一种L波段四脊正交模耦合器的制作方法

本发明涉及一种L波段四脊正交模耦合器，专门用于射电天文领域宽带微波接收机。

背景技术：

正交模耦合器(OMT,Ortho-Mode Transducer)作为实现双极化天馈系统的重要部件，如今在卫星通讯、射电天文和军事雷达等方面已得到广泛的应用。在射电天文领域中，OMT工作频带的展宽有利于实现频谱资源的全频段覆盖，可以减少各个频段馈源种类的划分，提高系统效率，降低设备成本。

正交模耦合器(简称正交器或OMT)对于两个互相正交的极化波来说是一个分离的或者是混合的元件。OMT可鉴别公共端口(一般为圆波导或方波导)上两个正交主模的独立信号并将它们供给单一信号端口的基模，使所有端口匹配，且在两个信号之间有高的极化鉴别能力。

正交器的工作频段带宽主要受限于器件公共端口的横截面形状及其对应的主模与第一高次模截止频率的相对关系。一般情况下非对称型波导正交器的带宽为20％，采用对称技术(对称耦合孔、对称分支等)后，工作带宽有所增加。

采用对称结构后，将圆形正交器直通道激励的TM₀₁模谐振消除，可以保证正交器工作频带到第二高次模TE₂₁模的起始频率之前，正交器工作高低频点之比为(3.412/1.05/2.064):1＝1.57:1，理论上最大工作带宽百分比可以达到43.7％。

同理，采用对称结构的方形正交器将直通道激励的TM₁₁模/TE₁₁模谐振消除，可以保证正交器工作频带扩展到第二高次模TE₂₀模的起始频率之前，此时方形正交器工作高低频点之比为(2/1.05/1.0):1＝1.90:1，理论上最大工作带宽百分比可以达到62％。

由于波导模式分布的特性，即使将常规正交器直通道的第一/第二高次模谐振消除，也无法将正交器的工作频段带宽扩展到两倍频程以上。因此常见的鳍线OMT、Boifot型隔板-分支合成OMT、双脊过渡-分支合成OMT、双脊过渡-同轴输出OMT、四臂合成OMT等在工程上都无法实现2：1倍频程的工作带宽。只有四脊波导的结构对称性和足够大的主模工作带宽(脊间距足够小时，可以达到4：1的带宽)，通过合适的曲线过渡可以将四脊波导缓变到圆波导口径。

四脊波导与常规波导相比优点如下：由于脊凸缘效应，脊波导的主模带宽比直波导宽，可以用于宽频带馈电结构；在相同波导尺寸下，脊波导的单模工作频带更宽，在相同工作频带下脊波导尺寸更小；与同样横截面的波导相比，脊波导的等效阻抗低，因此可以用于与低阻抗的同轴线、微带线之间的过渡连接装置。

技术实现要素：

本发明目的在于，提供一种L波段四脊正交模耦合器，该正交模耦合器为修正型指数渐变曲线加载脊膜片和同轴激励结构，工作频率1-2GHz，应用于射电望远镜L波段接收机系统。该正交模耦合器由圆波导、四脊波导渐变转换段、四脊圆波导、脊膜片、短路背腔、第一同轴探针和第二同轴探针组成，圆波导口径按最低工作频率设计；四脊波导渐变转换段选用修正型指数渐变型阻抗变换方式，确保四脊圆波导主模到圆波导主模的传输；四脊圆波导内对四脊截面进行倒角修正，确保脊膜片之间不会出现相互干渉的现象；四脊波导同轴转换器选用同轴馈电方式，其短路背腔选用圆锥形设计。该正交模耦合器反射损耗和隔离度的实测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L波段四脊正交模耦合器，该正交模耦合器工作频段为1-2GHz，为一款修正指数曲线过渡脊膜片型正交模耦合器，应用于射电望远镜L波段接收机系统，该正交模耦合器由圆波导、四脊波导渐变转换段、四脊圆波导、脊膜片、短路背腔、第一同轴探针和第二同轴探针组成，圆波导(1)与四脊波导渐变转换段(2)的一端接连，四脊波导渐变转换段(2)另一端与四脊圆波导(3)连接，四脊圆波导(3)的另一端与短路背腔(4)连接，脊膜片(5)嵌入在四脊波导渐变转换段(2)和四脊圆波导(3)内部，第一同轴探针(7)穿过脊膜片(5)至四脊圆波导(3)中心处。

