一种紧凑型Ku频段正交模耦合器的设计

一种紧凑型Ku频段正交模耦合器的设计
李东超;何绍林;刘玉龙
【摘要】设计了一种结构极为紧凑的Ku频段正交模耦合器(orthomode transducer,OMT),器件最大尺寸36 mm,公共端口为方波导,适用于复杂的多馈电网络集成系统.通过一系列阶梯变换以及侧壁缝隙耦合形式实现了电磁波的极化过滤,两个输出端口分别对应一种极化波.加工了耦合器实物并进行了测试,实测15％频带范围内端口驻波小于1.6,两端口隔离度小于-50 dB,仿真和实测数据一致.【期刊名称】《电波科学学报》
【年(卷),期】2018(033)004
【总页数】5页(P504-508)
【关键词】正交模耦合器;紧凑型;阶梯变换;缝隙耦合;极化过滤
【作者】李东超;何绍林;刘玉龙
【作者单位】中国电波传播研究所,青岛266107;中国电波传播研究所,青岛266107;中国电波传播研究所,青岛266107
【正文语种】中文
【中图分类】TN801
引言
随着经济社会的快速发展,人们对频谱资源的需求迅速增加,但频谱资源有限,因此对频谱的利用效率提出了较高的要求. 在卫星通信系统中,为了提高通信系统的频率效
率和增加通信容量,通常利用双极化特性来工作. 正交模耦合器(orthomode mransducer, OMT)能够分离正交极化信号,是天馈线系统的重要组成部分[1-2],因此,其性能的好坏直接决定着天馈线系统的整体水平. A.M.Bøifot根据设计以及结构的复杂性将OMT划分为对称形和非对称形两种结构形式[3].
对称形OMT多为宽带设计,其工作带宽多为40%～70%[4-6],甚至有作者提出其带宽能够达到三倍频[7]. 这种宽带OMT通常是将常规波导的两个对称波导枝节进行折叠,并在此基础上进行设计,两对称枝节能够有效抑制高次模的产生,因此能够较容易扩展工作带宽. 但是,这种设计亦存在明显缺点,即OMT的设计变得更加复杂,结构尺寸更大.
非对称形OMT是一种窄带设计, 工作带宽仅为10%～20%. 这种窄带OMT 两个端口之间需要保持一定的距离,该距离能够抑制高次模. 窄带OMT的每个端口可分别用一个对称平面来分析设计.
上述对称形OMT的工作带宽取决于其结构复杂性,非对称形OMT的设计取决于两端口之间的距离,因此并不适用于双频段多馈电网络的集成馈电系统. 文献[8-10]给出了几种形式的紧凑型OMT,这些OMT虽然带宽宽,但是结构复杂,或者结构简单但尺寸较大,均不适用于集成馈电系统.
文中设计了一种结构极为紧凑、同时适用于复杂多馈电集成系统的OMT. 该设计基于双极化方波导,通过一系列阶梯变换以及侧壁缝隙耦合实现极化分离,两个输出端口分别对应一个极化波,可以实现紧凑的结构设计,同时具有良好的馈电性能.
1 紧凑型OMT的工作原理
紧凑型OMT更容易集成到天馈线系统中,它通常是由方波导或者圆波导接收双极化信号,经过过滤分离再传输到另外两个端口. 设计这种结构非常紧凑的OMT,首先要保证所有的端口都有对称平面,从而保证正交极化信号的隔离度,其结构如图1所示.
图1 OMT工作原理图Fig.1 The working principle of OMT
电磁波在波导中传输存在多种模式,以矩形波导为例,可能存在无穷多TEmn和TMmn模,一般情况下,认为TE10模为主模,其他为高次模. 在设计中,矩形波导a>b 的首要条件是保证仅传输TE10模,因此需要满足关系[11-12]:
(1)
一般选择a=0.7λ,b=(0.4～0.5)a.
本文设计的OMT工作频率范围为12.25～14.5 GHz,对应波长范围24.5～20.7 mm,根据上述主模传输要求,a>12.25 mm. 不考虑损耗及传输功率,b的取值要结合所设计天线的尺寸要求确定.
根据波导尺寸a×b,以及传输频率f0,可以计算波导波长,公式为
(2)
主模TE10模的波导波长为
(3)
式中:λg为波导中导模的波导波长;λc为波导中导模的截止波长.
