技术领域
[0001] 本
发明涉及一种Q波段脊过渡正交模耦合器，专
门用于射电天文领域宽带
微波接收机。
背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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以上的频段制作加工、装配调试的难度比较大，无法实现批量化的生产。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。双脊过渡-分支合成OMT虽然设计难度较大，但是两个线极化通道的电气性能优良，结构设计更紧凑。
发明内容
[0006] 本发明目的在于，提供一种Q波段脊过渡正交模耦合器，该正交模耦合器为宽带双脊过渡-分支合成结构，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。该正交模耦合器由双脊过渡-分支接头、Y型接头、第一E型弯头、第二E型弯头、第一
侧壁分支口、第二侧壁分支口、双脊、双脊过渡段、匹配钉、电感膜片、第一90度弯头、第二90度弯头和阻抗变换段组成，双脊过渡-分支接头主要用于分离两个正交极化
信号，其中直通道的双脊过渡采用了三个台阶，侧壁分支通道引入匹配钉和电感膜片；Y型接头用于将双脊过渡-分支接头输出的两路
水平极化信号合成一路信号，由第一90度弯头、第二90度弯头和阻抗变换段组成；第一E型弯头、第二E型弯头用于连接双脊过渡-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。
[0007] 本发明所述的一种Q波段脊过渡正交模耦合器，该正交模耦合器为宽带双脊过渡-分支合成型正交模耦合器，工作频段为30-50GHz，应用于射电望远镜Q波段接收机系统，该正交模耦合器由双脊过渡-分支接头、Y型接头、第一E型弯头、第二E型弯头、第一侧壁分支口、第二侧壁分支口、双脊、双脊过渡段、匹配钉、电感膜片、第一90度弯头、第二90度弯头和阻抗变换段组成，双脊过渡-分支接头(1)的第一侧壁分支口(5)与第一E型弯头(3)的一端连接，第一E型弯头(3)的另一端与Y型接头(2)的第一90度弯头(7)连接，双脊过渡-分支接头(1)的第二侧壁分支口(6)与第二E型弯头(4)的一端连接，第二E型弯头(4)的另一端与Y型接头(2)的第二90度弯头(8)连接。
[0008] 双脊过渡-分支接头(1)中设有双脊(12)，双脊(12)厚度为0.7mm，双脊(12)切
角的
倒角半径为2mm，在双脊过渡-分支接头(1)的侧壁分支通道上分别对称设有电感膜片(13)和匹配钉(14)，匹配钉(14)口径为0.6*0.6mm，高0.3mm，在双脊(12)的下部设有三级台阶的双脊过渡(15)，双脊过渡(15)厚度为0.7mm。
[0009] 阻抗变换段(16)倒角半径为1mm，采用四节阻抗转换器结构。
[0010] 第一E型弯头(3)和第二E型弯头(4)为对称型，用于连接双脊过渡-分支接头(1)和Y型接头(2)。
[0011] 本发明所述的一种Q波段脊过渡正交模耦合器，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双脊过渡-分支合成结构，公共端口为方形波导，边长5.4mm×5.4mm，输出端口为BJ400标准波导。双脊过渡-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倍频程内有较好的
驻波和隔离特性。为了抑制双脊过渡-分支接头方口的高次模TE20模，同时保证主模传输，正交器双脊过渡-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。
[0012] 所述双脊过渡-分支接头(1)，侧臂分支波导窄边尺寸应小于方波导边长的一半，故而能够兼顾驻波和隔离性能，后口波导窄边的尺寸约为方波导边长的1/3左右，脊厚度约为方波导边长的0.12-0.16倍左右。直通道的双脊过渡段(15)按四分之一波长阻抗变换器原理设计，方波导根部双脊(12)的切角尺寸要求同时兼顾直通道和侧臂分支通道的驻波性能，而后与第一E型弯头(3)和第二E型弯头(4)进行融合设计。侧臂分支通道的设计主要影响因素是方波导根部双脊(12)的切角尺寸，考虑到结构的小型化，将接头分支与第一E型弯头(3)和第二E型弯头(4)融合设计，并引入匹配钉(14)和电感膜片(13)。双脊过渡-分支接头方口(9)口径为5.4mm×5.4mm，直臂输出口(10)口径为BJ400标准，便于后续的装配和调试。在设计中为保证加工的可实现性，接头中双脊过渡(15)的厚度均取0.7mm，减少了加工误差参数。电气设计过程中充分考虑了结构器件加工的条件，对器件各个尺寸进行合理的分配。经过优化，最终双脊过渡-分支接头(1)的双脊过渡(15)采用了三个台阶，直通道的反射损耗均小于-25.5dB，侧臂通道的反射损耗均小于-22.5dB。
