本發(fā)明涉及一種L波段四脊正交模耦合器，專(zhuān)門(mén)用于射電天文領(lǐng)域?qū)拵⒉ń邮諜C(jī)。

背景技術(shù)：

正交模耦合器(OMT,Ortho-Mode Transducer)作為實(shí)現(xiàn)雙極化天饋系統(tǒng)的重要部件，如今在衛(wèi)星通訊、射電天文和軍事雷達(dá)等方面已得到廣泛的應(yīng)用。在射電天文領(lǐng)域中，OMT工作頻帶的展寬有利于實(shí)現(xiàn)頻譜資源的全頻段覆蓋，可以減少各個(gè)頻段饋源種類(lèi)的劃分，提高系統(tǒng)效率，降低設(shè)備成本。

正交模耦合器(簡(jiǎn)稱(chēng)正交器或OMT)對(duì)于兩個(gè)互相正交的極化波來(lái)說(shuō)是一個(gè)分離的或者是混合的元件。OMT可鑒別公共端口(一般為圓波導(dǎo)或方波導(dǎo))上兩個(gè)正交主模的獨(dú)立信號(hào)并將它們供給單一信號(hào)端口的基模，使所有端口匹配，且在兩個(gè)信號(hào)之間有高的極化鑒別能力。

正交器的工作頻段帶寬主要受限于器件公共端口的橫截面形狀及其對(duì)應(yīng)的主模與第一高次模截止頻率的相對(duì)關(guān)系。一般情況下非對(duì)稱(chēng)型波導(dǎo)正交器的帶寬為20％，采用對(duì)稱(chēng)技術(shù)(對(duì)稱(chēng)耦合孔、對(duì)稱(chēng)分支等)后，工作帶寬有所增加。

采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)后，將圓形正交器直通道激勵(lì)的TM₀₁模諧振消除，可以保證正交器工作頻帶到第二高次模TE₂₁模的起始頻率之前，正交器工作高低頻點(diǎn)之比為(3.412/1.05/2.064):1＝1.57:1，理論上最大工作帶寬百分比可以達(dá)到43.7％。

同理，采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的方形正交器將直通道激勵(lì)的TM₁₁模/TE₁₁模諧振消除，可以保證正交器工作頻帶擴(kuò)展到第二高次模TE₂₀模的起始頻率之前，此時(shí)方形正交器工作高低頻點(diǎn)之比為(2/1.05/1.0):1＝1.90:1，理論上最大工作帶寬百分比可以達(dá)到62％。

由于波導(dǎo)模式分布的特性，即使將常規(guī)正交器直通道的第一/第二高次模諧振消除，也無(wú)法將正交器的工作頻段帶寬擴(kuò)展到兩倍頻程以上。因此常見(jiàn)的鰭線(xiàn)OMT、Boifot型隔板-分支合成OMT、雙脊過(guò)渡-分支合成OMT、雙脊過(guò)渡-同軸輸出OMT、四臂合成OMT等在工程上都無(wú)法實(shí)現(xiàn)2：1倍頻程的工作帶寬。只有四脊波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性和足夠大的主模工作帶寬(脊間距足夠小時(shí)，可以達(dá)到4：1的帶寬)，通過(guò)合適的曲線(xiàn)過(guò)渡可以將四脊波導(dǎo)緩變到圓波導(dǎo)口徑。

四脊波導(dǎo)與常規(guī)波導(dǎo)相比優(yōu)點(diǎn)如下：由于脊凸緣效應(yīng)，脊波導(dǎo)的主模帶寬比直波導(dǎo)寬，可以用于寬頻帶饋電結(jié)構(gòu)；在相同波導(dǎo)尺寸下，脊波導(dǎo)的單模工作頻帶更寬，在相同工作頻帶下脊波導(dǎo)尺寸更?。慌c同樣橫截面的波導(dǎo)相比，脊波導(dǎo)的等效阻抗低，因此可以用于與低阻抗的同軸線(xiàn)、微帶線(xiàn)之間的過(guò)渡連接裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于，提供一種L波段四脊正交模耦合器，該正交模耦合器為修正型指數(shù)漸變曲線(xiàn)加載脊膜片和同軸激勵(lì)結(jié)構(gòu)，工作頻率1-2GHz，應(yīng)用于射電望遠(yuǎn)鏡L波段接收機(jī)系統(tǒng)。該正交模耦合器由圓波導(dǎo)、四脊波導(dǎo)漸變轉(zhuǎn)換段、四脊圓波導(dǎo)、脊膜片、短路背腔、第一同軸探針和第二同軸探針組成，圓波導(dǎo)口徑按最低工作頻率設(shè)計(jì)；四脊波導(dǎo)漸變轉(zhuǎn)換段選用修正型指數(shù)漸變型阻抗變換方式，確保四脊圓波導(dǎo)主模到圓波導(dǎo)主模的傳輸；四脊圓波導(dǎo)內(nèi)對(duì)四脊截面進(jìn)行倒角修正，確保脊膜片之間不會(huì)出現(xiàn)相互干渉的現(xiàn)象；四脊波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器選用同軸饋電方式，其短路背腔選用圓錐形設(shè)計(jì)。該正交模耦合器反射損耗和隔離度的實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果基本吻合，可以滿(mǎn)足射電天文觀測(cè)需求。

