K频段宽带正交器的设计与实现
2022-06-09
【摘要】 文章介绍了一种K频段宽带正交器（OMT）的设计过程与实现方法。与传统正交器相比它实现K全频带（18GHz- 6.5GHz）内具有良好的驻波隔离特性。先详细描述了此OMT的设计仿真过程，介绍了几种不同加工工艺的加工结果比较，对影响电气性能的敏感参数进行分析，实现有针对性的、重点部位的加工，最后也对目前的设计加工状态提出新的研究方向。
【关键词】 K频段 极化器 电铸
正交模耦合器（ortho-mode transducer）以下简称OMT，是一种常用的微波元器件。在卫星天线的部件设计中，由于空间资源有限，又受天线小型化的影响，对天线网络整体体积的要求越来越苛刻，同时要求展宽微波器件的带宽，即要求微波器具有较小巧的体积以及较宽的频带覆盖率。单个微波元器件的体积受所在频带的制约，可以改进的空间有限，在现有体积的基础上拓展带宽就给我们带来新的研究方向。
传统的OMT带宽一般≤20%，这里我们设计生产的这种宽带OMT，覆盖18GHz-26.5GHz整个K频段，带宽达到38.2%。具有较高的实际工程应用价值。
一、OMT工作原理
OMT是实现两个不同极化信道同时传输信号的微波器件。这两个信道具有较高的极化隔离特性。OMT一般表现为三个物理接口，但在电气上它是一个四端口器件。公共端口与馈电喇叭连接，其端口可以是方波导也可以是圆波导，它提供两个电气端口，分别分配给两个独立的正交模式，其余两个端口为标准方波导（或同轴）出口，只传输一种模式，即各自的基模。
OMT在工作的时候，由公共端口激励出互相垂直的电磁波，形成正交极化波，分别传输到相应的标准矩形口（或同轴口），信号也可以反向传输。所以正交模耦合器对于两个正交极化波来说，是一个分离或者混合的器件。
传统的正交模耦合器带宽有限，这里为了拓展带宽，先用分波头分为四路，然后对称的两路再用阶梯过渡进行合成，能够保证在一个很宽的频带取得良好的性能。其仿真模型如图1所示。
2.2 OMT-阶梯合成的设计与优化
正交模耦合器只需要两路正交的波导出口，经过分波头的信号被分成四路，因此我们还需要将对称的两路合成。对于合成这块，如果对尺寸没有严格的要求，可以直接过渡，但一般情况下，都要求越小越好。这里我们采用切比雪夫阶梯阻抗匹配变换器进行合成，由两路正交的标准BJ220口输出。通过对比，采用阶梯合成比直接过渡输出长度上要短一半左右，其仿真模型如图3所示。
根据切比雪夫阶梯阻抗匹配变换器的设计原理，通过计算得到最初的阶梯尺寸，再经过CST优化得到如图3所示的具有较好电器性能的阶梯过渡。
三、OMT敏感参数分析
所谓敏感参数就是对整体器件电气性能具有较灵敏感应的参数。敏感参数有少许变化将引起某些电气性能较大变化。目前国内精密加工业还不是很发达，有些误差范围还不能实现。这就要求对器件的敏感参数进行分析，确认敏感参数最大在什么范围内引起的电气性能是允许的，届时给出适合的尺寸误差范围，也可对加工制作过程做些监督工作。
这里的宽带OMT敏感参数有两部分。第一部分是分波头底部的两个圆柱形台阶。它们的高度和直径对器件整体驻波及隔离影响很敏感，有时候0.02mm的误差就可能引起隔离5dB的变化。第二部分是切比雪夫阶梯合成的尖端部分。这两部分都是此器件加工的重点和难点部分，在加工过程中也遇到许多问题，将在下面着重介绍。
四、OMT的加工与制造
一个器件能否成功，光实现理论设计显然是不行的。能够将其转化程实物，并且满足设计要求才是最终结果。在毫米波波段，实际器件的物理尺寸非常小，因此在OMT的实际设计过程中，不仅考虑它要具备良好的电气性能，还应该易于加工制作。此次的OMT在加工制作上也是经过几次的尝试。大体上分为三种。一种是将其制作成四个大方块的方式进行拼接。论文格式另一种是铣床铣出来，最后一种是做出内腔芯子，电铸。四块拼接方式内腔尺寸好控制，难在拼接的定位精度，每次拆开在装上就有比较大的差别；铣出来的方式难在对不能铣的部分的焊接及不同部分之间焊接的方。电铸在理论上来说应该是最完美的选择，实际不然，因其内部结构较复杂，弯角和阶梯比较多，有些地方镀不上，且检测不方便，造成实际测试结果最差。
为了便于加工，仿真模型也做过适当修整。比如将阶梯过渡最上面中间的尖峰过渡改成现在的便于加工的阶梯状过渡。分波头由原来的两路都是E面弯合成改成一路E面一路H面等地方。上面所说的各种情况，我们都先后找过不同的厂家加工，目前成都某单位采用铣床加工的是最好的一个，其成品如图4所示。
五、OMT的测试与分析
上面分别介绍了OMT两个关键部件的仿真计算，一般来说，部件优化到最优状态，连接到一起就未必还是最优，这里我们还需要将连接起来的整体OMT进行优化计算，得到如下仿真和实测的两个端口的驻波曲线。
六、结束语
文章介绍了一种新型的能够覆盖整个K频段的宽带正交模耦合器。介绍了设计背景以及应用价值。从其工作原理出发，分别详细的介绍了两个关键部件的计算及优化过程，又分析了其敏感参数的特性，描述了本OMT的敏感参数性能，为其加工制造提供参考。最后对此种正交模耦合器进行验证，给出两个端口的仿真及计算结果。虽然目前的器件勉强能够满足项目要求，但其与设计仿真结果还有一定的差距，下一步我们将进一步简化模型，研究工艺过程，争取得到最接近仿真结果的理想微波器件。