[0013] 所述Y型接头(2)是将双脊过渡-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)、第一90度弯头(8)和阻抗变换段(16)组成；第一90度弯头(7)和第一90度弯头(8)的尺寸与双脊过渡-分支接头(1)侧壁分支口的尺寸一致，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了倒角半径为1mm。经过优化，Y型接头(2)反射损耗均小于-25dB。
[0014] 所述第一E型弯头(3)和第二E型弯头(4)是连接双脊过渡-分支接头(1)和Y型接头(2)的部件，仿真的反射损耗小于-37.7dB。
附图说明
[0015] 图1为本发明Q波段脊过渡正交模耦合器整体结构图；
[0016] 图2为本发明双脊过渡-分支接头结构图；
[0017] 图3为本发明Y型接头结构图；
[0018] 图4为本发明E型弯头结构图；
[0019] 图5为本发明双脊过渡-分支接头反射损耗仿真结果图；
[0020] 图6为本发明Y型接头反射损耗仿真结果图；
[0021] 图7为本发明E型弯头反射损耗仿真结果图；
[0022] 图8为本发明脊过渡正交模耦合器各端口反射损耗仿真结果图；
[0023] 图9为本发明脊过渡正交模耦合器Y型接头输出口-直臂输出口隔离度仿真结果图；
[0024] 图10为本发明脊过渡正交模耦合器Y型接头输出口反射损耗实测图；
[0025] 图11为本发明脊过渡正交模耦合器直臂输出口反射损耗实测图；
[0026] 图12为本发明脊过渡正交模耦合器Y型接头输出口-直臂输出口隔离度实测图。
具体实施方式
[0028] 本发明所述的一种Q波段脊过渡正交模耦合器，该正交模耦合器为宽带双脊过渡-分支合成型正交模耦合器，工作频段为30-50GHz，应用于射电望远镜Q波段接收机系统，该正交模耦合器由双脊过渡-分支接头、Y型接头、第一E型弯头、第二E型弯头、第一侧壁分支口、第二侧壁分支口、双脊、双脊过渡段、匹配钉、电感膜片、第一90度弯头、第二90度弯头和阻抗变换段组成，双脊过渡-分支接头1的第一侧壁分支口5与第一E型弯头3的一端连接，第一E型弯头3的另一端与Y型接头2的第一90度弯头7连接；双脊过渡-分支接头1的第二侧壁分支口6与第二E型弯头4的一端连接，第二E型弯头4的另一端与Y型接头2的第二90度弯头8连接。
[0029] 双脊过渡-分支接头1中设有双脊12，双脊12厚度为0.7mm，双脊12切角的倒角半径为2mm，在双脊过渡-分支接头1的侧壁分支通道上分别对称设有电感膜片13和匹配钉14，匹配钉14口径为0.6×0.6mm，高0.3mm，在双脊12的下部设有三级台阶的双脊过渡15，双脊过渡15厚度为0.7mm。
[0030] 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。
[0031] 第一E型弯头3和第二E型弯头4为对称型，用于连接双脊过渡-分支接头1和Y型接头2。
[0032] 使用过程中，参见图1，垂直极化信号从双脊过渡-分支接头方口9进入，经直通道的双脊12、双脊过渡15，从直臂输出口10输出；水平极化信号从双脊过渡-分支接头方口9进入，经双脊过渡-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E型弯头3和第二E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、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。
[0033] 在HFSS电磁仿真
软件中将双脊过渡-分支接头、Y型接头和E型弯头组合成一个完整的OMT模型，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。微调Y型接头过渡段和E型弯头倒角等参数，最终仿真结果Y型接头输出口回波损耗S11≤-24.7dB，直臂输出口回波损耗S11≤-24.4dB，Y型接头输出口-直臂输出口隔离度S12≤-62dB。
[0034] OMT实际加工后，在实测中选用美国安利公司的
矢量网络分析仪MS4647B，使用5.4mm×5.4mm方波导到ф10圆波导的圆方过渡和ф10的圆负载。测试结果Y型接头输出口回波损耗S11≤-22.7dB，直臂输出口回波损耗S11≤-21.0dB，Y型接头输出口-直臂输出口隔离度S12≤-45.6dB。
[0035] 本发明所述的一种Q波段脊过渡正交模耦合器，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。