圆波导(1)口径为293.4mm，长度为30mm。

四脊波导渐变转换段(2)长度为640mm，与圆波导(1)连接处口径为293.4mm，与四脊圆波导(3)连接处口径为136mm。

四脊圆波导(3)外缘口径为136mm，长度为40mm。

短路背腔(4)为圆锥形，其圆锥顶面直径为48mm，底面直径为80mm，高度为30mm。

第一同轴探针(7)采用50欧姆同轴线，与第二同轴探针(9)设计在同一个横截面位置上，第一同轴探针(7)和第二同轴探针(9)的交界设计凹槽(10)，用以保证两个线极化传输相位的一致性。

脊膜片(5)厚度为16mm，对四脊截面进行倒角修正，嵌入在四脊圆波导(3)的部分间距为4mm。

本发明所述的一种L波段四脊正交模耦合器，工作频率为1-2GHz，用于射电望远镜L波段接收机系统。该正交模耦合器参考了四脊喇叭的成熟设计，采用相类似的修正型指数渐变曲线加载脊膜片(5)和同轴激励结构，将射电望远镜期望接收的L波段信号由圆波导通过四脊波导过渡到50欧姆同轴输出端口。该正交模耦合器馈电四脊圆波导(3)中的波型纯度高，四脊波导过渡段与圆波导具有良好的阻抗匹配，圆波导本身不产生高次模。

所述圆波导(1)口径按最低工作频率设计，取最小口径为194mm，考虑到现有测试负载的尺寸，最终选取直径为293.4mm。

所述四脊波导渐变转换段(2)用于确保四脊圆波导(3)主模到圆波导主模的传输。阻抗变换有多种方式，如指数渐变型阻抗变换、双曲线渐变型阻抗变换、切比雪夫渐变型阻抗变换等。修正型指数渐变型阻抗变换的频带非常宽，很容易实现倍频程。脊膜片(5)在圆锥过渡段部分按照指数型变化，以保证阻抗从馈电点的50欧姆向圆波导口面阻抗的平滑变换。指数阻抗渐变的形式可以表示为：

Y(z)＝Ae^Kz+Cz(1)考虑到设计和加工的简易性，四脊波导渐变转换段(2)选择直线圆锥型外缘。(1)式中，A＝d/2，修正系数C参考了四脊喇叭的研究成果，取值0.02，参数K＝ln((D/2-C*L)/A)/L。其中，脊波导间距d为4mm，圆波导口径D为293.4mm，四脊波导渐变转换段(2)长度L为640mm，参见图5。

所述四脊圆波导(3)特性阻抗设置为50欧姆，与50欧姆同轴电缆馈电相匹配。四脊圆波导口径可以由公式M＝KcD/2求出初步参数，式中Kc＝2π/λc，为四脊圆波导(3)的截止频率的传输常数。考虑到同轴线的特性阻抗为50欧姆，因此四脊圆波导(3)的特性阻抗尽可能选择在50-100欧姆之间，该四脊圆波导(3)在s/D＝0.125时，四脊间距取(D-d)/D＝0.8，M约为1.1。最低工作频率为1.0GHz时，四脊圆波导(3)外圆直径至少要求达到110毫米。四脊厚度越大越有利于波的传输，但是会使交叉极化变差。为了使得四脊圆波导(3)的特性阻抗达到50-100欧姆左右，必须缩小四脊间距，并且结构设计上对四脊截面进行倒角修正，保证四个脊膜片(5)结构上不会出现互相干涉的现象。最终选择四脊圆波导(3)外缘口径为136mm，脊间距为4mm，脊厚度为16mm，参见图6。

