本發(fā)明涉及一種Q波段隔板型正交模耦合器，專門用于射電天文領(lǐng)域?qū)拵⒉ń邮諜C(jī)。

背景技術(shù)：

近年來，隨著射電天文領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)系統(tǒng)的工作帶寬和工作頻率的需求不斷增加，為了滿足觀測(cè)設(shè)備的需求，需要對(duì)接收機(jī)系統(tǒng)正交模耦合器(OMT，Ortho-Mode Transducer)的工作帶寬進(jìn)行擴(kuò)展并優(yōu)化高頻段OMT的加工裝配程序。

射電天文中Q波段接收機(jī)可用于分子譜線巡天、高紅移CO譜線等觀測(cè)。中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)擬在南山25米射電望遠(yuǎn)鏡上開展Q波段觀測(cè)，觀測(cè)頻率30-50GHz，工作帶寬百分比50％，由于Q波段的觀測(cè)頻率高于原有南山25米射電望遠(yuǎn)鏡的L、S、C、X、K各波段，故加工裝配誤差對(duì)OMT的性能影響愈加明顯。

常規(guī)窄帶OMT結(jié)構(gòu)一般為非對(duì)稱的T型結(jié)構(gòu)，工作帶寬主要受限于器件公共端口的橫截面形狀及對(duì)應(yīng)的主模與第一高次模截止頻率的相對(duì)關(guān)系。圓波導(dǎo)的主模TE₁₁模的截止頻率為λc＝3.14R(R為圓波導(dǎo)半徑)，第一高次模TM₀₁模截止波長(zhǎng)為λc＝2.62R。為保證最低工作頻點(diǎn)f0能夠在圓波導(dǎo)中傳輸，要求f0≥1.05fc，圓波導(dǎo)半徑至少應(yīng)取R＝1.05*C/(3.142/f0)，OMT主模高低頻點(diǎn)之比為(3.142/1.05/2.62):1＝1.24:1，最大工作帶寬百分比為21.4％。方波導(dǎo)的主模TE₁₀模截止頻率為λc＝2a，(a為方波導(dǎo)邊長(zhǎng))，第一高次模TM₁₁/TE₁₁模截止波長(zhǎng)為λc＝1.414a。為保證最低工作頻點(diǎn)f₀能夠在方波導(dǎo)中傳輸，要求f₀≥1.05fc，因此方波導(dǎo)半徑至少應(yīng)該取a＝1.05*c/2/f₀(c為光傳播速度)，OMT主模高低頻點(diǎn)之比為(2/1.05/1.414):1＝1.34:1，最大工作帶寬百分比為29.5％。這無法滿足射電天文頻率為30-50GHz、工作帶寬百分比達(dá)到50％的觀測(cè)需求。

在正交模耦合器的諸多類型中，常規(guī)采用對(duì)稱耦合孔技術(shù)的OMT，但工作帶寬最寬僅能達(dá)到33％。要實(shí)現(xiàn)40％以上的工作帶寬，一般常見的結(jié)構(gòu)形式有鰭線型OMT、隔板-分支合成型(型)OMT、雙脊過渡-分支合成OMT、雙脊過渡-同軸輸出型OMT、四臂合成型OMT、四脊OMT等類型。其中鰭線型OMT、四脊OMT、雙脊過渡-同軸輸出型OMT均為同軸輸出端口，在Ka以上的波段制作加工、裝配調(diào)試的難度比較大，無法實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。四臂合成型OMT的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，插入損耗比較大，不利于降低天饋系統(tǒng)噪聲溫度。隔板-分支合成型(型)OMT結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)難度較低，更易于設(shè)計(jì)、加工和調(diào)配，是Q波段寬帶正交模耦合器的首選設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于，提供一種Q波段隔板型正交模耦合器，該正交模耦合器為寬帶隔板-分支合成型，中心頻率40GHz，相對(duì)帶寬50％，應(yīng)用于射電望遠(yuǎn)鏡Q波段接收機(jī)系統(tǒng)。該正交模耦合器是由隔板-分支接頭、Y型接頭、第一π型彎頭、第二π型彎頭、第一側(cè)壁分支口、第二側(cè)壁分支口、隔板、金屬銷釘、匹配釘、方矩過渡、第一90度彎頭、第二90度彎頭、阻抗變換段、H面彎頭組成，隔板-分支接頭主要用于分離兩個(gè)正交極化信號(hào)，Y型接頭用于將隔板-分支接頭輸出的兩路水平極化信號(hào)合成一路信號(hào)，π型彎頭用于連接隔板-分支接頭和Y型接頭，該正交模耦合器反射損耗和隔離度的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，可以滿足射電天文觀測(cè)需求。