2 OMT的设计
OMT结构如图2所示,可以看出进入OMT公共端口的电磁波将通过阶梯变换以及缝隙耦合的形式分别传输到端口1和端口2.
图2 紧凑型OMT结构图Fig.2 Structure diagram of compact OMT
2.1 结构设计
OMT设计的关键点包括阶梯变换段和侧方耦合段两部分,它们可以实现两个正交极化波(TE10模和TE01模)的分离,其具体结构参数如图3所示.
(a) OMT前视图及参数尺寸(a) The front view and the prameter size of OMT
(b) OMT侧视图及参数尺寸(b) The side view and the prameter size of OMT
(c) OMT定视图及参数尺寸(c) The top view and the prameter size of OMT图
3 OMT在不同角度时的结构示意图Fig.3 The schematic of OMT structure at different angles
从上述结构图形中可以看出阶梯变换段实现了TE10模的匹配,在设计时采用多节四分之一波长变换器的方法,即阶梯段的初始长度为λg/4.根据OMT的工作频率范围,在Ku波段一般选用BJ140波导,因此方波导边长为a,取值15.8 mm,端口1和端口2直接选用BJ140波导内壁尺寸,即截面尺寸为15.8 mm×7.9 mm. 综合考虑工作频带以及驻波比等,阶梯数取值定为3,各节的窄边尺寸取值由15.8 mm渐变至7.9 mm.
端口2的耦合位置H、缝隙的尺寸等对回波损耗影响大,设定初值为
H=3×W0/4,Lslot=3×a/4,Wslot=3×b3_2/4,在此基础上进一步分析优化.
2.2 模型分析
紧凑型OMT设计的关键是要保证两个端口的正交隔离,合适的阶梯变换段和侧方耦合段可以实现两个正交极化波(TE10模和TE01模)的分离,采用有限元分析方法,利用Ansoft HFSS 15.0建立模型并进行优化后,得到的OMT具体结构参数如表1所示.
表1 OMT结构参数尺寸Tab.1 OMT structure parameter size参数取值/mm参数取值/mm W036H26 W120b112.5 W25b210 W35b3_17.9 W46Lslot13.55 s01Wslot4.6
采用表1中的结构参数,计算得到的OMT双端口回波损耗、隔离度和插入损耗如图4所示.
(a) 端口1的回波损耗 (b) 端口2的回波损耗(a) The return loss of port 1 (b)
The return loss of port 2
(c) 端口1和2之间的隔离度 (d) 传输损耗 (c) Isolation of the two ports (d) Transmission loss of the two ports图4 OMT双端口回波损耗、隔离度以及传输损耗的计算结果Fig.4 Simulated return loss、isolution and transmission loss of the OMT
OMT不同参数的取值对两个端口有不同的影响,根据分析计算,发现第二节阶梯段W3、b2变化时对端口1的回波损耗影响较大,如图5所示,Lslot、Wslot等参数变化时对端口2的回波损耗影响较大,如图6所示.
(a) W3变化 (b) b2变化(a) W3 change curve (b) b2 change curve图5 端口1的回波损耗变化曲线Fig.5 The return loss diagram of the port 1
(a) Lslot变化 (b) Wslot变化(a) Lslot change curve (b) Wslot change curve 图6 端口2的回波损耗变化曲线Fig.6 The return loss diagram of the port 2 由图5、图6得出如下结论:
1) 当W3<6 mm、b2<10 mm时,即第二节阶梯段越长、截面宽边尺寸越大,端口1的回波损耗越小;当W3和b2的取值大于临界值时,回波损耗逐渐增大;
2) 当Lslot<13.55 mm、Wslot<4.6 mm时,即侧方缝隙截面的长度宽度越大,端口2的回波损耗越小;当Lslot和Wslot的取值大于临界值时,回波损耗逐渐增大; 根据上述分析,OMT的设计需要综合考虑两个端口的性能后确定各个参数的取值.
3 实验验证及对比
在上述优化设计的基础上按照表1的参数取值加工了样机,该样机包含了OMT以及匹配过渡段(测试用),实物如图7所示.
(a) 侧视图 (b) 顶视图(a) Side view (b) Top view图7 OMT加工实物图Fig.7 Processing object of OMT
可以看出OMT的纵向长度仅为36 mm,尺寸很小,结构紧凑,能够大大降低阵列天
线的尺寸. 我们利用矢量网络分析仪测量了OMT的双端口驻波、隔离度等参数,如图8所示.
