毕业设计（论文）宽带正交模耦合器设计.doc

南京邮电大学 毕 业 设 计（论 文）题 目宽带正交模耦合器专 业电磁场与无线技术学生姓名班级学号指导教师指导单位电子科学与工程技术 日期： 2014 年 1 月 19 日 至 2015 年 6月 12 日毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文），是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。 论文作者签名： 日期： 2015 年 月 日摘 要现今，宽带天线技术的发展对天线馈源的宽带性能提出了更高的要求，作为实现双极化天线馈源的关键器件，正交模耦合器的宽带性能将直接影响宽带天线馈源的性能。正交模耦合器 OMT (Ortho-Mode Transducer)，正是波导馈电网络中实现双极化馈电的关键部件。其主要功能为鉴别公共端口上两个正交的主模，并将他们供给单一信号端口的基模，使所有电端口匹配并且在独立信号之间有较高的交叉极化鉴别力。本文根据相关文献资料提出的一种严谨的方法，设计了一个有隔板的正交模耦合器，它结构紧凑、易于对接、性能良好。在本文中，使用有限元法，对金属膜片正交模耦合器进行了软件仿真测试。比较了不同金属膜片结构，对正交模耦合器性能的影响，并利用HFSS软件进行仿真优化，以达到相应的设计目的指标。 本文设计的正交模耦合器工作在12GHZ频段内。在该频段内有比较良好的回波损耗特性。并且有良好的差分相移特性，保持在±90°。关键词：金属膜片 介质插片 正交模耦合器 隔板 ABSTRACTToday, the development of broadband antenna technology for antenna feed of broadband performance puts forward higher requirements.As key devices to achieve dual-polarized antenna feed, broadband performance Orthomodular coupler will directly affect the performance of the broadband antenna feed . Orthomodular coupler OMT (Ortho-Mode Transducer) is the waveguide feed network in the implementation of key components of dual polarization feed. Its main function is to identify the common port two orthogonal main mode, and it supplies a single fundamental mode signal port.All electrical ports match between individual signals have a high cross-polarization discrimination.Based on a rigorous method proposed by relevant literature, we designed a separator Orthomodular coupler which is compact, easy-to-butt, and of good performance. In this paper, using the finite element method,we test the metal diaphragm Orthomodular couplers through