一种Q波段隔板型正交模耦合器的制作方法

本发明涉及一种Q波段隔板型正交模耦合器，专门用于射电天文领域宽带微波接收机。

背景技术：

近年来，随着射电天文领域的不断发展，对射电望远镜接收机系统的工作带宽和工作频率的需求不断增加，为了满足观测设备的需求，需要对接收机系统正交模耦合器(OMT，Ortho-Mode Transducer)的工作带宽进行扩展并优化高频段OMT的加工装配程序。

射电天文中Q波段接收机可用于分子谱线巡天、高红移CO谱线等观测。中国科学院新疆天文台拟在南山25米射电望远镜上开展Q波段观测，观测频率30-50GHz，工作带宽百分比50％，由于Q波段的观测频率高于原有南山25米射电望远镜的L、S、C、X、K各波段，故加工装配误差对OMT的性能影响愈加明显。

常规窄带OMT结构一般为非对称的T型结构，工作带宽主要受限于器件公共端口的横截面形状及对应的主模与第一高次模截止频率的相对关系。圆波导的主模TE₁₁模的截止频率为λc＝3.14R(R为圆波导半径)，第一高次模TM₀₁模截止波长为λc＝2.62R。为保证最低工作频点f0能够在圆波导中传输，要求f0≥1.05fc，圆波导半径至少应取R＝1.05*C/(3.142/f0)，OMT主模高低频点之比为(3.142/1.05/2.62):1＝1.24:1，最大工作带宽百分比为21.4％。方波导的主模TE₁₀模截止频率为λc＝2a，(a为方波导边长)，第一高次模TM₁₁/TE₁₁模截止波长为λc＝1.414a。为保证最低工作频点f₀能够在方波导中传输，要求f₀≥1.05fc，因此方波导半径至少应该取a＝1.05*c/2/f₀(c为光传播速度)，OMT主模高低频点之比为(2/1.05/1.414):1＝1.34:1，最大工作带宽百分比为29.5％。这无法满足射电天文频率为30-50GHz、工作带宽百分比达到50％的观测需求。

在正交模耦合器的诸多类型中，常规采用对称耦合孔技术的OMT，但工作带宽最宽仅能达到33％。要实现40％以上的工作带宽，一般常见的结构形式有鳍线型OMT、隔板-分支合成型(型)OMT、双脊过渡-分支合成OMT、双脊过渡-同轴输出型OMT、四臂合成型OMT、四脊OMT等类型。其中鳍线型OMT、四脊OMT、双脊过渡-同轴输出型OMT均为同轴输出端口，在Ka以上的波段制作加工、装配调试的难度比较大，无法实现批量化生产。四臂合成型OMT的结构较为复杂，插入损耗比较大，不利于降低天馈系统噪声温度。隔板-分支合成型(型)OMT结构相对简单，设计难度较低，更易于设计、加工和调配，是Q波段宽带正交模耦合器的首选设计。

技术实现要素：

本发明目的在于，提供一种Q波段隔板型正交模耦合器，该正交模耦合器为宽带隔板-分支合成型，中心频率40GHz，相对带宽50％，应用于射电望远镜Q波段接收机系统。该正交模耦合器是由隔板-分支接头、Y型接头、第一π型弯头、第二π型弯头、第一侧壁分支口、第二侧壁分支口、隔板、金属销钉、匹配钉、方矩过渡、第一90度弯头、第二90度弯头、阻抗变换段、H面弯头组成，隔板-分支接头主要用于分离两个正交极化信号，Y型接头用于将隔板-分支接头输出的两路水平极化信号合成一路信号，π型弯头用于连接隔板-分支接头和Y型接头，该正交模耦合器反射损耗和隔离度的实测结果与仿真结果基本吻合，可以满足射电天文观测需求。

本发明所述的一种Q波段隔板型正交模耦合器，该正交模耦合器为隔板-分支合成型正交模耦合器，工作频段为30-50GHz，用于射电望远镜Q波段接收机系统，该正交模耦合器由隔板-分支接头、Y型接头、第一π型弯头、第二π型弯头、第一侧壁分支口、第二侧壁分支口、隔板、金属销钉、匹配钉、方矩过渡、第一90度弯头、第二90度弯头、阻抗变换段、H面弯头组成，隔板-分支接头(1)中的第一侧壁分支口(5)与第一π型弯头(3)的一端连接，第一π型弯头(3)的另一端与Y型接头(2)中的第一90度弯头(7)连接，隔板-分支接头(1)中的第二侧壁分支口(6)与第二π型弯头(4)的一端连接，第二π型弯头(4)的另一端与Y型接头(2)中的第二90度弯头(8)连接。