参考文献
[1] David M.Pozar. 微波工程. 电子工业出版社 ， 2007
[2] 牛中奇，朱满座，卢智远，路宏敏. 电磁场理论基础. 电子工业出版社 ， 2001
[3] Steffe， W. " A novel compact OMJ for Ku band Intelsat applications，" Antennas and Propagation Society International Symposium， 1995. AP-S.
Digest.， 18-23 June 1995： 152_155 vol.1
[4] J. T. Guldbrandsen；B. Guldbrandsen， "Novel rotary vane attenuator and variable directional coupler including methods for their precision calibration，" Microwaves， Optics and Antennas， IEE Proceedings H， February 1981
[5] Natarov， M.P.； Rud， L.A.； Tkachenko， V.I. "Orthomode transducer for mm-wave range，" Physics and Engineering of Microwaves， Millimeter， and
Submillimeter Waves， 2004. MSMW 04. The Fifth International Kharkov Symposium on. 21-26 June 2004： 641_643 Vol.2
[6] Naofumi Yoneda； Moriyasu Miyazaki； Masaru Tanaka； Hiromasa Nakaguro， "Design of compact-size high isolation branching OMT by the mode
matching technique，" European Microwave Conference， 1996. 26th
[7] Rebollar， J.M.； Esteban， J.； De Frutos， J. "A dual frequency OMT in the Ku band for TT&C applications，" Antennas and Propagation Society
International Symposium， 1998. IEEE. 21-26 June 1998： 2258_2261 vol.4
【关键词】 K频段 极化器 电铸
正交模耦合器（ortho-mode transducer）以下简称OMT，是一种常用的微波元器件。在卫星天线的部件设计中，由于空间资源有限，又受天线小型化的影响，对天线网络整体体积的要求越来越苛刻，同时要求展宽微波器件的带宽，即要求微波器具有较小巧的体积以及较宽的频带覆盖率。单个微波元器件的体积受所在频带的制约，可以改进的空间有限，在现有体积的基础上拓展带宽就给我们带来新的研究方向。
传统的OMT带宽一般≤20%，这里我们设计生产的这种宽带OMT，覆盖18GHz-26.5GHz整个K频段，带宽达到38.2%。具有较高的实际工程应用价值。
一、OMT工作原理
OMT是实现两个不同极化信道同时传输信号的微波器件。这两个信道具有较高的极化隔离特性。OMT一般表现为三个物理接口，但在电气上它是一个四端口器件。公共端口与馈电喇叭连接，其端口可以是方波导也可以是圆波导，它提供两个电气端口，分别分配给两个独立的正交模式，其余两个端口为标准方波导（或同轴）出口，只传输一种模式，即各自的基模。
OMT在工作的时候，由公共端口激励出互相垂直的电磁波，形成正交极化波，分别传输到相应的标准矩形口（或同轴口），信号也可以反向传输。所以正交模耦合器对于两个正交极化波来说，是一个分离或者混合的器件。
传统的正交模耦合器带宽有限，这里为了拓展带宽，先用分波头分为四路，然后对称的两路再用阶梯过渡进行合成，能够保证在一个很宽的频带取得良好的性能。其仿真模型如图1所示。
2.2 OMT-阶梯合成的设计与优化
正交模耦合器只需要两路正交的波导出口，经过分波头的信号被分成四路，因此我们还需要将对称的两路合成。对于合成这块，如果对尺寸没有严格的要求，可以直接过渡，但一般情况下，都要求越小越好。这里我们采用切比雪夫阶梯阻抗匹配变换器进行合成，由两路正交的标准BJ220口输出。通过对比，采用阶梯合成比直接过渡输出长度上要短一半左右，其仿真模型如图3所示。
根据切比雪夫阶梯阻抗匹配变换器的设计原理，通过计算得到最初的阶梯尺寸，再经过CST优化得到如图3所示的具有较好电器性能的阶梯过渡。
三、OMT敏感参数分析
所谓敏感参数就是对整体器件电气性能具有较灵敏感应的参数。敏感参数有少许变化将引起某些电气性能较大变化。目前国内精密加工业还不是很发达，有些误差范围还不能实现。这就要求对器件的敏感参数进行分析，确认敏感参数最大在什么范围内引起的电气性能是允许的，届时给出适合的尺寸误差范围，也可对加工制作过程做些监督工作。
