基于BΦifot結(jié)構(gòu)的雙脊波導(dǎo)超寬帶正交模耦合器設(shè)計(jì)

陳卯蒸，寧云煒，馬　軍，曹　亮

(1.中國(guó)科學(xué)院 新疆天文臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國(guó)科學(xué)院 射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008)

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基于BΦifot結(jié)構(gòu)的雙脊波導(dǎo)超寬帶正交模耦合器設(shè)計(jì)

陳卯蒸1，2，寧云煒1，2，馬軍1，2，曹亮1，2

(1.中國(guó)科學(xué)院 新疆天文臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國(guó)科學(xué)院 射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008)

射電天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展對(duì)天線饋源的寬帶性提出了更高的要求，作為實(shí)現(xiàn)雙極化天線饋源系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，正交模耦合器的寬帶性能將直接影響寬帶天線的性能。分析了雙脊波導(dǎo)厚度對(duì)于水平/垂直極化波的影響，使用電磁仿真軟件HFSS對(duì)水平/垂直極化波模式進(jìn)行分析，對(duì)7mm波段(30～50GHz)的正交模耦合器進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化，在50%相對(duì)帶寬內(nèi)，回波損耗優(yōu)于-21dB，正交隔離度優(yōu)于-50dB，為進(jìn)一步開展毫米波寬帶OMT的研究提供理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

正交模耦合器；超寬帶；BΦifot結(jié)構(gòu)；雙脊波導(dǎo)

0　引言

超寬帶和毫米波是射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)展的趨勢(shì)。新疆110m射電望遠(yuǎn)鏡(QiTaiRadioTelescope，QTT)正在開展關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)先研究[1]。QTT的接收頻段覆蓋范圍300MHz～117GHz。單體接收機(jī)將采用國(guó)際前沿的寬帶化設(shè)計(jì)以滿足望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)目標(biāo)需求。QTT各波段接收機(jī)的帶寬比都達(dá)到了一個(gè)倍頻程以上。

7mm波段是VLBI和分子譜線研究的一個(gè)熱點(diǎn)，國(guó)際上許多射電望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)覆蓋到7mm波段。目前已經(jīng)建成并公開發(fā)表相關(guān)成果的最寬的7mm波段接收機(jī)是ALMA(AtacamaLargeMillimeter/sub-millimeterArray)的band1接收機(jī)[2]，其工作頻率為31～45GHz，相對(duì)帶寬為37%。新疆天文臺(tái)正在設(shè)計(jì)的7mm波段接收機(jī)，工作帶寬達(dá)到30～50GHz，相對(duì)帶寬達(dá)到50%，是目前世界上最寬的7mm波段接收機(jī)。

正交模耦合器(Ortho-modeTransducer,OMT)是射電天文接收機(jī)饋源系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，它的帶寬決定了單體接收機(jī)的工作帶寬。OMT的寬帶設(shè)計(jì)主要分成Turnstile結(jié)構(gòu)[3-4]和BΦifot[5]結(jié)構(gòu)2種，其中BΦifot結(jié)構(gòu)又分為金屬隔板[6-7]和雙脊波導(dǎo)[8]2種結(jié)構(gòu)。Turnstile結(jié)構(gòu)有4個(gè)分支臂，因此加工裝配難度大且占用空間體積較大[9]；金屬隔板BΦifot結(jié)構(gòu)占據(jù)空間較小，但是隔板和金屬孔在毫米波波段加工難度很大。因此采用雙脊波導(dǎo)BΦifot結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了7mm波段OMT，工作頻率30～50GHz,利用HFSS電磁仿真軟件對(duì)各個(gè)參數(shù)精確優(yōu)化，在50%的相對(duì)帶寬內(nèi)，回波損耗優(yōu)于-21dB，正交隔離度優(yōu)于-50dB。仿真結(jié)果在帶寬比band1接收機(jī)寬的條件下，優(yōu)于band1接收機(jī)的OMT[10]。

1　OMT設(shè)計(jì)

雙脊波導(dǎo)BΦifot結(jié)構(gòu)OMT是從金屬隔板BΦifot結(jié)構(gòu)改進(jìn)而來，金屬隔板的厚度與其工作波長(zhǎng)有關(guān)。在毫米波段，金屬隔板會(huì)變得非常薄，在加工裝備時(shí)容易引起形變，導(dǎo)致OMT性能惡化。雙脊波導(dǎo)BΦifot結(jié)構(gòu)取代金屬隔板結(jié)構(gòu)可以避免上述缺點(diǎn)，其OMT整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　BΦifot結(jié)構(gòu)OMT