隔板-分支接头(1)直臂中心位置的隔板(12)前段采用直线三角形，隔板(12)的厚度为0.4mm，在隔板-分支接头(1)两侧的第一侧壁分支口(5)和第二侧壁分支口(6)的入口处设有短路销钉(13)，在隔板-分支接头(1)的直通道上设有匹配钉(14)，短路销钉(13)和匹配钉(14)均采用SFT-50-2-1半刚性同轴电缆线的0.51mm内芯制作，隔板-分支接头(1)的下部为三级台阶的方矩过渡(15)。

阻抗变换段(16)倒角半径为1mm，采用四节阻抗转换器结构。

第一π型弯头(3)和第二π型弯头(4)为对称型，在第一π型弯头(3)和第二π型弯头(4)中分别设有对称的H面弯头(17)。

本发明所述的一种Q波段隔板型正交模耦合器，用于射电望远镜Q波段接收机系统，频率为30-50GHz，工作带宽百分比达到50％。为满足设计要求，该正交模耦合器采用隔板-分支合成(型)结构，公共端口为方形波导，输出端口为BJ400标准波导。隔板-分支合成型OMT结构紧凑，对于水平极化和垂直极化均为对称，可以抑制高次模的产生，在小于1.8:1倍频程内可以得到较好的驻波和隔离特性。为了抑制隔板-分支接头方口的高次模TE₂₀模，同时保证主模传输，正交器隔板-分支接头方口边长取5.4mm(TE₂₀模的截止频率为55.55GHz，主模截止频率为27.78GHz)。正交器直臂输出口(10)为标准波导BJ400(5.69mm×2.845mm)。考虑到结构小型化的要求，正交器采用了分支纵向合成输出的结构形式。

所述隔板-分支接头(1)是OMT分离两个正交极化信号的关键部分，包括直臂中心位置的隔板(12)和隔板-分支接头(1)两侧的第一侧壁分支口(5)和第二侧壁分支口(6)的入口处设有短路销钉(13)，它们对两个极化信号的作用各不相同：对于垂直极化信号而言，直通道中的隔板(12)几乎没有影响，而第一侧壁分支口(5)和第二侧壁分支口(6)的短路销钉(13)相当一个短路面，防止垂直极化信号进入侧臂，从而提高隔离度。对于水平极化信号而言，第一侧壁分支口(5)和第二侧壁分支口(6)的短路销钉(13)相当于容性的元件，尺寸比较小时对水平极化信号的影响不大，隔板(12)的形状对水平极化信号的反射损耗有重大影响。隔板(12)对水平极化信号起短路作用，隔板(12)的长度越长隔离越大，但是这样会导致垂直极化信号的反射损耗增加，因此隔板(12)的长度要合理选择，即要尽可能的抑制水平极化信号在直通臂的传输，又要减小垂直极化信号的反射损耗。两个极化信号之间的隔离度与水平极化信号的反射损耗相关，水平极化信号的反射损耗越小隔离越好，因此结构OMT的设计关键是提高水平极化信号的驻波性能。其中，隔板-分支接头(1)的方口(9)为5.4×5.4mm，第一侧壁分支口(5)和第二侧壁分支口(6)为BJ400波导口径，便于后续的装配和调试。在设计中为保证加工的可实现性，对接头中关键部位进行了特别的处理。隔板-分支接头(1)中的隔板(12)尽可能采用更大的厚度，隔板(12)前段采用了最简单的直线三角形，这样有利于建模、加工。第一侧壁分支口(5)和第二侧壁分支口(6)的短路销钉(13)和直通道的匹配钉(14)直接采用了SFT-50-2-1半刚性同轴电缆线的0.51毫米内芯制作。经过优化，最终隔板(12)的厚度为0.4毫米，方矩过渡(15)采用了三级台阶，两个极化的反射损耗均小于-25.5dB。

所述Y型接头(2)是将隔板-分支接头(1)输出的两路水平极化信号合成一路信号的部件，由第一90度弯头(7)、第二90度弯头(8)和阻抗变换段(16)组成。弯头的尺寸与接头分支口的尺寸一致，均为BJ400标准波导的口径。根据切比雪夫阻抗转换器的设计原理，Y型接头(2)采用了四节阻抗转换器结构，并且根据实际的加工工艺条件合理的选择倒角半径为1毫米，经过优化，Y型接头反射损耗均小于-25dB。