software simulation. By comparison of different metal membrane structure,we find the impact on the performance of the orthogonal mode coupler.HFSS is used to have a simulation and optimization.The OMT is designed to meet the appropriate specifications. This designed Orthomodular coupler is worked in 1-2GHZ band. A good return loss characteristic is in this band. And there is a good differential phase shift feature, maintaining at ± 90 °.Key words: Metal diaphragm Insert media OMT ( Orthomodular coupler) Clapboard目录第一章 绪论11.1 课题的研究背景及意义11.2 国内外研究现状11.3正交模耦合器的功能及结构实现21.4 论文的内容排版和概述4第二章 圆极化基本理论52.1 正交模耦合器理论基础52.1.1 方波导正交模耦合器理论基础52.1.2模式简介72.2 圆极化波82.2.1 圆极化波的产生82.2.2 圆极化波的特性82.2.3 圆极化波的参数9第三章 隔膜正模耦合器的设计理论与方法103.1 隔膜正交模耦合器的理论103.2隔膜正交模耦合器的原理分析113.3正交模耦合器的结构分析133.3.1隔膜正交模耦合器的结构分析143.3.2 Boifot正交模耦合器的结构分析15第四章 设计和仿真214.1模型的构建214.2 三角膜片仿真结果224.2.1 三角膜片仿真结果分析224.2.2 三角膜片仿真最优化结果244.3 阶梯膜片仿真结果254.3.1 阶梯膜片仿真分析254.3.1 阶梯膜片仿真最优化结果274.4 圆弧状膜片仿真结果294.4.1 圆弧状膜片仿真分析294.4.2 圆弧状膜片仿真最优化结果294.5 三种结构仿真结果对比31结束语33致 谢33参考文献34 第一章 绪论1.1 课题的研究背景及意义 双极化天线已被广泛的应用于卫星通信、射电天文、电子对抗等领域。双极化技术最开始只是用于频率复用通信系统，即利用相同频段内两个相互正交的极化波传输不同的信号，从而使通信容量增加一倍。然而，在现代通信系统中，其应用领域已经得到了很大的扩展。例如，利用正交模耦合器的基模端口分别作为信号的接收端和发射端，从而实现双工器的功能；运用极化分集技术，可以在复杂的电磁环境中提高通信系统的稳定性；利用多极化信息，提高雷达的探测性能等等。 天线的双极化形成于馈电阶段。在微波、毫米波段，双极化天线的馈电网络一般由波导传输线构成。正交模耦合器 OMT (Ortho-Mode Transducer)，正是波导馈电网络中实现双极化馈电的关键部件。其主要功能为鉴别公共端口上两个正交的主模，并将他们供给单一信号端口的基模，使所有电端口匹配并且在独立信号之间有较高的交叉极化鉴别力。因而，插入损耗、交叉极化水平、隔离度以及带宽成为 OMT 的主要性能指标，它们将直接影响整个系统的性能。由于系统的需求不同，使得 OMT 的结构也呈现多样化。台阶隔膜偏振片已经在卫星系统中的相控阵列技术中多有应用。这种偏振器电路的优点有：结构紧凑，较轻的重量，相对大的带宽，并且事实上它本身就具有正交模耦合器的特点。另一种隔膜偏振片的设计是槽口结构，它的带宽相对于其它阶更小。虽然在这些偏振片结构中，当输入是TE10模或者TE01模时，可以在一个较宽的频率范围内，使器件能够在一个期望的频带使用。