一种C波段宽带正交模耦合器设计

正交模耦合器（OMT，Ortho-mode Transducer）作为一种无源微波器件，一般用于分离两个相互垂直的极化模式。这种方式可以使两种极化在同频段内独立工作，不仅有利于频率复用，还提高了系统的通信效率和容量^[1]。双极化天线馈电网络常应用于卫星通讯系统，OMT 作为天线馈源系统的重要器件，可以实现天线的双极化。将从公共波导通道输入的正交线极化波分离到两路独立的输出通道，并使两路输出通道匹配且保持较高的隔离度。传统的OMT 通常是介质或金属挡板类型，虽然结构容易加工，但其相对带宽通常低于20%。随着应用需求的提高，宽带高频的OMT 得到快速发展，例如Boifot-OMT^[2]、Turnstile-OMT^[3]。这些OMT 的结构一般是对称的，可以抑制高阶模式的产生，从而实现宽带主模式的传播。

本文设计了一种C 波段的宽带Boifot-OMT。首先对OMT 的关键部分进行理论分析与优化设计，通过垂直极化通路和水平极化通路的独立仿真，然后阐述了OMT 使正交极化波分离的工作原理，最后整体仿真得到了相对带宽可达43% 的宽带OMT，实现了宽带低损耗高隔离。

图1 宽带正交模耦合器模型示意图

1 OMT设计的理论基础

OMT 整体结构物理上表现为三端口器件，1 个公共端口输入正交极化波，两个终端口分别输出垂直极化波和水平极化波。在电气上表现为四端口器件，公共端口提供两个端口来输入正交极化主模式。图2 给出了OMT 的理论等效电路，两个相互垂直的线极化从公共端口的方波导馈入，分别在方波导上形成TE₁₀ 模和TE₀₁ 模两个主模式。OMT 将这两个正交的主模分离开来，分别传输和分配到两个终端口，并且拥有很高的通道隔离度^[4]。OMT 的理想四端口散射矩阵可以由式（1）表示：

对于TE₁₀ 模和TE₀₁ 模而言，方波导过渡到标准波导的设计理论也很重要。对于截面尺寸a ∗b，填充空气的矩形波导，其阻抗计算公式为：

其中，λ 表示波长；μ 和ε分别表示空气磁导率和空气介电常数。为了提高OMT 的工作带宽，利用切比雪夫阻抗变换进行设计。根据切比雪夫阻抗变换关系可求出满足所需要求的各级变换的阻抗值，因此可以得到相应的波导尺寸^[5-6]。此外，在各部分波导连接处的不连续性会激励高阶模式，影响主模的场分布，从而影响OMT 的工作带宽。若结构波导内的不连续性和两个正交极化模都是对称的，根据下式可知^[7]：

当OMT 的结构对两个正交模式都呈对称性时，可以限制高阶模式的激励，从而可以提高工作带宽和隔离度^[8]。

图2 OMT四端口等效电路图

2 关键部位的设计与分析

为了更清晰地分析OMT 的工作原理以及高效地设计，我们把结构分成两部分独立仿真与分析。其中垂直极化通路由Boifot 接头和切比雪夫变换器构成，而水平极化通路由Boifot 接头、E 面转弯、Y 型功分器和切比雪夫变换器组成。两个极化波导输出终端口皆为标准BJ58 波导，输入正交极化的方波导的边长等于BJ58 的宽边，有利于与外部部件的对接。先对每条通路进行独立仿真和优化，然后再对整体结构进行模拟，这样不仅提高了器件设计的效率还有利于OMT 工作原理的理解。

2.1 垂直极化通路

正交极化信号馈入公共波导端口经过Boifot 接头、切比雪夫匹配器，从垂直极化波导终端口输出一路垂直极化（图1 Pol.V）信号。Boifot 接头是分离正交极化信号的关键部位。对于垂直极化信号（TE₁₀ 模），对称的双脊阶梯状金属薄片呈现容性，可以有效防止其传播到双脊的两侧波导内。因此，TE₁₀ 模的能量主要通过双脊阶梯状金属薄片上下方被等分成两部分，之后又汇合到一起从后端的三阶切比雪夫匹配器输出。在双脊阶梯状金属薄片两侧对称分布的金属圆柱起到了增强模反射的作用，有利于TE₁₀模的能量聚集在垂直极化通路内。所设计的Boifot 接头模型如图3（b）所示，图4 展示了垂直极化终端口的电压驻波比。

2.2 水平极化通路

正交极化信号馈入公共波导端口经过Boifot 接头、E 面转弯、Y 型功分器及切比雪夫匹配器从水平极化波导终端口输出一路水平极化（图1 Pol.H）信号。对于水平极化波（TE₀₁ 模），Boifot 接头中的双脊阶梯状金属薄片可以把水平极化能量等分成两部分进入两侧的波导臂中，同时抑制垂直极化波的进入。在双脊阶梯状金属薄片两侧对称分布的金属圆柱可以用来进行阻抗匹配。由于转弯波导的不连续性，可能会引起高阶模式。由于OMT 的对称性设计，不对称的高阶模电场相反，所以经过Y 型功分器合成后会被抵消，有利于TE₀₁ 模在水平极化通带输出。图5 和图6 分别给出了Y 型功分器的模型示意图和水平极化终端口的驻波比。

3 OMT整体仿真与分析

通过以上对结构分解后的部位独立仿真及优化，设计了一种C 波段的宽带OMT。在4.4~6.8 GHz 频带内，垂直极化和水平极化终端口的驻波比都低于1.25。利用电磁仿真软件HFSS 对整体结构进行仿真，OMT 的主要电气指标分别是回波损耗、隔离度、交叉极化以及传输损耗，其仿真结果如下。

图7 给出了垂直极化通路和水平极化通路输出端口的回波损耗，在C 波段两者小于-20 dB，其相对带宽达到了43%。两条通路的传输损耗如8 图所示，均小于0.07 dB。可以满足射电天文学以及无线通讯系统等多个领域的应用指标需求。

垂直极化通路和水平极化通路输出终端口的隔离度和交叉极化如图9 和10 所示。在全频段，OMT 的隔离度大于57 dB，垂直极化通路和水平极化通路的交叉极化水平低于-60 dB。

4 结束语

本文设计了一种C 波段宽带正交耦合器，阐述了扩展正交耦合器带宽的方法。在4.4 ～ 6.8 GHz（相对带宽达到43%）的频带内，回波损耗小于-20 dB，传输损耗小于0.07 dB，端口隔离度优于-57 dB，交叉极化水平低于-60 dB，拥有良好的电气性能，适用于雷达探测、电子对抗以及无线通讯系统等多个领域。

参考文献：

[1] 谈超,李斌.W波段宽带正交模耦合器设计[J].天文研究与技术,2021,18(4):5.

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[3] 陈卯蒸,宁云炜,马军.基于Turnstile结构的超宽带正交模耦合器研究[J].无线电工程,2016,46(10): 54-57.

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[8] ALVARO G, ASAYAMA S. Double-ridged waveguide o r t homode t r a n s d u c e r ( OMT) f o r t h e 6 7 - 1 1 6 GH z band [J]. Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves,2018,39(8):727-737.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年4月期）