本發(fā)明所述的一種L波段四脊正交模耦合器，該正交模耦合器工作頻段為1-2GHz，為一款修正指數(shù)曲線(xiàn)過(guò)渡脊膜片型正交模耦合器，應(yīng)用于射電望遠(yuǎn)鏡L波段接收機(jī)系統(tǒng)，該正交模耦合器由圓波導(dǎo)、四脊波導(dǎo)漸變轉(zhuǎn)換段、四脊圓波導(dǎo)、脊膜片、短路背腔、第一同軸探針和第二同軸探針組成，圓波導(dǎo)(1)與四脊波導(dǎo)漸變轉(zhuǎn)換段(2)的一端接連，四脊波導(dǎo)漸變轉(zhuǎn)換段(2)另一端與四脊圓波導(dǎo)(3)連接，四脊圓波導(dǎo)(3)的另一端與短路背腔(4)連接，脊膜片(5)嵌入在四脊波導(dǎo)漸變轉(zhuǎn)換段(2)和四脊圓波導(dǎo)(3)內(nèi)部，第一同軸探針(7)穿過(guò)脊膜片(5)至四脊圓波導(dǎo)(3)中心處。

圓波導(dǎo)(1)口徑為293.4mm，長(zhǎng)度為30mm。

四脊波導(dǎo)漸變轉(zhuǎn)換段(2)長(zhǎng)度為640mm，與圓波導(dǎo)(1)連接處口徑為293.4mm，與四脊圓波導(dǎo)(3)連接處口徑為136mm。

四脊圓波導(dǎo)(3)外緣口徑為136mm，長(zhǎng)度為40mm。

短路背腔(4)為圓錐形，其圓錐頂面直徑為48mm，底面直徑為80mm，高度為30mm。

第一同軸探針(7)采用50歐姆同軸線(xiàn)，與第二同軸探針(9)設(shè)計(jì)在同一個(gè)橫截面位置上，第一同軸探針(7)和第二同軸探針(9)的交界設(shè)計(jì)凹槽(10)，用以保證兩個(gè)線(xiàn)極化傳輸相位的一致性。

脊膜片(5)厚度為16mm，對(duì)四脊截面進(jìn)行倒角修正，嵌入在四脊圓波導(dǎo)(3)的部分間距為4mm。

本發(fā)明所述的一種L波段四脊正交模耦合器，工作頻率為1-2GHz，用于射電望遠(yuǎn)鏡L波段接收機(jī)系統(tǒng)。該正交模耦合器參考了四脊喇叭的成熟設(shè)計(jì)，采用相類(lèi)似的修正型指數(shù)漸變曲線(xiàn)加載脊膜片(5)和同軸激勵(lì)結(jié)構(gòu)，將射電望遠(yuǎn)鏡期望接收的L波段信號(hào)由圓波導(dǎo)通過(guò)四脊波導(dǎo)過(guò)渡到50歐姆同軸輸出端口。該正交模耦合器饋電四脊圓波導(dǎo)(3)中的波型純度高，四脊波導(dǎo)過(guò)渡段與圓波導(dǎo)具有良好的阻抗匹配，圓波導(dǎo)本身不產(chǎn)生高次模。

所述圓波導(dǎo)(1)口徑按最低工作頻率設(shè)計(jì)，取最小口徑為194mm，考慮到現(xiàn)有測(cè)試負(fù)載的尺寸，最終選取直徑為293.4mm。

所述四脊波導(dǎo)漸變轉(zhuǎn)換段(2)用于確保四脊圓波導(dǎo)(3)主模到圓波導(dǎo)主模的傳輸。阻抗變換有多種方式，如指數(shù)漸變型阻抗變換、雙曲線(xiàn)漸變型阻抗變換、切比雪夫漸變型阻抗變換等。修正型指數(shù)漸變型阻抗變換的頻帶非常寬，很容易實(shí)現(xiàn)倍頻程。脊膜片(5)在圓錐過(guò)渡段部分按照指數(shù)型變化，以保證阻抗從饋電點(diǎn)的50歐姆向圓波導(dǎo)口面阻抗的平滑變換。指數(shù)阻抗?jié)u變的形式可以表示為：