饋源輸出的2個(gè)互相垂直的線極化波通過圓-方波導(dǎo)轉(zhuǎn)化，從OMT的方波導(dǎo)口進(jìn)入，分別成為方波導(dǎo)的2個(gè)主模TE10模和TE01模。雙脊波導(dǎo)BΦifot結(jié)構(gòu)分離2個(gè)主模，2個(gè)主模分別從E面彎轉(zhuǎn)和Y形功率合成器的標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)輸出。雙脊波導(dǎo)BΦifot結(jié)構(gòu)是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以有效抑制金屬波導(dǎo)的高次模，從而增加主模的帶寬。

由于雙脊波導(dǎo)BΦifot結(jié)構(gòu)OMT結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模時(shí)把OMT分為3部分：雙脊波導(dǎo)BΦifot結(jié)構(gòu)、E面彎轉(zhuǎn)和Y形功率合成。仿真時(shí)先分別對(duì)3部分優(yōu)化，最后再合成一起進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。這樣可以大大提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。

1.1雙脊波導(dǎo)BΦifot結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙脊波導(dǎo)BΦifot結(jié)構(gòu)是整個(gè)OMT的核心部分，它是分離2個(gè)正交極化波的關(guān)鍵部分。方波導(dǎo)中的階梯雙脊結(jié)構(gòu)對(duì)于TE10模和TE01模線極化波的作用各不相同。理想的階梯雙脊在方波導(dǎo)中對(duì)TE01模幾乎不影響，對(duì)TE10模呈容性，既可以起到防止TE10模進(jìn)入側(cè)臂，又可以對(duì)TE10模進(jìn)行阻抗匹配，降低反射損耗。為了達(dá)到上述目的，需要合理選擇階梯雙脊的寬度。階梯雙脊寬度太小，導(dǎo)致對(duì)TE10模的阻抗變化過小，不易匹配；階梯雙脊寬度太大，又會(huì)導(dǎo)致對(duì)TE01模的阻抗變化過大，導(dǎo)致TE01模駐波特性惡化。一般階梯雙脊的寬度選為方波導(dǎo)邊長(zhǎng)的1/10～1/15。雙脊波導(dǎo)BΦifot結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，回波損耗如圖2(b)所示。

圖2　雙脊波導(dǎo)BΦifot結(jié)構(gòu)

1.2E面彎轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)

E面彎轉(zhuǎn)是矩形波導(dǎo)在電場(chǎng)面也就是邊長(zhǎng)較長(zhǎng)的面的轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)。E面彎轉(zhuǎn)的作用是把雙脊波導(dǎo)BΦifot結(jié)構(gòu)中分離出的方波導(dǎo)TE10模匹配輸出到標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)[11]，其主要有E面拐角和2個(gè)3階阻抗變換器構(gòu)成。為了保證E面拐角在寬帶下有良好的駐波特性，采用的3階階梯結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3　3階階梯型E面彎轉(zhuǎn)

1.3Y形功率合成器設(shè)計(jì)

雙脊波導(dǎo)BΦifot結(jié)構(gòu)為了擴(kuò)展2個(gè)互相垂直的主模的工作帶寬，采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，但是卻把方波導(dǎo)的TE01模分成了對(duì)稱的兩部分，且相位相差180°，因此還需要功率合成器進(jìn)行功率合成對(duì)其合成，并通過阻抗變換器匹配到標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)。Y型功率合成器如圖4所示。

圖4　Y型功率合成器

2　仿真結(jié)果分析

對(duì)雙脊波導(dǎo)BΦifot、E面彎轉(zhuǎn)和Y形功率合成器分別優(yōu)化完成后，再把3部分合成OMT，利用電磁仿真軟件HFSS再對(duì)整體雙脊波導(dǎo)BΦifot結(jié)構(gòu)OMT進(jìn)行優(yōu)化。OMT的回波損耗如圖5所示，在50%的相對(duì)帶寬下(30～50GHz)，2個(gè)垂直的線極化波的回波損耗優(yōu)于-21dB。

圖5　回波損耗

正交隔離度是2個(gè)互相垂直的線極化主模信號(hào)的隔離度。交叉極化是指正交模耦合器輸入的線極化信號(hào)，經(jīng)過不連續(xù)性后，會(huì)在與它垂直方向產(chǎn)生交叉極化分量。這2個(gè)指標(biāo)決定了圓極化器2個(gè)互相垂直的線極化信號(hào)互相干擾的程度。如圖6所示，正交隔離度和交叉極化都優(yōu)于-50dB，說明正交模耦合器的2個(gè)垂直的信號(hào)互相干擾的程度非常小。