但在一般结构中，通常都需要通过添加电介质基片或者降低侧壁尺寸的方法，进行相位调整，这样做也是为了在这一频带内实现相位正交。在本文中我们提出了一种替代设计，一种隔膜偏振器。1.2 国内外研究现状 国外对正交模耦合器的研究是比较早的。尽管OMT 在通信系统中已有数十年的应用，但人们对 OMT 的研究并不充分。就国内而言，人们对正交模耦合器的研究都较少，而且起步也比较晚。 1990年A.M.Boifot设计了一款基于Boifot结的宽带OMT，在10.0GHz -15.0GHz 频率范围内，端口回波损耗均大于20dB；端口间隔离度大于50dB。1991年，S. Skinner and G. James介绍了两种宽带OMT，第一种基于鳍线结构，在7.5GHz -18GHz 频率范围内端口回波损耗双工传输；在下行频段 10.70GHz -12.90GHz 和上行频段 13.10GHz -14.70GHz 范围内；该 OMT 接收端口与发射端口的回波损耗均大于25dB，端口间隔离度大于50dB。1999年，Michele Ludovico等探讨了非对称型 OMT 的计算机辅助设计方法，并利用提出的设计方法分别设计了L、S、Ku 波段的非对称型OMT，并通过实验验证了他们所提出方法的有效性和准确性。 近些年来，研究人员所设计的OMT的结构变得相对复杂。2005年，G. Engargiola等设计了一种利用对称同轴探头馈电的OMT，在18GHz -26GHz 频率范围内，端口回波损耗大于15dB；交叉极化水平在-20dB到-40dB范围内；常温下的插入损耗在 0.4dB左右。2006年Oscar Antonio Peverini 等提出了一种包含单个反向耦合器结构的OMT，该 OMT在28.8GHz-35.2GHz 范围内，端口回波损耗大于30dB；端口间隔离度大于 70dB；交叉耦合水平低于-65dB；群时延在±5ps内。2007 年，Giampaolo Pisano等设计了一种基于Turnstile 结的宽带OMT。在75GHz -110GHz 范围内，端口回波损耗平均为 22dB，端口隔离度平均为 45dB。2009 年 Alessandro Navarrini和Renzo Nesti设计了一款基于对称反向耦合器结构的宽带OMT。在84GHz -116GHz频率范围内，端口回波损耗大于17dB；交叉耦合水平低于-30dB；端口间隔离度大于50dB，常温下两个极化通道的插入损耗低于0.35dB。在国内，1997年，谢瑞华利用电磁仿真软件设计了一款非对称型双频带 OMT，仿真结果显示，下行频带3.7GHz -4.2GHz，以及上行频带 5.925GHz -6.425GHz 范围内，驻波系数均小于1.2；端口间隔离度大于50dB。2003 年，魏士庚设计了一个非对称型高功率容量的OMT，在8.892GHz-9.828GHz 范围内，主臂的驻波在1.17-1.29之间，端口隔离度在41.7dB-45.7dB之间。侧壁驻波在1.05-1.34之间，端口隔离度在 30.02dB-34.73dB 之间。2004 年，林松在 3mm、5mm、8mm 波段上设计了同一结构的非对称型OMT，测试结果表明，所设计的OMT主要技术指标达到了工程应用水平。2009 年，王宏建设计了一款双膜片结构的非对称型OMT，仿真结果显示，在22GHz -25GHz 频率范围内，交叉极化电平低于-25dB，端口驻波系数低于 1.4，端口隔离度大于20dB。1.3正交模耦合器的功能及结构实现 耦合器是一种在微波电路中，按要求将微波功率按比例分成几路， 实现功率分配这一功能的元件，即功率分配元件。正交模耦合器是一种可以分离公共端口上两正交主模，使之分离，使其成为供给单一端口的基模器件。正交模分为水平，垂直两基模后，各自占总能量的一半。