这里的宽带OMT敏感参数有两部分。第一部分是分波头底部的两个圆柱形台阶。它们的高度和直径对器件整体驻波及隔离影响很敏感，有时候0.02mm的误差就可能引起隔离5dB的变化。第二部分是切比雪夫阶梯合成的尖端部分。这两部分都是此器件加工的重点和难点部分，在加工过程中也遇到许多问题，将在下面着重介绍。
四、OMT的加工与制造
一个器件能否成功，光实现理论设计显然是不行的。能够将其转化程实物，并且满足设计要求才是最终结果。在毫米波波段，实际器件的物理尺寸非常小，因此在OMT的实际设计过程中，不仅考虑它要具备良好的电气性能，还应该易于加工制作。此次的OMT在加工制作上也是经过几次的尝试。大体上分为三种。一种是将其制作成四个大方块的方式进行拼接。论文格式另一种是铣床铣出来，最后一种是做出内腔芯子，电铸。四块拼接方式内腔尺寸好控制，难在拼接的定位精度，每次拆开在装上就有比较大的差别；铣出来的方式难在对不能铣的部分的焊接及不同部分之间焊接的方。电铸在理论上来说应该是最完美的选择，实际不然，因其内部结构较复杂，弯角和阶梯比较多，有些地方镀不上，且检测不方便，造成实际测试结果最差。
为了便于加工，仿真模型也做过适当修整。比如将阶梯过渡最上面中间的尖峰过渡改成现在的便于加工的阶梯状过渡。分波头由原来的两路都是E面弯合成改成一路E面一路H面等地方。上面所说的各种情况，我们都先后找过不同的厂家加工，目前成都某单位采用铣床加工的是最好的一个，其成品如图4所示。
五、OMT的测试与分析
上面分别介绍了OMT两个关键部件的仿真计算，一般来说，部件优化到最优状态，连接到一起就未必还是最优，这里我们还需要将连接起来的整体OMT进行优化计算，得到如下仿真和实测的两个端口的驻波曲线。
六、结束语
文章介绍了一种新型的能够覆盖整个K频段的宽带正交模耦合器。介绍了设计背景以及应用价值。从其工作原理出发，分别详细的介绍了两个关键部件的计算及优化过程，又分析了其敏感参数的特性，描述了本OMT的敏感参数性能，为其加工制造提供参考。最后对此种正交模耦合器进行验证，给出两个端口的仿真及计算结果。虽然目前的器件勉强能够满足项目要求，但其与设计仿真结果还有一定的差距，下一步我们将进一步简化模型，研究工艺过程，争取得到最接近仿真结果的理想微波器件。
参考文献
[1] David M.Pozar. 微波工程. 电子工业出版社 ， 2007
[2] 牛中奇，朱满座，卢智远，路宏敏. 电磁场理论基础. 电子工业出版社 ， 2001
[3] Steffe， W. " A novel compact OMJ for Ku band Intelsat applications，" Antennas and Propagation Society International Symposium， 1995. AP-S.
Digest.， 18-23 June 1995： 152_155 vol.1
[4] J. T. Guldbrandsen；B. Guldbrandsen， "Novel rotary vane attenuator and variable directional coupler including methods for their precision calibration，" Microwaves， Optics and Antennas， IEE Proceedings H， February 1981
[5] Natarov， M.P.； Rud， L.A.； Tkachenko， V.I. "Orthomode transducer for mm-wave range，" Physics and Engineering of Microwaves， Millimeter， and
Submillimeter Waves， 2004. MSMW 04. The Fifth International Kharkov Symposium on. 21-26 June 2004： 641_643 Vol.2
[6] Naofumi Yoneda； Moriyasu Miyazaki； Masaru Tanaka； Hiromasa Nakaguro， "Design of compact-size high isolation branching OMT by the mode
matching technique，" European Microwave Conference， 1996. 26th
[7] Rebollar， J.M.； Esteban， J.； De Frutos， J. "A dual frequency OMT in the Ku band for TT&C applications，" Antennas and Propagation Society
International Symposium， 1998. IEEE. 21-26 June 1998： 2258_2261 vol.4