毫米波段的OMT，機(jī)械加工所引起的誤差對(duì)性能影響很大，尤其是本設(shè)計(jì)的OMT，其工作帶寬幾乎已經(jīng)接近波導(dǎo)器件在7mm波段的極限帶寬，留下的設(shè)計(jì)余量很小。為了驗(yàn)證機(jī)械加工誤差對(duì)器件性能的影響，采用HFSS對(duì)所設(shè)計(jì)的OMT的參數(shù)進(jìn)行誤差分析，結(jié)果如表1所示，表1列出的是參數(shù)產(chǎn)生誤差時(shí)的性能最壞值。目前加工精度一般可以控制在±0.01mm，由表1可以看出，即使誤差在±0.03mm時(shí)，OMT的回?fù)軗p耗依然優(yōu)于-19dB,正交隔離度優(yōu)于-42dB，滿足實(shí)際使用要求的回波損耗優(yōu)于-15dB,正交隔離度優(yōu)于-20dB。

圖6　交叉極化和正交隔離度

參數(shù)變化/mm回波損耗/dB正交隔離度/dB-0.03-19.02-46.98-0.02-19.75-48.61-0.01-20.05-50.47設(shè)計(jì)值-21.27-56.52+0.01-20.27-53.03+0.02-19.9149.86+0.03-19.61-46.3

上述結(jié)果表明，該正交模耦合器在總體上達(dá)到了較好的指標(biāo)，而且結(jié)構(gòu)緊湊，體積為65mm×30mm×27mm。在加工中，即使存在加工誤差，在±0.03mm范圍內(nèi)，仍能達(dá)到指標(biāo)要求。

3　結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)利用雙脊方波導(dǎo)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，體積小、易于加工。對(duì)稱結(jié)構(gòu)抑制波導(dǎo)高次模，在有效擴(kuò)展帶寬的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，使OMT依然保持良好的毫米波性能，回波損耗優(yōu)于-21dB，正交隔離度和交叉極化優(yōu)于-50dB。使用先分部設(shè)計(jì)仿真，最后合成優(yōu)化的方法，大大節(jié)約了HFSS仿真的時(shí)間?？紤]到本設(shè)計(jì)加工一次成形，不需要調(diào)試，因此利用HFSS對(duì)加工誤差進(jìn)行了分析。仿真過程中，在47.5GHz處出現(xiàn)了毛刺，分析可能為波導(dǎo)腔體產(chǎn)生諧振。通過改變波導(dǎo)腔體長(zhǎng)度，抑制諧振的產(chǎn)生。本設(shè)計(jì)采用的方法可以應(yīng)用于更高頻段[12]，為QTT的7mm波段OMT提供了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累。

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陳卯蒸男,(1975—)，碩士,正高級(jí)工程師。主要研究方向：射電天文技術(shù)。

寧云煒男，(1980—)，碩士,工程師。主要研究方向：微波毫米波電路系統(tǒng)與天線。

ADesignofaDouble-ridgedUltraWidebandWaveguideOrtho-modeTransducerBasedonBΦifot

CHENMao-zheng1,2，NINGYun-wei1,2，MAJun1,2,CAOLiang1,2

(1.Xinjiang Observatory,Chinese Academy of Sciences,Urumqi Xinjiang 830011,China;2.Key Laboratory of Radio Astronomy,Chinese Academy of Sciences,Nanjing Jiangsu 210008,China)

ThedevelopmentofradioAstronomytelescoperequiresantennafeedwithwiderbandwidth.Asakeydevicetorealizedualpolarizedantennafeedsystem,theperformanceofortho-modetransduceronbandwidthwilldirectlyaffectthatofthebroadbandantenna.Thearticleanalyzestheeffectofdouble-ridgedwaveguidethicknessonthehorizontally/verticallypolarizedwave,analyzeshorizontally/vertically-polarizedwavemodewithelectromagneticsimulationsoftwareHFSS,anddesignsandoptimizestheortho-modetransducerforthe7mmband(30～50GHz).Within50%relativebandwidth,returnlossisbetterthan-21dB,orthogonalisolationisbetterthan-50dB,whichprovidestheoreticaldesignfoundationfortheresearchonmillimeterwavebroadbandOMT.

ortho-modetransducer;ultra-wideband;BΦifotstructure;double-ridgedwaveguide

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.12引用格式：陳卯蒸，寧云煒，馬軍，等.基于BΦifot結(jié)構(gòu)的雙脊波導(dǎo)超寬帶正交模耦合器設(shè)計(jì)[J].無線電工程,2016,46(8):47-50.

2016-05-06

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2015CB857100)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1431230)；“西部之光”后續(xù)支持項(xiàng)目(2015-HXZC-01)。

TN823.28A

1003-3106(2016)08-0047-04