其主要功能是合成或分离两正交模式，被广泛使用在卫星通信、雷达系统和射电天文中。OMT是一种将同一频率上正交的极化波分开的器件。在馈源系统中，当需要使用频率复用的时候，它是一个十分重要的器件，比如卫星天线和地球基站，它有助于提升系统容量。A.M.Boifot在综合考虑了设计和构造后，将OMT分为三种类型。非对称OMT被归为第一类，对称OMT被归为第二类。在对称OMT中，如果高阶模可以被控制的话，就可以实现带宽40%的OMT。非对称OMT的工作带宽被限制在10%-20%中，因为更高阶模在共同臂中十分活跃。非对称OMT相对于对称OMT的优点在于，它的设计降低了体积、质量和插入损耗。对于三种类型的OMT的比较在下表1中给出。完整的OMT的物理模型有三个部分。双结的两个侧臂相结合，并转换成单个物理端口，其它的端口保持相同。表1 不同OMT的对比特征类型1类型2类型3设计简单复杂复杂制造复杂度简单复杂大多数很复杂且贵分数带宽（10%）10-204050隔离度355050调整功能需要有几个可调部件最多要有6个可调部件不需要可调部件宽带正交模耦合器结构众多，常见的如鳍线、四脊、十字转门、Boifot、双脊和对称负反馈，它们各具特点，如表2所示。表2 各结构宽带OMT比较OMT结构优点缺点鳍线频带较宽，可用于较高频率交叉极化性能较差四脊低于X波段时性能极为优越不适用于较高频段十字转门频带较宽，无探针和膜片损耗较大，加工复杂Boifot频带宽，结构星对紧凑结构、加工较复杂双脊频带宽，结构紧凑加工复杂对称负反馈频带较宽，结构紧凑加工复杂Boifot 型OMT 由A.M.Boifot等人在1990 年提出，结构紧凑，并且对于水平极化和垂直极化都是对称的，可以有效抑制高次模的产生，可以在较宽的频带内保证良好的驻波和隔离特性，工作频带可达40%以上(理论上可达76.4%) ，结构如图1.3.1所示。这种结构建模复杂，故在本设计中不予采用，而选择下面的另一种方案。图1.3.1 Boifot型正交模耦合器结构 本文采用及仿真的是由德国布莱梅大学的R. Ihmels教授, U. Papziner教授以及F. Arndt教授共同提出的隔膜正交模耦合器方案。该方案的设计结构紧凑，简单，易于装配及实现。美中不足的是，该设计频带略窄，在10%以下。其结构如图1.3.2所示。图1.3.2 隔膜正交模耦合器结构 本文采用的设计方案在此基础上又进行了进一步的简化，原设计包括方波导、两个标准矩形波导、金属阶梯隔膜以及方波导与矩形波导之间的波纹状波导。在本文的设计中，不再使用波纹状波导。简化后的结构如图1.3.3所示。图1.3.3 简化后的隔膜正交模耦合器结构1.4 论文的内容排版和概述本论文在第一章介绍了正交模耦合器的发展现状，研究意义，国内外研究近况，在第二章介绍了圆极化特性的理论基础，第三章给出了本文设计的隔膜正交模耦合器对的理论、设计方法。在了解这些基础的情况下，第四章在HFSS中进行仿真，并给出一些设计及仿真结果的对比。本论文着重介绍隔膜正交模耦合器的仿真及设计，对于Boifot正交模耦合器在第三章会用一个小节的篇幅，略微介绍其结构设计，仿真及装配过程中所需要注意的事项，但不做深入讨论。 在本论文中做的主要工作，就是在HFSS软件中，架构一宽带正交模耦合器。结构主要包括一方波导，以及方波导中的金属膜片。膜片有三种结构，分别是阶梯形、三角形以及圆弧形。对这三种结构相应的参数进行调整，以满足低回波损耗，使输入的两个模式的回波损耗皆低于-10dB。在设计中还应注意低插入损耗、低交叉极化水平，以及尽可能的使尺寸缩小。构建完成后，在仿真软件HFSS中进行仿真，得到仿真的数据。随后，对各仿真结果进行对比，比较哪种形状的膜片结构具有更好的回波损耗及相移特性。第二章 圆极化基本理论2.1 正交模耦合器理论基础本文所介绍的是由方波导、标准矩形波导组成的正交模耦合器，所以我们需要了解波导的基本概念。