所述第一π型弯头(3)和第二π型弯头(4)为对称型，是连接隔板-分支接头(1)和Y型接头(2)的部件，由于OMT分支合成采用横向输出的结构形式，在第一π型弯头(3)和第二π型弯头(4)中分别设有对称的H面弯头(17)，波导口径为BJ400标准，仿真的反射损耗小于-37dB。

附图说明

图1为本发明Q波段隔板型正交模耦合器整体结构图；

图2为本发明隔板-分支接头结构图；

图3为本发明Y型接头结构图；

图4为本发明π型弯头结构图；

图5为本发明隔板-分支接头反射损耗仿真结果图；

图6为本发明Y型接头反射损耗仿真结果图；

图7为本发明π型弯头反射损耗仿真结果图；

图8为本发明隔板型正交模耦合器反射损耗仿真结果图；

图9为本发明隔板型正交模耦合器隔离度仿真结果图；

图10为本发明隔板型正交模耦合器直臂输出口反射损耗实测图；

图11为本发明隔板型正交模耦合器Y型接头输出口反射损耗实测图；

图12为本发明隔板型正交模耦合器直臂输出口-Y型接头输出口反射损耗实测图。

具体实施方式

实施例

本发明所述的一种Q波段隔板型正交模耦合器，该正交模耦合器为隔板-分支合成型正交模耦合器，工作频段为30-50GHz，用于射电望远镜Q波段接收机系统，该正交模耦合器由隔板-分支接头、Y型接头、第一π型弯头、第二π型弯头、第一侧壁分支口、第二侧壁分支口、隔板、金属销钉、匹配钉、方矩过渡、第一90度弯头、第二90度弯头、阻抗变换段、H面弯头组成，隔板-分支接头1中的第一侧壁分支口5与第一π型弯头3的一端连接，第一π型弯头3的另一端与Y型接头2中的第一90度弯头7连接，隔板-分支接头1中的第二侧壁分支口6与第二π型弯头4的一端连接，第二π型弯头4的另一端与Y型接头2中的第二90度弯头8连接；

隔板-分支接头1直臂中心位置的隔板12前段采用直线三角形，隔板12的厚度为0.4mm，在隔板-分支接头1两侧的第一侧壁分支口5和第二侧壁分支口6的入口处设有短路销钉13，在隔板-分支接头1的直通道上设有匹配钉14，短路销钉13和直通道的匹配钉14采用SFT-50-2-1半刚性同轴电缆线的0.51mm内芯制作，隔板-分支接头1的下部为三级台阶的方矩过渡15；

Y型接头2由第一90度弯头7、第二90度弯头8和阻抗变换段16组成，阻抗变换段16倒角半径为1mm，采用四节阻抗转换器结构；

第一π型弯头3和第二π型弯头4为对称型，在第一π型弯头3和第二π型弯头4中分别设有对称的H面弯头17；

使用过程中，参照图1，垂直极化信号从隔板-分支接头方口9进入，经隔板12、方矩过渡15，从直臂输出口10输出；水平极化信号从隔板-分支接头方口9进入，经隔板-分支接头1两侧的第一侧壁分支口5和第二侧壁分支口6，分别进入第一π型弯头3和第二π型弯头4的一端，经另一端输出后，两路信号分别进入Y型接头2两侧的第一90度弯头7和第二90度弯头8，经阻抗变换段16合成为一路水平极化信号，最终从Y型接头输出口11输出。

在HFSS电磁仿真软件中将隔板-分支接头、Y型接头和π型弯头组合成一个完整的正交模耦合器(OMT)，在频率为30-50GHz的频带内进行优化设计，仿真要求反射损耗小于-20dB，极化隔离度大于50dB。OMT的侧臂采用2个H面π型弯头与Y型接头横向连接，这样可以将OMT的整体结构尺寸尽可能的控制在比较小的范围内，减小器件的插入损耗。微调Y型接头过渡段和π型弯头倒角的参数，最终仿真结果直臂输出口反射损耗≤-27.7dB，Y型接头输出口反射损耗≤-22.4dB，直臂输出口-Y型接头输出口隔离度≤-62dB。

正交模耦合器(OMT)实际加工后，测试使用5.4mm×5.4mm方波导到ф10毫米圆波导的过渡和ф10毫米的圆负载。测试仪器选用Agilent矢量网络分析仪N5225A。测试结果直臂输出口反射损耗≤-17.5dB，Y型接头输出口反射损耗≤-16.8dB，直臂输出口-Y型接头输出口隔离度≤-43.4dB。

本发明所述的一种Q波段隔板型正交模耦合器，其实测与仿真结果的反射损耗曲线变化趋势大致吻合，各项性能指标均达到了预期的目标，实际测量结果在工作频带30-50GHz范围内可以满足工程需要。