不僅達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)值，而且有較高冗余。設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了各段分別設(shè)計(jì)、優(yōu)化的策略，除大幅度縮短設(shè)計(jì)時(shí)間外，得到的仿真結(jié)果也驗(yàn)證了該策略的可靠性。

2 實(shí)物加工及測(cè)試

對(duì)所設(shè)計(jì)的正交模耦合器進(jìn)行了加工和測(cè)試，最終的加工結(jié)構(gòu)由2個(gè)不對(duì)稱鋁塊貼合而成，如圖4所示。為避免連接不緊密造成的性能惡化，在貼合處采用精密焊接的方式[15-16]。

圖4 正交模耦合器實(shí)物

按照仿真優(yōu)化的尺寸進(jìn)行了加工，并使用R&S公司的ZVA50矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了測(cè)試，所用校準(zhǔn)件為Agilent公司的85056D 2.4 mm經(jīng)濟(jì)型校準(zhǔn)件。所得到的測(cè)試結(jié)果如圖5所示，其中，圖5(a)為接收端口的駐波比特性；圖5(b)為發(fā)射端口的駐波比特性；圖5(c)為收發(fā)端口在發(fā)射頻段的隔離度特性。測(cè)試時(shí)公共端口接匹配喇叭天線[17-18]。

測(cè)試結(jié)果表明，在接收頻段內(nèi)駐波比小于1.4，發(fā)射頻段內(nèi)駐波比小于1.22，發(fā)射頻段內(nèi)的收發(fā)隔離度優(yōu)于60 dB。與仿真結(jié)果相比，收發(fā)端口的駐波比特性略有惡化，發(fā)射頻段影響較大，但仍是一個(gè)很優(yōu)的水準(zhǔn)，完全能滿足系統(tǒng)要求。收發(fā)頻段隔離度指標(biāo)降低了3 dB，相對(duì)差距較大，不過(guò)也達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，仍能滿足系統(tǒng)要求。

本文所設(shè)計(jì)的正交模耦合器頻率較高，尤其是發(fā)射頻段為EHF頻段，受加工條件限制，加工尺寸和設(shè)計(jì)尺寸存在一定的偏差，所設(shè)計(jì)的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)尺寸的精度要求更高，因此受加工影響較大。同時(shí)由于軟件仿真設(shè)置帶來(lái)的誤差，所以實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果有一定的偏差。

圖5 正交模耦合器的實(shí)測(cè)結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種Ka/EHF雙頻段正交模耦合器，介紹了該正交模耦合器的工作原理、設(shè)計(jì)過(guò)程及設(shè)計(jì)結(jié)果。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，該雙頻正交模耦合器低頻段駐波比小于1.4，高頻段駐波比小于1.22，高頻段內(nèi)的收發(fā)隔離度優(yōu)于60 dB，完全滿足了工程使用要求。同時(shí)，該正交模耦合器具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛地應(yīng)用于Ka/EHF雙頻段衛(wèi)星天線和地球站天饋系統(tǒng)以及大規(guī)模陣列中，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值和良好的應(yīng)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

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(201305028-5)。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.13

張海福，吳蓉蓉，張慶偉.新型雙頻段正交模耦合器的分析和設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,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

張海福 男，(1986—)，工程師。主要研究方向：微波電路設(shè)計(jì)。

吳蓉蓉 女，(1987—)，工程師。主要研究方向：微波電路設(shè)計(jì)。