下面介绍方波导圆极化的理论基础。2.1.1 方波导正交模耦合器理论基础 在天馈系统中最常见的传播结构是方波导，它以低损耗和高功率传输能力为特点获得了广泛的应用。方波导是长、宽相等的矩形波导，方波导中存在 TE 和TM 两类波，我们采用笛卡尔坐标系对方波导进行分析。 方波导的波动方程为：（ 2 t+） Ez Hz=Ez Hz=0 （2-1）对于TEmn场，对方程采用纵向分离变量法，并且根据边界条件： =0 （0<y<b） =0 (0<x<a) =0 (0<y<b) =0 (0<x<a) (2-2)可以得到场分量表达式为： Hz=Hmn Ex=Hmn Ey=- HmnEz=0Hx=HmnHy=Hmn (2-3)同理，可以得到TMmn的场分量表达式为：Ex=-Emn Ey=-EmnEz= EmnHz= EmnHy=- Emn Hz=0 (2-4)式中 a、b 分别为矩形波导的边长；Emn和Hmn 分别表示该模的振幅；m 表示 x 方向变化的半周期数；n 表示 y 方向变化的半周期数，为波导中的传播常数；kc是截止波数。它们的波阻抗可表示为：=+ (2-5)ZTEmn=ZTMmn= (2-6)其中 = = (2-7) 于是，各模式的截止波长为：= (2-8)图2.1 矩形波导的截止与传输模式不同的导波模对应同一个截止波数kc 的现象叫做模简并，对于矩形波导来说，当不同的导波模的下脚标 m、n 分别相同时就成为简并模。 当b < a时，m=1，n=0 时c 最大，因此TE10 模也称为矩形波导的主模（优势模），在大多数的传输应用中我们只希望传输TE10模，其他模式都成为雕落模而不传输。图 2.1 给出了矩形波导的截止和传输模式图，从图中可以看出TE10 模单模传输的条件是：cmn<<c10其中c10=2a，次最大的cmn将与a /b 之比值有关。一旦波导中存在不均匀性，那么在不均匀性的周围就会存在高次模。TE10、TE01、TE11、T M11是矩形波导的四个基本模式，其余的矩形波导的高次模都是由这四个模式拼接而成的。高次模相当于流体中的涡旋，涡旋是不流的，但是它对流体的流动起到十分重要的作用，有些情况下是有利于流体流动，而有些情况下是阻碍流体流动的，旋经常出现在障碍物的周围。波导中的高次模相对于主模TE10 模的作用相当于一个电抗，它在有的场合是有利于传输的，而有的场合是不利于传输的。本文对波导正交模耦合器中高次模的能量传输就不再进行分析。2.1.2模式简介下面我们主要对TE11、TM01、TE01、TM11模的特点做简单的介绍。 TE11模是圆波导中的最低次模，TE11模的电场具有一定的极化方向，任意极化方向的电场，都能分解成为两个正交极化的电场。如果将这两个正交极化的TE11模看成是两个模，他们对应着同一个临界波数KcTE11 ，这种现象称作极化简并，这两种极化简并的模各自携带各自的功率和信息，形成两个信息通道，可作为频率复用的手段，如果设法使这两个极化简并的模的幅度相等、相位相差 / 2可用来形成圆极化场，这就是圆极化实现的理论，也是正交模耦合器的基础。 TM01 模的场沿 方向是无变化的，因为m=0，无极化简并现象。磁场只有分量而电流只有 z 分量。TM01 模具有较强的纵向电流分量，传导电流在圆波导的内壁，位移电流相对集中在圆波导的中心，也是沿 z 方向的。 TE01模是损耗最小的模式，场沿 方向是无变化的，因为m=0，无极化简并现象。曾经有人尝试用圆波导的TE01 模作为远距离通信传输，可是最后这种方法还是被淘汰了。 TM11 模不但有极化简并还有一半的模式简并，因为 m 0，因此像TE11那样具有极化简并现象。TE01 模的导行条件是J0=0 ,而TM11 模的导行条件是J1 = 0,因为J0= J1，以这两种模式的截止波数kc 相等，所以TM11 模和TE01 模是简并模。