一种Ku波段宽带正交模耦合器的制作方法

本发明属于卫星通讯设备中的天线馈源技术领域，具体涉及一种Ku波段宽带正交模耦合器。

背景技术：

正交模耦合器，简称OMT，是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。OMT在大容量通信系统中可解决频率复用问题，能在同一频率上实现正交极化信号的双工传输(即组合和分离)。随着Ku波段馈源的宽带工作需求越来越多，要实现Ku双线极化收发，可以采用OMT结合频率双工器的形式。然而，传统OMT的相对带宽一般只能做到10％左右。虽然如Boifot OMT、鳍线形OMT、对称型反向耦合波导OMT以及四脊波导OMT等宽带形式的OMT的带宽可以达到30％，但又存在结构复杂、外形尺寸庞大、不是纯波导形式、对加工精度要求高甚至需要加调谐元件的问题。在现有的卫星天线设计中，迫切需要寻求一款兼具高宽带和小型化性能的OMT，从而使得该OMT在满足自身高宽带要求的同时，又能达到小型化的设计目的，以便满足有限空间下的安装使用要求。

技术实现要素：

本发明的目的为克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理而实用的Ku波段宽带正交模耦合器，其兼具结构紧凑、高带宽及体型小巧的优点，可满足卫星阵列天线的使用要求。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种Ku波段宽带正交模耦合器，其特征在于：本耦合器包括方波导、分支波导以及方矩变换段，其中：

方波导的首端面形成用于接纳外部信号的公共端口，方波导的一侧设置波导阶梯且该波导阶梯的阶梯面高度由方波导首端向末端处依次 降低；波导阶梯的阶梯面处耦合所述分支波导，所述分支波导的输出端口构成水平极化端口；在方波导的末端面设置有方矩变换段，所述方矩变换段由两个以上且沿方波导长度方向横截面面积逐个减小的矩形波导首尾衔接构成，方矩变换段的末端处的输出端口构成垂直极化端口；在方波导的波导阶梯所在侧，波导阶梯和方矩变换段所形成的连续的阶梯面高度的渐变取值拟合切比雪夫函数；在上述方波导的波导阶梯所在侧的相对侧，方矩变换段所形成的阶梯面高度的渐变取值同样拟合切比雪夫函数。

本耦合器的工作带宽为10.7GHz-14.5GHz，方波导的公共端口的长宽边尺寸为16.2mm×16.2mm，垂直极化端口的长宽边尺寸为14.8mm×5.6mm，水平极化端口长宽边尺寸为14.8mm×4.8mm。

波导阶梯的阶梯面与方矩变换段所形成的阶梯面的阶梯宽度均为四分之一波导波长。

本发明的有益效果在于：

1)、摒弃了结构冗繁的传统宽带OMT设计，本发明采用阶梯锥变加分支波导的窄带OMT设计方案，从而使得本发明的结构更为简单和紧凑。通过合理选择方波导口的尺寸，使得本发明所需求的工作带宽落在方波导主模截止频率和第三次高次模之间。在从方波导到矩形波导的渐变中，通过将各台阶面高度的渐变取值拟合切比雪夫函数，一方面可以将工作频带内的第一及第二次高次模压下去，达到展宽带宽的目的。另一方面，也可实现公共端口的主模TE₁₀通过变换段并馈给OMT的垂直极化端口，且正交主模TE₀₁在锥变区内消失并被反射和耦合到分支波导处的水平极化端口。具体操作时，可将水平极化端口及垂直极化端口尺寸进一步压缩，从而进一步的减小OMT的外形尺寸，以确保小型化需求。

通过上述方案，本发明可同时满足高工作带宽和结构简单紧凑及外形尺寸小的要求，无需额外匹配块或可调装置，设计工艺更为简单。本发明的外形尺寸比传统宽带OMT减小50％以上，显然更为适合如Ku波段 卫星通讯收发一体的天线或大型阵列天线的馈电等有限空间内使用。

