Ka 頻段正交模耦合器設(shè)計*

于 祥，吳昊旻

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

近年來，衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，用于衛(wèi)星通信的頻譜資源的緊張狀況也愈發(fā)凸顯，對頻譜的利用率也日益提高[1]。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，通常會采用極化復(fù)用的方式來提高頻率資源的利用效率[1]。正交模耦合器（Ortho-Mode Transducer，OMT）可實現(xiàn)兩個正交極化信號的分離或混合，是衛(wèi)星通信天饋系統(tǒng)的重要組成部分[1-2]。

正交模耦合器有一個公共端口，其傳輸兩個正交主模信號，這兩個主模信號經(jīng)過OMT 后分別被傳輸給單一模式的信號端口，兩信號間有較高的極化隔離度[2]。

目前針對OMT 的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，已有大量文章進(jìn)行了研究，如鰭線結(jié)構(gòu)、四脊結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)十字轉(zhuǎn)門結(jié)構(gòu)等[2-4]。但現(xiàn)已有的OMT 結(jié)構(gòu)形式都相對復(fù)雜，加工困難，不便于在收發(fā)信機(jī)中實際使用。

針對上述問題，本文設(shè)計一種工作于Ka 頻段側(cè)壁耦合的非對稱結(jié)構(gòu)正交模耦合器，其結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、加工成本低，并且電性能優(yōu)異，適用于衛(wèi)星通信收發(fā)信機(jī)。

1 工作原理

正交模耦合器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主模TE10模由其公共端口輸入，通過多級階梯過渡到直通端口輸出，而TE01模則在傳輸過程中由于b邊的減小、截止頻率的升高而被階梯過渡反射，無法到達(dá)直通端口，TE01模通過諧振窗耦合到耦合端口中，因諧振窗對TE10模的高截止頻率特性，TE10模無法通過諧振窗，從而實現(xiàn)了TE10模和TE01模的分離[5]。

圖1 正交模耦合器結(jié)構(gòu)

通常正交模耦合器需要連接圓波導(dǎo)饋源喇叭，因此還需要將公共端口的矩形波導(dǎo)過渡為圓波導(dǎo)。

本文設(shè)計的正交模耦合器其直通端口工作頻段為29.4～31.0 GHz，耦合端口工作頻段為19.6～21.2 GHz。OMT 直通端口的工作頻率高于耦合端口的工作頻率。因矩形波導(dǎo)端口的截止頻率特性，通過合理的選取直通波導(dǎo)a邊的長度，使直通波導(dǎo)端口的截止頻率落在21.2～29.4 GHz，并適當(dāng)選取直通波導(dǎo)長度，可以大幅提高正交模耦合器在19.6～21.2 GHz 頻率范圍內(nèi)收發(fā)兩個端口之間的隔離度。

2 OMT 仿真設(shè)計

本文設(shè)計的OMT 的具體流程：（1）公共口、直通端口和耦合端口的尺寸選?。唬?）直通口波導(dǎo)過渡設(shè)計；（3）通道側(cè)壁諧振窗尺寸選取及波導(dǎo)過渡設(shè)計。

2.1 波導(dǎo)口尺寸確定

本文設(shè)計的正交模耦合器的公共端口采用圓波導(dǎo)的形式，圓波導(dǎo)的主模TE11模截止頻率為λc=3.412R。該OMT 的工作頻率下限為19.6 GHz，最終選用的圓波導(dǎo)半徑為5.2 cm。耦合端口選用標(biāo)準(zhǔn)的WR42 波導(dǎo)。

為提高OMT 在19.6～21.2 GHz 頻段內(nèi)收發(fā)兩端口之間的隔離度，直通端口選擇了主模截止頻率高于21.2 GHz，低于29.4 GHz 的矩形波導(dǎo)。綜合考慮接直通端口的駐波和19.6～21.2 GHz 的隔離度因素，最終直通端口的波導(dǎo)尺寸定為6.2 mm×2.8 mm，其截止頻率在25 GHz 附近。

2.2 直通端口過渡設(shè)計

圓波導(dǎo)到矩形直通波導(dǎo)的過渡結(jié)構(gòu)如圖2 所示。該設(shè)計采用了4 級過渡，第二級過渡長度為3/4λ，其余過渡長度為1/4λ。

圖2 圓矩過渡結(jié)構(gòu)

使用ANSYS Electronics Desktop 2018.2 仿真軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化仿真，最終的仿真結(jié)果如圖3 所示。該圓矩過渡在29.4～31.0 GHz 的發(fā)射頻帶范圍內(nèi)，回波損耗小于-30 dB。

圖3 圓矩過渡回波損耗仿真結(jié)果

2.3 通道側(cè)壁諧振窗尺寸選取及波導(dǎo)過渡設(shè)計

圖4 為整個OMT 的仿真模型。通道側(cè)壁的諧振窗尺寸為7.4 mm×1.4 mm。耦合口后連接一段1/4λ過渡波導(dǎo)進(jìn)行匹配，使之過渡為WR42 標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)。

圖4 OMT 仿真模型

使用ANSYS Electronics Desktop 2018.2 仿真軟件對該OMT 進(jìn)行了仿真，并優(yōu)化了耦合口的回波損耗和直通口耦合口之間的隔離度。最終耦合端口的回波損耗與直通耦合端口之間的隔離度如圖5 所示。

圖5 OMT 仿真結(jié)果

最終，OMT的耦合口回波損耗在19.6～21.2 GHz頻率范圍內(nèi)小于-21 dB。直通和耦合兩個波導(dǎo)端口之間的隔離度在19.6～21.2 GHz 頻率范圍內(nèi)達(dá)到了-80 dB 以下，在29.4～31.0 GHz 頻率范圍內(nèi)也達(dá)到了-45 dB 以下。

3 實物加工及測試

在上述仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，對Ka 頻段正交模耦合器進(jìn)行了實物加工，實物如圖6 所示。

圖6 OMT 加工實物

整個OMT 長度僅為40 mm。使用是德科技的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5224A 對OMT 加工實物進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖7～圖9 所示。

圖7 為OMT 的直通端口與耦合端口之間的隔離度測試結(jié)果。在19.6～21.2 GHz 頻率范圍內(nèi)隔離度小于-75 dB，在29.4～31.0 GHz 頻率范圍內(nèi)隔離度小于-50 dB，具有較好的隔離特性。

圖7 OMT 的隔離度測試結(jié)果

圖8 為直通端口回波損耗測試結(jié)果。在直通口29.4～31.0 GHz 頻率范圍內(nèi)，端口的回波損耗小于-23 dB，性能優(yōu)良。

圖8 OMT 直通端口回波損耗測試結(jié)果

圖9 為耦合端口的回波損耗測試結(jié)果。在直通口19.6～21.2 GHz 頻率范圍內(nèi)，端口的回波損耗小于-20 dB，性能優(yōu)良。

圖9 OMT 耦合端口回波損耗測試結(jié)果

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種用于Ka 頻段衛(wèi)星通信收發(fā)信機(jī)的正交模耦合器，其結(jié)構(gòu)簡單，在19.6～31.0 GHz全頻段隔離度小于-50 dB，在19.6～21.2 GHz 頻率范圍內(nèi)隔離度更是小于-75 dB，直通端口和耦合端口的回波損耗均小于-20 dB。該OMT 整體電性能優(yōu)良，在衛(wèi)星通信中具有良好的應(yīng)用前景。