改进型四脊波导正交模转换器的设计与测量

文章编号:1005 6122(2011)01 0059 05

改进型四脊波导正交模转换器的设计与测量*

庄 重 李 斌 范庆元

(中国科学院上海天文台,上海20030)

摘 要: 为满足上海65m射电望远镜C波段接收机需求,在传统四脊波导OM T(O r t ho m ode T ransducer)基础上设计了一种小尺寸、高性能的宽带四脊波导正交模转换器。介绍了该OM T的结构和工作原理,讨论了设计要点,给出了有限元法(FE M)和时域有限积分法(F IT)的仿真结果,分析了OM T的容差性能,最后实际加工了实验样机。实验结果表明,改进型四脊波导OM T具有尺寸小、频带宽、高性能的特点,能够满足射电天文制冷接收机需求。

关键词: 正交模转换器,四脊波导,容差分析

Desi gn and M easure m ent of I mproved Quad R i dged

Ort ho mode Trans ducers

ZHUANG Z hong,L I B i n,FAN Q i ng yuan

(Shanghai A stronom ical O bservatory,CAS,Shanghai20030,China)

Abstract: A h i gh pe rf o r m ance quad r i dged ortho m ode transducer(OM T)w ith s m all size w as desi gned based on the traditi onal quad ri dged OM T for C band rece i ver of shangha i65m rad i o telescope.The structure and wo rk i ng princ i p l e o f the

i m proved O M T w ere introduced,m a i n des i gn outli nes w ere ana l y zed,si m u lati on resu lts by both FE M and F I T m ethods w ere

g iven and the to lerance o f t he OM T w as ana l yzed.T he proto t ype of t he OM T was fabricated fi na ll y and the m easurem ent re

s u lts show that t he i m proved quad ridged OM T has s m all size,w i de band and h i gh pe rf o r m ances.

K ey word s: o rt ho m ode transducers(OMT),quad ridged w avegu i de,t o lerance ana l y si s

引 言

建设中的上海65m射电望远镜将于2012年完成一期建设,其中包括C波段接收机,该接收机将采用正交模转换器(OMT)结合移相器的方式实现双圆极化性能。由于设计频带4.5GH z~7GH z,相对带宽达到43.5%,且需要将其置于杜瓦中制冷以减小噪声系数,因此所设计的正交模转换器需要同时具有小尺寸、高性能、宽频带等特点。普通的OMT带宽一般不超过20%[1],而某些宽频带OMT 则尺寸过大,不利于低频段接收机制冷应用[2 4]。

传统四脊波导OMT横截面尺寸为波导宽度,其长度可控制在4个波长内[5,6],宽带性能良好,且其输出为同轴端口,方便与后级平面电路连接,适合用于制冷条件的应用场合。设计时需要在很宽的频带内将两个50欧姆的同轴传输线匹配到数百欧姆的方波导端口,要求在设计频段内两种正交极化模式的回波损耗都优于20dB,同时抑制高次模以及腔体谐振,降低交叉极化损失。

1 结构与工作原理

四脊波导OMT是将两个正交极化的输入波区分开并分别输出的装置,因此公共输入端为方形波导或圆形波导以实现两种极化模式的同时传输。由于方波导比圆波导具有更宽的基模带宽,因此设计中输入端一般采用方波导。从结构上看,宽带四脊波导OMT结构上可大致分为三部分:脊渐变段、同轴输出段以及末端匹配段。脊渐变段是将方波导渐变过渡到基模带宽更宽的四脊波导且不产生能量反射或突变;同轴输出段是将四脊波导中的能量通过两个正交的同轴端口取出;末端匹配段能起到阻抗匹配作用,使公共端输入的能量尽可能从同轴输出

第27卷第1期2011年2月 微 波 学 报

J OURNA L O F M I CROW AV ES

V o.l27N o.1

Feb.2011

*收稿日期:2010 06 04;修回日期:2011 01 11

基金项目:国家自然科学基金(60671057);上海市科学技术委员会科研计划项目(08DZ1160100)

端输出。

1.1 圆锥腔体匹配四脊波导OMT

传统的四脊波导OMT 在其末端采用一个圆锥腔体作为匹配元件,利用圆锥腔体对宽带输入波的反射实现宽带匹配。根据文献[5 6]建模并仿真,其模型及反射系数仿真结果如图1

所示。

图1 文献[5 6]中的传统四脊波导OM T 结构及性能

从图1可以看出,由于传统四脊波导OMT 末端采用圆锥腔体作为匹配元件直接连接四脊波导,结构上的突变使阻抗特性突变,而阻抗的不匹配则导致输入输出反射系数恶化,表现为带内4.98GH z 、5.32GH z 、5.77GH z 、6.22GH z 及6.8GH z 共5个陷模。尽管其他频带性能良好,但5个陷模处的反射对接收机整体性能影响很大,在后期观测中可能造成不利影响,需要通过改变结构以消除陷模。1.2 销钉匹配四脊波导OMT

为消除传统四脊波导OMT 的陷模,应尽量减小OMT 本身的腔体谐振以及不连续结构所激励起的高次模。由于不连续结构及谐振主要存在于末端匹配的圆锥腔体,因此将其更换为两组正交的短路销钉,通过短路销钉组对输入电磁波的多级反射实现对同轴输出端口的匹配,并在末端使用了吸波材料进一步消除腔体谐振。吸波材料的作用是将封闭的四脊波导OMT 由腔体结构改为开放结构以消除腔体谐振,当短路销钉对入射电磁波的逐级反射使能量大部分由同轴端口输出时,吸波材料对OMT 性能影响不大。改进的销钉匹配四脊波导OMT 结构如图2

所示。

图2 改进型四脊波导OM T 结构

如图2所示,四脊波导O MT 结构是将方波导渐变为四脊波导,将能量主要集中在四脊的间隙中,并

通过前后两个相距很近的正交同轴探针将与之平行的模式输出。仿真中发现,在一定范围内渐变脊的长度越长,则渐变效果越好,渐变脊轮廓线采用cosine

高次方曲线能获得较好的过渡效果,对于陷模的遏制也有一定作用。脊倒角为45 ,对于O MT 的匹配起到至关重要的作用。方波导口大小决定了低端截止频率和高端高次模的截止。渐变脊长度l 1+l 2、脊间距d 以及脊厚度t 对于OMT 的性能影响较大,空气匹配层的厚度以及短路销钉的数量、位置、粗细,包括输出同轴的探针粗细则对OMT 的匹配影响较小。两正交同轴之间的间距pd 越小则两正交模式的驻波性能差别越小,但同时交叉极化和隔离度的恶化也越明显。因此在设计过程中应优先确定渐变脊部分的参数,再对馈源输出及匹配段进行设计。

为说明四脊波导中两正交同轴对两种正交模式场的分离作用,给出了5.75GH z 处四脊波导中的场分布图,如图3

所示。

图3 OM T 中两种模式的分离

60微 波 学 报2011年2月