实际上，TM11 模和TE01模也是简并模。2.2 圆极化波随着现代卫星通信、遥控、遥测技术的发展，雷达应用范围的扩大以及对高速目标在各种极化方式和气候条件下跟踪测量的需要，单一的极化形式已经远远不能满足现代卫星通信的要求，圆极化天线的重要性也就显现出来了。在雷达通信中使用圆极化天线可以抗云、雨的干扰，在雨衰较明显的 Ka 甚至更高的频段，都能表现出很大的优势性。在电子对抗中，圆极化天线可以侦查和干扰敌方的各种线极化及椭圆极化的电波；在剧烈摆动或滚动的飞行器上装置圆极化天线，我们就可以在即使如此恶劣的环境下也能捕捉到信息；基于上述这些优点，圆极化天线在天文、航天通信及遥测、遥感设备中获得了广泛的应用。辐射或接收圆极化波的天线称为圆极化天线。本节主要讲述圆极化波的产生、特性和参数。2.2.1 圆极化波的产生使天线产生圆极化波的途径有很多种，常用的方案有： 1、直接产生法：靠天线本身的结构产生圆极化波，譬如说是螺旋天线。2、线-圆极化转换器法：靠微波元器件形成圆极化导波，然后馈入天线辐射出圆极化波，我们在反射面天线馈源系统中采用的就是就是后一种方法，通过正交模耦合器把馈入的线极化波转变为圆极化波，然后再馈入波纹喇叭辐射出去。 3、线-圆极化转换罩法：是在线极化天线的辐射部分，通过极化转换天线罩，将线极化的电磁波转换为圆极化的辐射波。 4、双线极化正交激励法：采用将一个线极化信号通过 90°电桥将其分配成幅度相等、相位相差90°的两路信号，激励一个双线极化天线的两个正交极化的输入端，从而形成圆极化的辐射。 2.2.2 圆极化波的特性圆极化波具有以下重要性质： 1.圆极化波是一个等幅的瞬时旋转场。即，沿其传播方向看去，波的瞬时电场矢量的端点轨迹是一个圆。若瞬时电场矢量沿传播方向按左手螺旋的方向旋转，称之为左旋圆极化波，记为 LHCP；反之，称为右旋圆极化波，记为 RHCP。 2.一个圆极化波可以分解为两个在空间上和时间上均正交的等幅线极化波。因此，实现圆极化天线的基本原理就是：产生两个空间上相互正交的线极化电场分量，并使二者振幅相等，相位相差 90°。 3.任意极化波可分解为两个旋向相反的圆极化波。作为特例，一个线极化波可分解为两个旋向相反、振幅相等的圆极化波。因此，任意极化的来波都可由圆极化天线收到；反之，圆极化天线辐射的圆极化波也可由任意极化的天线收到。这正是在电子侦察和干扰、卫星通信等应用中普遍采用圆极化波工作的原因。 4.天线若辐射左旋圆极化波，则只接收左旋圆极化波；反之，则只接收右旋圆极化波，这称为圆极化天线的旋向正交性。其实，这一性质就是发射和接收天线之间的互易定理。在通信和雷达的极化分集工作和电子对抗等应用中广泛利用这个性质。 5.圆极化波入射到对称目标（如平面、球面等）时，反射波变为反旋向的，即左旋波变右旋，右旋波变左旋。由这一性质可知，采用圆极化波工作的雷达具有抑制雨雾干扰的能力。因为，水点近似呈球形，对圆极化的反射是反旋的；而雷达一般是非简单对称体，它对于圆极化波的反射波是椭圆极化波，故具有同旋向的圆极化成分。 鉴于上列特性，圆极化天线现已在通信、雷达、电子对抗等方面获得了广泛的应用。圆极化波可表示为两个空间相互垂直，相位差 90°，且振幅相等的线极化波之和，本文中的正交模耦合器就是提供上述诸条件的一种微波元器件。2.2.3 圆极化波的参数 圆极化波有以下一些参数：旋向、倾角、轴比、极化损失系数等。旋向：圆极化波有左旋和右旋之分，由于旋转方向是相对的，我们把其中一个称为右旋，另一个称为左旋。通常有两种定义方式：一种是逆着电波传播方向看，如果是顺时针方向就称为左旋圆极化波，如果是逆时针方向就称为右旋圆极化波；另一种是顺着电波的传播方向看顺时针称为右旋，逆时针就称为左旋。这就表明：不同的观察方向会得到相反的结论。倾角：椭圆极化波的倾角定义为：极化椭圆的长轴与x 正方向之间的夹角，用表示。 