附图说明

图1为本发明的三维仿真结构示意图；

图2为本发明的各输出端口的驻波曲线图；

图3为本发明的传输和极化隔离曲线图；

图4为本发明相对阵列天线的装配状态示意图。

图示各标号与本发明的具体部件名称对应关系如下：

A-公共端口 B-水平极化端口 C-垂直极化端口

10-方波导 11-波导阶梯 20-分支波导 30-方矩变换段

具体实施方式

为便于理解，此处结合图示对本发明的具体结构及工作过程作以下进一步描述：

本发明在具体使用时，初始设计是安装在一款平板卫星天线上的。该天线为喇叭阵列天线，水平单元间距20mm，垂直单元间距40mm。每个喇叭后端连接一个OMT，该天线馈电网络中有128个OMT，每两个OMT分支波导20输出后通过波导HT合成从而形成图4所示结构，该两个OMT间的最大间距为40mm。如果采用传统的宽带OMT设计，其结构尺寸是绝不可能达到阵列天线的布局要求。

在图4中，方波导10的公共端口A与馈电喇叭连接，它提供了两个电气端口，分别为电气端口3和电气端口4，传输两个正交模式分别为TE₀₁与TE₁₀模式；其余两个端口也即单一信号接口由标准的波导端口或同轴端口构成，只传输各自的基模TE₁₀模。方波导主模的截止波长λ_c＝2a，a为方波导边长。第一次高次模HE₁₁位置为1.414f_c，f_c为方波导主模的截止频率。第二次高次模TE₂₀位置为2f_c。若工作带宽的最低频f_L＝1.1f_c，主模内工作带宽的最高频f_H不得大于1.414f_c，当f_L＝10.7GHz，推出f_H＝13.75GHz，这样一来主模内要想实现10.7-14.5GHz的宽带工作是不可能的，只能将第一次高次模，甚至第二次高次模都放在工作频带内设计， 但难点就是要在现有的结构里将带内的高次模抑制掉。基于这种设计思想，本发明中Ku波段宽带正交模耦合器小型化的设计，在物理结构上可表示为一个简单的三端口网络，在电气上则形成四端口器件，具体由一个方波导10，一个标准矩形波导也即分支波导20和一个阶梯式的方矩变换段30组成。方波导10的边长选择16.2mm×16.2mm，带内高次模的抑制则通过方波导阶梯锥变来实现。

具体而言，本发明的方波导10的渐变是双边不对称阶梯渐变。在更具体至如图1及图4所示实施例中时，在方波导10的一侧设置具备四个台阶的波导阶梯11，同时，在方波导10的末端面处还顺序设置有由两个横截面尺寸逐个减小的矩形波导沿方波导10长度方向依次首尾衔接形成的方矩变换段30。此时，无论是方波导10的波导阶梯11一侧还是相对波导阶梯11所在侧的相对侧处，其阶梯面高度的渐变取值均拟合切比雪夫函数，而每个台阶面的纵向长度也即台阶面宽度为四分之一波导波长。上述渐变取值拟合的作用，一方面实现了公共端口A的主模TE₁₀通过方矩变换段30并馈给OMT的垂直极化端口C，而正交主模TE₀₁,在锥变区内消失,被反射并耦合到分支波导20处的水平极化端口B。另一方面，则可实现将带内第一次及第二次高次模抑制的效果。

在图1中可以看出，垂直极化端口C和水平极化端口B的波导尺寸明显被缩小，以满足小型化布局的需要。覆盖10.7GHz-14.5GHz的标准波导尺寸是19.05mm×9.52mm，而本发明中，方波导10的公共端口A的长宽边尺寸为16.2mm×16.2mm，垂直极化端口C的长宽边尺寸缩小为14.8mm×5.6mm，水平极化端口B长宽边尺寸缩小为14.8mm×4.8mm。设计完成后，整个OMT的尺寸长50mm，高20mm，满足天线垂直单元间距为40mm的要求。

图2为本发明的Ku波段宽带正交模耦合器输出端口的驻波曲线，10.7-14.5GHz通带内驻波小于1.36，通带内平滑的曲线上有两个小突起，是被抑制的第一次及第二次高次模。

图3本发明的Ku波段宽带正交模耦合器传输和极化隔离曲线图，从图4可看出，本发明传输损耗小于0.1dB，极化隔离带内最小-48dB。

图4为本发明的2个宽带OMT在阵列天线上的组装图。两个宽带OMT分支波导20输出后通过波导HT合成，两个OMT间的最大间距为40mm。宽带OMT的方波导10为两个角锥喇叭馈电，形成平板角锥喇叭阵列天线的一个天线单元，显然可满足该天线大规模高密度布局对宽带OMT结构小型化的要求。