图8 OMT实测图片Fig.8 The actual test picture of OMT
图9、图10分别给出了两个端口驻波比(standing-wave ratio, SWR)以及隔离度的测试曲线.
(a) 端口1 (b) 端口2(a) Port 1 (b) Port 2图9 OMT双端口驻波的测试曲线Fig.9 Measured characteristics of draft OMT prototype of SWR at two ports 图10 OMT双端口隔离度的测试曲线Fig.10 Measured characteristics of draft OMT prototype of the 2-port segregation
可以看出在两个频段内端口驻波均小于1.6,隔离度小于-50 dB,测试结果良好. 从上述结果可以看出,设计的OMT结构最大尺寸仅为36 mm,较容易集成到天馈线系统中,器件的工作带宽约为15%,且双端口在工作频带内实测驻波小于1.6,隔离度小于-50 dB,性能优良.
4 结论
本文设计了一种结构极为紧凑,同时适用于多馈电集成系统的OMT,该设计基于方波导,通过一系列阶梯变换和缝隙耦合实现了极化分离,两个输出端口均有一个对称平面,分别对应一种极化波. 设计的OMT纵向最大尺寸仅为工作波长的1.6倍,且在15%的频带范围内具有优良的性能,实测端口驻波小于1.6,隔离度小于-50 dB. 与文献[8-9]相比,OMT的结构尺寸缩小约10%. 本文设计的OMT大大降低了结构复杂性,结构极为紧凑、性能优良,容易集成到天馈线系统中,在卫星通信中有较好的应用前景.
参考文献
【相关文献】
[1] ZHANG H T, WANG W, JIN M P, et al. A dual-polarized array antenna for on-the-move applications in Ku-band[C]//2016 IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications (APWC). Cairns, 19-23 September, 2016: 5-8. [2] LEAL-SEVILLANO C A, RUIZ-CRUZ J A, MONTEJO-GARAI J R, et al. Novel dual-band single circular polarization antenna feeding network for satellite communications[C]//The 8th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2014). The Hague, April 6-11, 2014: 3265-3269.
[3] Das CHAKRABORTY A, DWARI S. Numerical analysis of an unmatched Bøifot junction for X-band orthomode transducer applications[C]//2018 3rd International Conference on Microwave and Photonics (ICMAP). Dhanbad, IEEE, 9-11 February, 2018.
[4] DU Y, TANG Z X, ZHANG B, et al. A broad band orthomode transducer[C]//2010 International Symposium on Intelligent Signal Processing and Communication Systems. Chengdu, December 6-8, 2010.
[5] RUIZ-CRUZ J A, MONTEJO-GARAI J R, LEAL-SEVILLANO C A, et al. Orthomode transducers with folded double-symmetry junctions for broadband and compact antenna feeds[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2018, 66(3): 1160-1168.
[6] 孙立杰. Ka波段宽带正交模耦合器设计[J]. 现代雷达, 2017, 39(6): 54-57.
SUN L J. Design of a Ka wide band ortho-mode transducer[J]. Modern radar, 2017, 39(6): 54-57.(in Chinese)
[7] 邱苗苗.宽带正交模耦合器的设计[J].微波学报, 2016(S1):159-162.
[8] KAMILI A E, TRIBAK A,TERHZAZ J, et al. Design and simulation of a multiband orthomode transducer in K/Ka band for satellite communications[C]//2017 International Conference Advanced Technologies for Signal And Image Processing (ATSIP). IEEE, May 22-24, 2017.
[9] 卢绍鹏, 许智. 一种结构紧凑的C频段正交模耦合器设计[J]. 空间电子技术, 2015, 6: 87-94. LU S P, XU Z. A design of compact C-band orthomode transducer[J]. Space electronic technology, 2015, 6: 87-94.(in Chinese)
[10] 谢瑞华, 沈宗珍, 刘波. 一种结构紧凑的正交模耦合器[J]. 空间电子技术, 1997(3): 34-36.
[11] 魏文元, 宫德明, 陈必森. 天线原理[M]. 北京: 国防工业出版社, 1985.
[12] 廖承恩. 微波技术基础[M]. 西安: 西安电子科技大社学出版, 2005.。