本發(fā)明所述的一種Q波段隔板型正交模耦合器，該正交模耦合器為隔板-分支合成型正交模耦合器，工作頻段為30-50GHz，用于射電望遠(yuǎn)鏡Q波段接收機(jī)系統(tǒng)，該正交模耦合器由隔板-分支接頭、Y型接頭、第一π型彎頭、第二π型彎頭、第一側(cè)壁分支口、第二側(cè)壁分支口、隔板、金屬銷釘、匹配釘、方矩過渡、第一90度彎頭、第二90度彎頭、阻抗變換段、H面彎頭組成，隔板-分支接頭(1)中的第一側(cè)壁分支口(5)與第一π型彎頭(3)的一端連接，第一π型彎頭(3)的另一端與Y型接頭(2)中的第一90度彎頭(7)連接，隔板-分支接頭(1)中的第二側(cè)壁分支口(6)與第二π型彎頭(4)的一端連接，第二π型彎頭(4)的另一端與Y型接頭(2)中的第二90度彎頭(8)連接。

隔板-分支接頭(1)直臂中心位置的隔板(12)前段采用直線三角形，隔板(12)的厚度為0.4mm，在隔板-分支接頭(1)兩側(cè)的第一側(cè)壁分支口(5)和第二側(cè)壁分支口(6)的入口處設(shè)有短路銷釘(13)，在隔板-分支接頭(1)的直通道上設(shè)有匹配釘(14)，短路銷釘(13)和匹配釘(14)均采用SFT-50-2-1半剛性同軸電纜線的0.51mm內(nèi)芯制作，隔板-分支接頭(1)的下部為三級(jí)臺(tái)階的方矩過渡(15)。

阻抗變換段(16)倒角半徑為1mm，采用四節(jié)阻抗轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。

第一π型彎頭(3)和第二π型彎頭(4)為對(duì)稱型，在第一π型彎頭(3)和第二π型彎頭(4)中分別設(shè)有對(duì)稱的H面彎頭(17)。

本發(fā)明所述的一種Q波段隔板型正交模耦合器，用于射電望遠(yuǎn)鏡Q波段接收機(jī)系統(tǒng)，頻率為30-50GHz，工作帶寬百分比達(dá)到50％。為滿足設(shè)計(jì)要求，該正交模耦合器采用隔板-分支合成(型)結(jié)構(gòu)，公共端口為方形波導(dǎo)，輸出端口為BJ400標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)。隔板-分支合成型OMT結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)于水平極化和垂直極化均為對(duì)稱，可以抑制高次模的產(chǎn)生，在小于1.8:1倍頻程內(nèi)可以得到較好的駐波和隔離特性。為了抑制隔板-分支接頭方口的高次模TE₂₀模，同時(shí)保證主模傳輸，正交器隔板-分支接頭方口邊長(zhǎng)取5.4mm(TE₂₀模的截止頻率為55.55GHz，主模截止頻率為27.78GHz)。正交器直臂輸出口(10)為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ400(5.69mm×2.845mm)。考慮到結(jié)構(gòu)小型化的要求，正交器采用了分支縱向合成輸出的結(jié)構(gòu)形式。

