Ka 频段正交模耦合器设计*

于 祥，吴昊旻

（南京熊猫汉达科技有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

近年来，卫星通信产业高速发展，用于卫星通信的频谱资源的紧张状况也愈发凸显，对频谱的利用率也日益提高[1]。在卫星通信系统中，通常会采用极化复用的方式来提高频率资源的利用效率[1]。正交模耦合器（Ortho-Mode Transducer，OMT）可实现两个正交极化信号的分离或混合，是卫星通信天馈系统的重要组成部分[1-2]。

正交模耦合器有一个公共端口，其传输两个正交主模信号，这两个主模信号经过OMT 后分别被传输给单一模式的信号端口，两信号间有较高的极化隔离度[2]。

目前针对OMT 的实现结构，已有大量文章进行了研究，如鳍线结构、四脊结构和传统十字转门结构等[2-4]。但现已有的OMT 结构形式都相对复杂，加工困难，不便于在收发信机中实际使用。

针对上述问题，本文设计一种工作于Ka 频段侧壁耦合的非对称结构正交模耦合器，其结构简单、尺寸小、加工成本低，并且电性能优异，适用于卫星通信收发信机。

1 工作原理

正交模耦合器的结构如图1 所示，主模TE10模由其公共端口输入，通过多级阶梯过渡到直通端口输出，而TE01模则在传输过程中由于b边的减小、截止频率的升高而被阶梯过渡反射，无法到达直通端口，TE01模通过谐振窗耦合到耦合端口中，因谐振窗对TE10模的高截止频率特性，TE10模无法通过谐振窗，从而实现了TE10模和TE01模的分离[5]。

图1 正交模耦合器结构

通常正交模耦合器需要连接圆波导馈源喇叭，因此还需要将公共端口的矩形波导过渡为圆波导。

本文设计的正交模耦合器其直通端口工作频段为29.4～31.0 GHz，耦合端口工作频段为19.6～21.2 GHz。OMT 直通端口的工作频率高于耦合端口的工作频率。因矩形波导端口的截止频率特性，通过合理的选取直通波导a边的长度，使直通波导端口的截止频率落在21.2～29.4 GHz，并适当选取直通波导长度，可以大幅提高正交模耦合器在19.6～21.2 GHz 频率范围内收发两个端口之间的隔离度。

2 OMT 仿真设计

本文设计的OMT 的具体流程：（1）公共口、直通端口和耦合端口的尺寸选取；（2）直通口波导过渡设计；（3）通道侧壁谐振窗尺寸选取及波导过渡设计。

2.1 波导口尺寸确定

本文设计的正交模耦合器的公共端口采用圆波导的形式，圆波导的主模TE11模截止频率为λc=3.412R。该OMT 的工作频率下限为19.6 GHz，最终选用的圆波导半径为5.2 cm。耦合端口选用标准的WR42 波导。

为提高OMT 在19.6～21.2 GHz 频段内收发两端口之间的隔离度，直通端口选择了主模截止频率高于21.2 GHz，低于29.4 GHz 的矩形波导。综合考虑接直通端口的驻波和19.6～21.2 GHz 的隔离度因素，最终直通端口的波导尺寸定为6.2 mm×2.8 mm，其截止频率在25 GHz 附近。

2.2 直通端口过渡设计

圆波导到矩形直通波导的过渡结构如图2 所示。该设计采用了4 级过渡，第二级过渡长度为3/4λ，其余过渡长度为1/4λ。

图2 圆矩过渡结构

使用ANSYS Electronics Desktop 2018.2 仿真软件对该结构进行了优化仿真，最终的仿真结果如图3 所示。该圆矩过渡在29.4～31.0 GHz 的发射频带范围内，回波损耗小于-30 dB。

图3 圆矩过渡回波损耗仿真结果

2.3 通道侧壁谐振窗尺寸选取及波导过渡设计

图4 为整个OMT 的仿真模型。通道侧壁的谐振窗尺寸为7.4 mm×1.4 mm。耦合口后连接一段1/4λ过渡波导进行匹配，使之过渡为WR42 标准矩形波导。

图4 OMT 仿真模型

使用ANSYS Electronics Desktop 2018.2 仿真软件对该OMT 进行了仿真，并优化了耦合口的回波损耗和直通口耦合口之间的隔离度。最终耦合端口的回波损耗与直通耦合端口之间的隔离度如图5 所示。

图5 OMT 仿真结果

最终，OMT的耦合口回波损耗在19.6～21.2 GHz频率范围内小于-21 dB。直通和耦合两个波导端口之间的隔离度在19.6～21.2 GHz 频率范围内达到了-80 dB 以下，在29.4～31.0 GHz 频率范围内也达到了-45 dB 以下。

3 实物加工及测试

在上述仿真结果的基础上，对Ka 频段正交模耦合器进行了实物加工，实物如图6 所示。

图6 OMT 加工实物

整个OMT 长度仅为40 mm。使用是德科技的矢量网络分析仪N5224A 对OMT 加工实物进行测试，测试结果如图7～图9 所示。

图7 为OMT 的直通端口与耦合端口之间的隔离度测试结果。在19.6～21.2 GHz 频率范围内隔离度小于-75 dB，在29.4～31.0 GHz 频率范围内隔离度小于-50 dB，具有较好的隔离特性。

图7 OMT 的隔离度测试结果

图8 为直通端口回波损耗测试结果。在直通口29.4～31.0 GHz 频率范围内，端口的回波损耗小于-23 dB，性能优良。

图8 OMT 直通端口回波损耗测试结果

图9 为耦合端口的回波损耗测试结果。在直通口19.6～21.2 GHz 频率范围内，端口的回波损耗小于-20 dB，性能优良。

图9 OMT 耦合端口回波损耗测试结果

4 结语

本文设计了一种用于Ka 频段卫星通信收发信机的正交模耦合器，其结构简单，在19.6～31.0 GHz全频段隔离度小于-50 dB，在19.6～21.2 GHz 频率范围内隔离度更是小于-75 dB，直通端口和耦合端口的回波损耗均小于-20 dB。该OMT 整体电性能优良，在卫星通信中具有良好的应用前景。