所述短路背腔(4)和同轴探针(7)，当采用同轴线馈电时，馈电的探针必须垂直贯穿于脊膜片(5)中央，以使脊间中央的电场最强，最大限度地抑制高次模。参见图7，A、B段是四脊圆波导(3)段，从短路背腔(4)到馈电处A，这一段是直的四脊波导，它的作用是滤除波导内被激励出来的高次模。馈电位置位于四脊圆波导(3)中心处，采用50欧姆的同轴线向四脊圆波导(3)馈电，馈电头采用N-50K同轴电缆头来实现，同轴线的外导体与波导的侧壁电接触，内导体与转接器的探针电接触，探针通过脊体内的圆柱空气腔伸入到波导腔内形成一个单极辐射器。由于普通波导的阻抗远大于同轴线的阻抗，因此探针必须终止在远离波导壁的地方，以防止失配，而四脊圆波导(3)的阻抗与同轴线的阻抗相一致，所以探针必须接在相对的脊上以利于匹配。该OMT的第一同轴探针(7)和第二同轴探针(9)设计在同一个横截面位置上，为防止两个探针之间相互干涉，参见图8，第一同轴探针(7)和第二同轴探针(9)在交界处做了凹槽(10)处理，这样可以保证两个线极化传输相位的一致性。短路背腔(4)对驻波有很大的影响，直接影响波的传输性能。背腔的形式有许多种类，常用的有半球型、圆锥型、台阶型。具体采用何种类型的背腔视驻波匹配情况而定，本发明采用了圆锥型短路背腔(4)，提供主模阻抗匹配，获得了比较优良的驻波性能。

附图说明

图1为本发明L波段四脊正交模耦合器整体结构图；

图2为本发明圆波导位置图；

图3为本发明四脊波导渐变转换段结构图；

图4为本发明短路背腔和同轴探针结构图；

图5为本发明四脊波导渐变转换段指数过渡线图；

图6为本发明四脊圆波导截面图；

图7为本发明四脊圆波导段结构图；

图8为本发明同轴探针及凹槽结构图；

图9为本发明四脊正交模耦合器反射损耗仿真结果图；

图10为本发明四脊正交模耦合器端口隔离度仿真结果图；

图11为本发明四脊正交模耦合器线极化同轴出口6反射损耗实测图；

图12为本发明四脊正交模耦合器线极化同轴出口8反射损耗实测图；

图13为本发明四脊正交模耦合器端口隔离度实测图。

具体实施方式

实施例

本发明所述的的一种L波段四脊正交模耦合器，该正交模耦合器工作频段为1-2GHz，为一款修正指数曲线过渡脊膜片型正交模耦合器，应用于射电望远镜L波段接收机系统，该正交模耦合器由圆波导、四脊波导渐变转换段、四脊圆波导、脊膜片、短路背腔、第一同轴探针和第二同轴探针组成，其中圆波导1口径为293.4mm，长度为30mm，四脊波导渐变转换段2长度为640mm，与圆波导1连接处口径为293.4mm，与四脊圆波导3连接处口径为136mm，四脊圆波导3外缘口径为136mm，长度为40mm，短路背腔4为圆锥形，其圆锥顶面直径为48mm，底面直径为80mm，高度为30mm，圆波导1与四脊波导渐变转换段2的一端接连，四脊波导渐变转换段2另一端与四脊圆波导3连接，四脊圆波导3的另一端与短路背腔4连接，脊膜片5嵌入在四脊波导渐变转换段2和四脊圆波导3内部，第一同轴探针7穿过脊膜片5至四脊圆波导3中心处；第一同轴探针7采用50欧姆同轴线，与第二同轴探针9设计在同一个横截面位置上，第一同轴探针7和第二同轴探针9的交界处设计凹槽10，用以保证两个线极化传输相位的一致性；脊膜片5厚度为16mm，对四脊截面进行倒角修正，嵌入在四脊圆波导3的部分间距为4mm。

使用过程中，参见图1，信号经圆波导1至四脊波导渐变转换段2内部，经脊膜片5传输至四脊圆波导3中心位置的同轴探针7处，再经线极化同轴出口8最终完成信号传输；

在HFSS电磁仿真软件中将四脊正交模耦合器各个组成部件拼接后计算，在优化计算过程中发现，对驻波影响较大的有两个因素：(1)四脊波导渐变转换段的长度；(2)四脊波导同轴转换器的结构，如探针的位置、短路背腔的形状和尺寸等。经过优化，四脊正交模耦合器的驻波优于-20dB，两个线极化端口的隔离度大于28dB，仿真结果参见图9和图10；

实际测量中使用安立便携式矢量网络分析仪8363，采用其他项目馈源的L频段宽频带波纹喇叭当作测试负载，测试频段0.8-2.4GHz。测试结果参见图11-13，线极化同轴出口6的反射损耗≤-18.9dB，线极化同轴出口8的反射损耗≤-19.7dB，两端口隔离度≤-25dB，高次模谐振频率810MHz、968MHz。

本发明所述的一种L波段四脊正交模耦合器，其实测与仿真结果的反射损耗和隔离度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1-2GHz范围内可以满足工程需要。