所述隔板-分支接頭(1)是OMT分離兩個(gè)正交極化信號(hào)的關(guān)鍵部分，包括直臂中心位置的隔板(12)和隔板-分支接頭(1)兩側(cè)的第一側(cè)壁分支口(5)和第二側(cè)壁分支口(6)的入口處設(shè)有短路銷釘(13)，它們對(duì)兩個(gè)極化信號(hào)的作用各不相同：對(duì)于垂直極化信號(hào)而言，直通道中的隔板(12)幾乎沒有影響，而第一側(cè)壁分支口(5)和第二側(cè)壁分支口(6)的短路銷釘(13)相當(dāng)一個(gè)短路面，防止垂直極化信號(hào)進(jìn)入側(cè)臂，從而提高隔離度。對(duì)于水平極化信號(hào)而言，第一側(cè)壁分支口(5)和第二側(cè)壁分支口(6)的短路銷釘(13)相當(dāng)于容性的元件，尺寸比較小時(shí)對(duì)水平極化信號(hào)的影響不大，隔板(12)的形狀對(duì)水平極化信號(hào)的反射損耗有重大影響。隔板(12)對(duì)水平極化信號(hào)起短路作用，隔板(12)的長(zhǎng)度越長(zhǎng)隔離越大，但是這樣會(huì)導(dǎo)致垂直極化信號(hào)的反射損耗增加，因此隔板(12)的長(zhǎng)度要合理選擇，即要盡可能的抑制水平極化信號(hào)在直通臂的傳輸，又要減小垂直極化信號(hào)的反射損耗。兩個(gè)極化信號(hào)之間的隔離度與水平極化信號(hào)的反射損耗相關(guān)，水平極化信號(hào)的反射損耗越小隔離越好，因此結(jié)構(gòu)OMT的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是提高水平極化信號(hào)的駐波性能。其中，隔板-分支接頭(1)的方口(9)為5.4×5.4mm，第一側(cè)壁分支口(5)和第二側(cè)壁分支口(6)為BJ400波導(dǎo)口徑，便于后續(xù)的裝配和調(diào)試。在設(shè)計(jì)中為保證加工的可實(shí)現(xiàn)性，對(duì)接頭中關(guān)鍵部位進(jìn)行了特別的處理。隔板-分支接頭(1)中的隔板(12)盡可能采用更大的厚度，隔板(12)前段采用了最簡(jiǎn)單的直線三角形，這樣有利于建模、加工。第一側(cè)壁分支口(5)和第二側(cè)壁分支口(6)的短路銷釘(13)和直通道的匹配釘(14)直接采用了SFT-50-2-1半剛性同軸電纜線的0.51毫米內(nèi)芯制作。經(jīng)過優(yōu)化，最終隔板(12)的厚度為0.4毫米，方矩過渡(15)采用了三級(jí)臺(tái)階，兩個(gè)極化的反射損耗均小于-25.5dB。

所述Y型接頭(2)是將隔板-分支接頭(1)輸出的兩路水平極化信號(hào)合成一路信號(hào)的部件，由第一90度彎頭(7)、第二90度彎頭(8)和阻抗變換段(16)組成。彎頭的尺寸與接頭分支口的尺寸一致，均為BJ400標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的口徑。根據(jù)切比雪夫阻抗轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)原理，Y型接頭(2)采用了四節(jié)阻抗轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)實(shí)際的加工工藝條件合理的選擇倒角半徑為1毫米，經(jīng)過優(yōu)化，Y型接頭反射損耗均小于-25dB。

所述第一π型彎頭(3)和第二π型彎頭(4)為對(duì)稱型，是連接隔板-分支接頭(1)和Y型接頭(2)的部件，由于OMT分支合成采用橫向輸出的結(jié)構(gòu)形式，在第一π型彎頭(3)和第二π型彎頭(4)中分別設(shè)有對(duì)稱的H面彎頭(17)，波導(dǎo)口徑為BJ400標(biāo)準(zhǔn)，仿真的反射損耗小于-37dB。

附圖說明

圖1為本發(fā)明Q波段隔板型正交模耦合器整體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明隔板-分支接頭結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明Y型接頭結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明π型彎頭結(jié)構(gòu)圖；

圖5為本發(fā)明隔板-分支接頭反射損耗仿真結(jié)果圖；

圖6為本發(fā)明Y型接頭反射損耗仿真結(jié)果圖；

圖7為本發(fā)明π型彎頭反射損耗仿真結(jié)果圖；

圖8為本發(fā)明隔板型正交模耦合器反射損耗仿真結(jié)果圖；

圖9為本發(fā)明隔板型正交模耦合器隔離度仿真結(jié)果圖；

圖10為本發(fā)明隔板型正交模耦合器直臂輸出口反射損耗實(shí)測(cè)圖；

圖11為本發(fā)明隔板型正交模耦合器Y型接頭輸出口反射損耗實(shí)測(cè)圖；

圖12為本發(fā)明隔板型正交模耦合器直臂輸出口-Y型接頭輸出口反射損耗實(shí)測(cè)圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例