Y(z)＝Ae^Kz+Cz(1)考慮到設(shè)計(jì)和加工的簡(jiǎn)易性，四脊波導(dǎo)漸變轉(zhuǎn)換段(2)選擇直線(xiàn)圓錐型外緣。(1)式中，A＝d/2，修正系數(shù)C參考了四脊喇叭的研究成果，取值0.02，參數(shù)K＝ln((D/2-C*L)/A)/L。其中，脊波導(dǎo)間距d為4mm，圓波導(dǎo)口徑D為293.4mm，四脊波導(dǎo)漸變轉(zhuǎn)換段(2)長(zhǎng)度L為640mm，參見(jiàn)圖5。

所述四脊圓波導(dǎo)(3)特性阻抗設(shè)置為50歐姆，與50歐姆同軸電纜饋電相匹配。四脊圓波導(dǎo)口徑可以由公式M＝KcD/2求出初步參數(shù)，式中Kc＝2π/λc，為四脊圓波導(dǎo)(3)的截止頻率的傳輸常數(shù)。考慮到同軸線(xiàn)的特性阻抗為50歐姆，因此四脊圓波導(dǎo)(3)的特性阻抗盡可能選擇在50-100歐姆之間，該四脊圓波導(dǎo)(3)在s/D＝0.125時(shí)，四脊間距取(D-d)/D＝0.8，M約為1.1。最低工作頻率為1.0GHz時(shí)，四脊圓波導(dǎo)(3)外圓直徑至少要求達(dá)到110毫米。四脊厚度越大越有利于波的傳輸，但是會(huì)使交叉極化變差。為了使得四脊圓波導(dǎo)(3)的特性阻抗達(dá)到50-100歐姆左右，必須縮小四脊間距，并且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上對(duì)四脊截面進(jìn)行倒角修正，保證四個(gè)脊膜片(5)結(jié)構(gòu)上不會(huì)出現(xiàn)互相干涉的現(xiàn)象。最終選擇四脊圓波導(dǎo)(3)外緣口徑為136mm，脊間距為4mm，脊厚度為16mm，參見(jiàn)圖6。

所述短路背腔(4)和同軸探針(7)，當(dāng)采用同軸線(xiàn)饋電時(shí)，饋電的探針必須垂直貫穿于脊膜片(5)中央，以使脊間中央的電場(chǎng)最強(qiáng)，最大限度地抑制高次模。參見(jiàn)圖7，A、B段是四脊圓波導(dǎo)(3)段，從短路背腔(4)到饋電處A，這一段是直的四脊波導(dǎo)，它的作用是濾除波導(dǎo)內(nèi)被激勵(lì)出來(lái)的高次模。饋電位置位于四脊圓波導(dǎo)(3)中心處，采用50歐姆的同軸線(xiàn)向四脊圓波導(dǎo)(3)饋電，饋電頭采用N-50K同軸電纜頭來(lái)實(shí)現(xiàn)，同軸線(xiàn)的外導(dǎo)體與波導(dǎo)的側(cè)壁電接觸，內(nèi)導(dǎo)體與轉(zhuǎn)接器的探針電接觸，探針通過(guò)脊體內(nèi)的圓柱空氣腔伸入到波導(dǎo)腔內(nèi)形成一個(gè)單極輻射器。由于普通波導(dǎo)的阻抗遠(yuǎn)大于同軸線(xiàn)的阻抗，因此探針必須終止在遠(yuǎn)離波導(dǎo)壁的地方，以防止失配，而四脊圓波導(dǎo)(3)的阻抗與同軸線(xiàn)的阻抗相一致，所以探針必須接在相對(duì)的脊上以利于匹配。該OMT的第一同軸探針(7)和第二同軸探針(9)設(shè)計(jì)在同一個(gè)橫截面位置上，為防止兩個(gè)探針之間相互干涉，參見(jiàn)圖8，第一同軸探針(7)和第二同軸探針(9)在交界處做了凹槽(10)處理，這樣可以保證兩個(gè)線(xiàn)極化傳輸相位的一致性。短路背腔(4)對(duì)駐波有很大的影響，直接影響波的傳輸性能。背腔的形式有許多種類(lèi)，常用的有半球型、圓錐型、臺(tái)階型。具體采用何種類(lèi)型的背腔視駐波匹配情況而定，本發(fā)明采用了圓錐型短路背腔(4)，提供主模阻抗匹配，獲得了比較優(yōu)良的駐波性能。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明L波段四脊正交模耦合器整體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明圓波導(dǎo)位置圖；

圖3為本發(fā)明四脊波導(dǎo)漸變轉(zhuǎn)換段結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明短路背腔和同軸探針結(jié)構(gòu)圖；

