一种C频段双频OMT设计①

赵 锋,张乔杉,刘 曦

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

在卫星通信系统中，对收、发天线提出更高的性能要求已成为趋势。例如：收、发工作频带宽、在收、发工作频带内要求低VSWR、高隔离度、高极化鉴别率等。双极化天线的一个关键部件是正交模耦合器 (OMT)，用来实现极化分离。OMT有很多种类型，如何选用取决于下述要求：工作频带，隔离度和极化鉴别率。同时为了确保整副天线的极化鉴别率，就要确保OMT中高次模(TE11/TM11模)有一个较低的值，设计时需要考虑在OMT内部采用对称模对称激励OMT公共圆波导。因此在OMT激励端口增加双对称T型结构成为OMT设计的必须，使高次模TE11/TM11模的传播常数的实部保持在一个较低的水平。

波导型OMT内部没有耦合缝隙和金属材质的调谐杆(OMT内部的这些装置将会大大增加OMT性能实现的风险)，因此，它的功率容量较大。这已通过了其它文献[1,2]的证实。在工作频段输入600W功率，功率容量余量大于15dB。

文章介绍的OMT主要组成部分在结构形式上具有旋转对称性，水平极化和垂直极化传输路径是完全相同的。

波导型OMT在X向和Y向尺寸较小(Z向作为传输方向时)，Z向尺寸也较小。便于加工。实际应用中，OMT选材用铝合金，加工工艺也是常规工艺(线切割、电火花刻蚀等)。

波导型OMT侧壁的四个矩形波导端口两两平行，距离圆波导对称中心一致。公共圆波导口与收发信号的馈源喇叭的馈电圆波导可以直接对接。

波导型OMT本身结构简单，尺寸小，结构形式上为一圆形波导，在波导圆对称中心有一用于调谐的探针。显而易见，这样的组成形式包络尺寸是比较小的。此外，如前所述，由于OMT圆波导接口为圆波导口，这样就可以与馈源喇叭直接对接，整个馈源体积小、插入损耗小、回波损小。

由于具有插入损耗低，功率容量高，结构紧凑，包络尺寸小等特点，本文中介绍的波导型OMT对于诸如空间通信、星地间通信等远程通信任务以及其它应用领域中有很重要的意义。

本文所介绍的OMT设计工作很好地证实了这种新型OMT的设计理念，对这种类型的OMT的技术特点给出了详细的设计结果并通过了实际的测试证明的设计的正确性。

1 理论

1.1 旋转对称结构

正交模耦合器是极化双工器，用来将工作频段范围内的一路输入微波信号分解为两路正交的输出微波信号。本文介绍了一种应用于通信天线的双线极化OMT，收、发频率范围3.4 GHz～6.7 GHz。

波导型OMT核心部分为一旋转对称结构，其原理图如图1所示,波导型OMT有一个公共的圆波导端口，该端口与馈源的辐射部分(例如：喇叭)连接。OMT将从馈源的辐射部分接收到的射频信号分解到相互垂直的矩形波导中去，然后通过波导网络对相对立两矩形波导进行合成。

图1 旋转对称结构原理图Fig.1 Turnstile junction

实践证明，该类型OMT工作频段较宽，功率容量较大。按照参考文献[3]，该类型OMT本身有纵向尺寸小的优点，但是因为结构上有四个矩形输出端口，需要波导网络对四个矩形输出端口进行合成，生成需要的两个正交的模式，这样整个OMT的横向尺寸较大(X向和Y向)，对于实际的工程应用，增加了加工制造的难度。此外，波导网络也会增加整个OMT的插入损耗。

1.2 频率双工器

OMT后面连接两个完全相同的频率双工器。频率双工器主要组成：一个非对称的E面“Y”型结构[4]、一个低通波纹波导滤波器和一个高通滤波器。E面“Y”型结构主要实现频率分配，低通波纹波导滤波器和高通滤波器的应用实现了高隔离度的性能。低通波纹波导滤波器端口为整个馈源的发射端口，高通滤波器端口为整个馈源的接收端口。设计分两步进行：首先，优化频率双工器每一个部件。其次，频率双工器每一个部件优化完成后，将各部分组合成整体进行分析，包括部件所有的不连续性、高次模影响，从而对频率双工器整体进行优化。在本文后续给出了频率双工器整体仿真计算结果，从仿真计算结果看，频率双工器整体仿真计算结果优良，馈源组件实测结果可以看出，仿真计算结果与测试结果相吻合。在馈源组件工作频段范围内，插损测试结果低于0.2dB。

2 设计

OMT工作频率如下：

·发射频段(TX):3.4～3.72GHz

·接收频段(RX):6.3～6.7GHz

相比于见诸文字的技术文献，上述工作频率对于本设计OMT中的频率双工器来说，发射频段与接收频段跨度较大。考虑发射频段传输和接收频段的高次模抑制，仔细选择了频率双工器的公共波导口。

·插入损耗:<-0.2dB

为满足低损耗的技术指标，频率双工器中的低通滤波器选择波纹波导低通滤波器方案。这种低通滤波器损耗低。

·隔离度:>45dB

·回波损耗：<-26.4dB

在如此宽的工作频段提出的上述回波损耗指标，要求还是比较高的。因此在方案选择阶段，对频率双工器中的三端口结构作了仔细考虑。在本设计中，三端口结构方案为E面二分支结构(“Y”型结构)，并对该结构的三个端口进行了充分考虑，既要与高、低通滤波器接口匹配，又要使本身的性能优良，方案选择上选用高度变换的波导阻抗变换结构形式。