本發(fā)明所述的一種Q波段隔板型正交模耦合器，該正交模耦合器為隔板-分支合成型正交模耦合器，工作頻段為30-50GHz，用于射電望遠(yuǎn)鏡Q波段接收機(jī)系統(tǒng)，該正交模耦合器由隔板-分支接頭、Y型接頭、第一π型彎頭、第二π型彎頭、第一側(cè)壁分支口、第二側(cè)壁分支口、隔板、金屬銷釘、匹配釘、方矩過渡、第一90度彎頭、第二90度彎頭、阻抗變換段、H面彎頭組成，隔板-分支接頭1中的第一側(cè)壁分支口5與第一π型彎頭3的一端連接，第一π型彎頭3的另一端與Y型接頭2中的第一90度彎頭7連接，隔板-分支接頭1中的第二側(cè)壁分支口6與第二π型彎頭4的一端連接，第二π型彎頭4的另一端與Y型接頭2中的第二90度彎頭8連接；

隔板-分支接頭1直臂中心位置的隔板12前段采用直線三角形，隔板12的厚度為0.4mm，在隔板-分支接頭1兩側(cè)的第一側(cè)壁分支口5和第二側(cè)壁分支口6的入口處設(shè)有短路銷釘13，在隔板-分支接頭1的直通道上設(shè)有匹配釘14，短路銷釘13和直通道的匹配釘14采用SFT-50-2-1半剛性同軸電纜線的0.51mm內(nèi)芯制作，隔板-分支接頭1的下部為三級(jí)臺(tái)階的方矩過渡15；

Y型接頭2由第一90度彎頭7、第二90度彎頭8和阻抗變換段16組成，阻抗變換段16倒角半徑為1mm，采用四節(jié)阻抗轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)；

第一π型彎頭3和第二π型彎頭4為對(duì)稱型，在第一π型彎頭3和第二π型彎頭4中分別設(shè)有對(duì)稱的H面彎頭17；

使用過程中，參照?qǐng)D1，垂直極化信號(hào)從隔板-分支接頭方口9進(jìn)入，經(jīng)隔板12、方矩過渡15，從直臂輸出口10輸出；水平極化信號(hào)從隔板-分支接頭方口9進(jìn)入，經(jīng)隔板-分支接頭1兩側(cè)的第一側(cè)壁分支口5和第二側(cè)壁分支口6，分別進(jìn)入第一π型彎頭3和第二π型彎頭4的一端，經(jīng)另一端輸出后，兩路信號(hào)分別進(jìn)入Y型接頭2兩側(cè)的第一90度彎頭7和第二90度彎頭8，經(jīng)阻抗變換段16合成為一路水平極化信號(hào)，最終從Y型接頭輸出口11輸出。

在HFSS電磁仿真軟件中將隔板-分支接頭、Y型接頭和π型彎頭組合成一個(gè)完整的正交模耦合器(OMT)，在頻率為30-50GHz的頻帶內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真要求反射損耗小于-20dB，極化隔離度大于50dB。OMT的側(cè)臂采用2個(gè)H面π型彎頭與Y型接頭橫向連接，這樣可以將OMT的整體結(jié)構(gòu)尺寸盡可能的控制在比較小的范圍內(nèi)，減小器件的插入損耗。微調(diào)Y型接頭過渡段和π型彎頭倒角的參數(shù)，最終仿真結(jié)果直臂輸出口反射損耗≤-27.7dB，Y型接頭輸出口反射損耗≤-22.4dB，直臂輸出口-Y型接頭輸出口隔離度≤-62dB。

正交模耦合器(OMT)實(shí)際加工后，測(cè)試使用5.4mm×5.4mm方波導(dǎo)到ф10毫米圓波導(dǎo)的過渡和ф10毫米的圓負(fù)載。測(cè)試儀器選用Agilent矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5225A。測(cè)試結(jié)果直臂輸出口反射損耗≤-17.5dB，Y型接頭輸出口反射損耗≤-16.8dB，直臂輸出口-Y型接頭輸出口隔離度≤-43.4dB。

本發(fā)明所述的一種Q波段隔板型正交模耦合器，其實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果的反射損耗曲線變化趨勢(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30-50GHz范圍內(nèi)可以滿足工程需要。