圖5為本發(fā)明四脊波導(dǎo)漸變轉(zhuǎn)換段指數(shù)過(guò)渡線(xiàn)圖；

圖6為本發(fā)明四脊圓波導(dǎo)截面圖；

圖7為本發(fā)明四脊圓波導(dǎo)段結(jié)構(gòu)圖；

圖8為本發(fā)明同軸探針及凹槽結(jié)構(gòu)圖；

圖9為本發(fā)明四脊正交模耦合器反射損耗仿真結(jié)果圖；

圖10為本發(fā)明四脊正交模耦合器端口隔離度仿真結(jié)果圖；

圖11為本發(fā)明四脊正交模耦合器線(xiàn)極化同軸出口6反射損耗實(shí)測(cè)圖；

圖12為本發(fā)明四脊正交模耦合器線(xiàn)極化同軸出口8反射損耗實(shí)測(cè)圖；

圖13為本發(fā)明四脊正交模耦合器端口隔離度實(shí)測(cè)圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例

本發(fā)明所述的的一種L波段四脊正交模耦合器，該正交模耦合器工作頻段為1-2GHz，為一款修正指數(shù)曲線(xiàn)過(guò)渡脊膜片型正交模耦合器，應(yīng)用于射電望遠(yuǎn)鏡L波段接收機(jī)系統(tǒng)，該正交模耦合器由圓波導(dǎo)、四脊波導(dǎo)漸變轉(zhuǎn)換段、四脊圓波導(dǎo)、脊膜片、短路背腔、第一同軸探針和第二同軸探針組成，其中圓波導(dǎo)1口徑為293.4mm，長(zhǎng)度為30mm，四脊波導(dǎo)漸變轉(zhuǎn)換段2長(zhǎng)度為640mm，與圓波導(dǎo)1連接處口徑為293.4mm，與四脊圓波導(dǎo)3連接處口徑為136mm，四脊圓波導(dǎo)3外緣口徑為136mm，長(zhǎng)度為40mm，短路背腔4為圓錐形，其圓錐頂面直徑為48mm，底面直徑為80mm，高度為30mm，圓波導(dǎo)1與四脊波導(dǎo)漸變轉(zhuǎn)換段2的一端接連，四脊波導(dǎo)漸變轉(zhuǎn)換段2另一端與四脊圓波導(dǎo)3連接，四脊圓波導(dǎo)3的另一端與短路背腔4連接，脊膜片5嵌入在四脊波導(dǎo)漸變轉(zhuǎn)換段2和四脊圓波導(dǎo)3內(nèi)部，第一同軸探針7穿過(guò)脊膜片5至四脊圓波導(dǎo)3中心處；第一同軸探針7采用50歐姆同軸線(xiàn)，與第二同軸探針9設(shè)計(jì)在同一個(gè)橫截面位置上，第一同軸探針7和第二同軸探針9的交界處設(shè)計(jì)凹槽10，用以保證兩個(gè)線(xiàn)極化傳輸相位的一致性；脊膜片5厚度為16mm，對(duì)四脊截面進(jìn)行倒角修正，嵌入在四脊圓波導(dǎo)3的部分間距為4mm。

使用過(guò)程中，參見(jiàn)圖1，信號(hào)經(jīng)圓波導(dǎo)1至四脊波導(dǎo)漸變轉(zhuǎn)換段2內(nèi)部，經(jīng)脊膜片5傳輸至四脊圓波導(dǎo)3中心位置的同軸探針7處，再經(jīng)線(xiàn)極化同軸出口8最終完成信號(hào)傳輸；

在HFSS電磁仿真軟件中將四脊正交模耦合器各個(gè)組成部件拼接后計(jì)算，在優(yōu)化計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)駐波影響較大的有兩個(gè)因素：(1)四脊波導(dǎo)漸變轉(zhuǎn)換段的長(zhǎng)度；(2)四脊波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，如探針的位置、短路背腔的形狀和尺寸等。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，四脊正交模耦合器的駐波優(yōu)于-20dB，兩個(gè)線(xiàn)極化端口的隔離度大于28dB，仿真結(jié)果參見(jiàn)圖9和圖10；

實(shí)際測(cè)量中使用安立便攜式矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8363，采用其他項(xiàng)目饋源的L頻段寬頻帶波紋喇叭當(dāng)作測(cè)試負(fù)載，測(cè)試頻段0.8-2.4GHz。測(cè)試結(jié)果參見(jiàn)圖11-13，線(xiàn)極化同軸出口6的反射損耗≤-18.9dB，線(xiàn)極化同軸出口8的反射損耗≤-19.7dB，兩端口隔離度≤-25dB，高次模諧振頻率810MHz、968MHz。

本發(fā)明所述的一種L波段四脊正交模耦合器，其實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果的反射損耗和隔離度曲線(xiàn)變化趨勢(shì)大致吻合，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，實(shí)際測(cè)量結(jié)果在工作頻帶1-2GHz范圍內(nèi)可以滿(mǎn)足工程需要。