·无源互调:<-145dBm

为避免或减小无源互调，设计时频率双工器结构上设计为一体。为便于加工制造，频率双工器以波导宽边对称面分成完全对称的两部分。

OMT采用一种旋转对称结构, 参考文献[4-8]，剖视图如图2。圆波导中设计了4个截面为矩形的脊，以展宽工作带宽。脊均布在圆波导内表面。圆波导中心为调谐圆柱结构，圆波导底部为对称的4个矩形波导结构。

图2 旋转对称结构剖视图Fig.2 Internal view of the turnstile junction

图2中，旋转对称结构圆波导口直径为53.4mm，与馈源中的光壁赋型喇叭对接，光壁赋型喇叭馈电圆波导口直径也为53.4mm。该圆波导口径的选择主要考虑在工作最低频点(3.4GHz)圆波导中两个极化简并基模(TE11)(定义为Pol 1和Pol 2)可以独立地传播。圆波导截止波长λc=1.706D，波长大于该截止波长的微波都可以在其中传输。两个极化简并基模(TE11)中的其中一个基模与一对矩形波导1a和1b(截面参数44.55 mm×11.9 mm)相对应，但是与另外一对矩形波导2a和2b正交。同理，两个极化简并基模(TE11)中的另一个基模与一对矩形波导2a和2b(截面参数44.55 mm×11.9 mm)相对应，但是与另外一对矩形波导1a和1b正交。

为展宽工作带宽，设计时，在矩形波导两宽边的其中一面增加了脊。脊的横截面参数为：12.5mm×1.8 mm，旋转对称结构四个矩波导中脊的结构形式完全相同。

圆波导结构除了产生并传输基模(TE11)外，同时也会在工作频段的高频段产生高次模。按照理论计算，圆波导中，TM01模的截止波长为λc=1.306D；TE21模的截止波长为λc=1.028D。理论上，这些模式可以通过该旋转对称结构中的矩形臂引起的不连续而产生，但是，这种不连续可以通过合理选择参数而避免，例如，本设计方案中，采用了四个完全相同的、相对于圆中心对称的矩波导结构，可以很好地抑制高频段的高次模。

与公共圆波导底部连接在一起的金属材质调谐柱没有破坏圆波导的结构对称性，增加该金属材质调谐柱展宽了整个OMT的工作频段，同时获得了更好的反射损耗性能。该金属材质调谐柱结构形式上为4节圆柱变换段，其直径和高度参数为：￠1=30.8mm,l1=7.15 mm, ￠2=13.2mm,l2=14.15 mm, ￠3=5.1mm,l3=24.6 mm, ￠4=2.4mm,l4=25.8 mm。各节圆柱变换段同轴且与公共圆波导同轴。最大直径圆柱变换段与公共圆波导底部的矩形波导的脊(横截面参数12.5mm×1.8 mm)连接。在制造方面，圆柱变换段可以与矩形波导的脊一体加工。运用基于有限元分析方法的商用高频仿真软件HFSS对该结构的电磁性能进行了仿真计算。仿真计算时，OMT四个旋转对称的加脊的矩形波导口最为理想匹配端口，公共圆波导端口两个极化简并基模(TE11)回波损耗仿真计算结果如图3所示。由图4可以看出，在整个工作频段3.5GHz～6.55GHz(包含发射频段和接收频段)内，回波损耗优于-26dB。

图3 OMT的VSWR设计结果Fig.3 The VSWR of the OMT

图4 “Y”型结构剖面图Fig.4 Internal view of the E-plane Y-junction

选择E面“T”功分器给OMT对立的两端口馈电，该结构形式在文献[4]中有详细叙述。通过优化，最终确定了“T”功分器结构参数。实践证明，该结构形式易于实现，且对于机加的要求较低。

一对180°E面弯波导将"T"型结构对称输出口与“Y”型结构输入口连接。通过高频仿真软件HFSS进行仿真计算，在工作频段内，回波损耗优于-32dB。

整个频率双工器由三部分组成，非对称E面功分器、低通波纹滤波器和高通滤波器。图5给出了双工器剖面图。非对称E面功分器两个阻抗变换段端口分别与低通波纹滤波器和高通滤波器相连。

为避免无源互调产物，频率双工器在制造方面做了如下处理：频率双工器中的高、低通滤波器设计为一体，按照频率双工器的对称面分成完全对称的两部分，如图5。对称两部分连接面采用桥式法兰以增加压强。

图5 频率双工器剖面图Fig.5 Internal view of the diplexer

图6给出了C频段馈源频率双工器公共端口VSWR设计结果。按最优的设计参数进行仿真计算，在发射频段和接收频段，VSWR设计结果都优于1.2。

图6 频率双工器VSWR设计结果Fig.6 The VSWR of the diplexer

图7给出了C频段馈源整体三维模型图，整套馈源选用铝材制造。

图7 C频段馈源模型图Fig.7 view of the C feed

图8给出了C频段馈源VSWR设计与测试结果比对曲线，从图中可以看出，发射频段、接收频段VSWR设计与测试结果一致，发射频段VSWR优于1.3；接收频段VSWR优于1.25。

图8(a) C频段馈源VSWR设计与测试结果(Tx)Fig.8(a) VSWR of the feed(Tx)

图8(b) C频段馈源VSWR设计与测试结果(Rx)Fig.8(b) VSWR of the feed(Rx)

图9给出了发射频段和接收频段隔离度设计结果与测试结果比对曲线。C频段馈源发射频段隔离度实测结果优于-55dB；接收频段隔离度实测结果优于-60dB。

发射频段 接收频段图9 C频段馈源隔离度设计与测试结果Fig.9 Isolation of the feed

4 总结

本文给出了一种双频正交模耦合器的设计。通过优化设计，结果满足通信系统提出的技术要求，测试结果与设计结果吻合。