极化损失系数：极化损失系数是指由于接收天线的极化与发射天线的极化不完全匹配而引起的接收功率损失的程度，用 K来表示。K定义为接收到的功率与入射功率之比。与入射波的极化状态、接收天线的极化状态有关。轴比：椭圆极化波的轴比定义为极化椭圆的长轴与短轴之比值 AR：AR=长轴/短轴= （2-9）从式（2-9）可以看出，当长轴和短轴相等即 AR = 1时,则为圆极化波，当AR 时，则为线极化，当1 < AR< 时，是椭圆极化波，这就再次说明了圆极化波、线极化波是椭圆极化波的特例。第三章 隔膜正模耦合器的设计理论与方法3.1 隔膜正交模耦合器的理论隔膜正交模耦合器是一种结构紧凑、易于加工、重量轻、体积小、性能良好的正交模耦合器。它的特点在于将正交模耦合器（OMT）和正交模耦合器的功能合二为一，既能实现极化转换又能实现分极化，可以简化馈源系统的结构。使用隔膜正交模耦合器可以使得波导结构简单紧凑、并且能够使正交模耦合器的插入相位一致性得到保障，在对相位平衡有要求的地方有较高的应用价值，因此获得了广泛的应用。 隔膜正交模耦合器提供了三个物理端口，如图 3.1 所示，一个是用于圆极化信号的（RHCP,LHCP）具有方形横截面的公共端口，另外两个是标准波导端口，馈给公共端口的圆极化信号在后面连接的标准波导接口上直接被转换和分离。虽然隔膜正交模耦合器只有三个物理接口端口，但是在电性能上它们是四端口器件，这是由于不同模和端口之间的传输所造成的。图3.1隔膜正交模耦合器的等效电路进入端口1和端口2的是公共天线端口上的正交线极化主模TEx 10模和TEx 01模，这些模分量在空间叠加会产生圆极化波，端口3和4是指标准波导端口。两个矩形端口正对用于圆极化信号的公共方形波导端口。分支区用不对称隔板连接，隔板的形状在其长度L范围内可以是连续形或阶梯形的，在本文中，我们所采用的正交模耦合器技术，研究的是阶梯形的隔板，该隔板放置于方波导的中间位置，从方波导的一个侧壁开始一直连接到矩形波导中间的平分壁。 隔膜正交模耦合器是由共用一个宽壁的矩形波导连接在一起而成的，它们共用的宽壁就是隔板，隔板的宽度是阶梯形递减的，从而在矩形波导的另一端形成一个共用的方波导口。隔膜正交模耦合器的功率分配和 ± /2差动相移都是在隔板区域实现的。对隔板的阶梯选择合适的尺寸，便可以得到具有等功率分配和线、圆极化转换功能的隔膜正交模耦合器。隔膜正交模耦合器的主要技术指标与和隔板平行的端口关系较大，尤其是驻波。只有通过改善驻波使驻波尽量减小才能进一步的提高隔膜正交模耦合器的性能指标，而改善驻波主要是依靠改变隔板的形状来实现。同时，为了保证相位差为90的要求，也要对隔板的结构进行调节，直到最后既能满足驻波要求又能满足相位差要求。3.2隔膜正交模耦合器的原理分析 由于插入方波导中的隔板结构的部分不对称性，方波导中的圆极化波将通过隔膜正交模耦合器后在波导的另一边转换为线极化波，我们知道：隔膜正交模耦合器中的圆极化TE10 模可以分解为两个幅度相等、相位相差90的正交模TE01模和TE10模。对于TE10模，从矩形波导到隔板区域其传播常数几乎不变；而对于TE01模，隔板区可以看成是鳍形或脊形波导，它的传播常数与隔板阶梯的高度和长度有关，通过调节隔板的长度和高度，使得入射信号在经过隔板之后，使这两个正交模式通过隔板区域后的移相差为±90°，产生所需要的圆极化电磁波。当圆极化波穿过隔膜正交模耦合器到达波导的另一边时，隔板需要完成将TE01 模的电场旋转±90°并且提供TE01 模90°的相位延迟的功能。这样，左旋圆极化模和右旋圆极化模将通过隔膜正交模耦合器后转换为线极化的形式，从而实现分极化过程。分极化的过程如图 3.2 所示:图3.2 分极化原理下面我们来分析正交模耦合器的 S 参数及其特点。正交模耦合器的内部结构和金属隔板的结构如图 3.3 所示：图3.3 隔膜正交模耦合器的端口定义根据正交模耦合器的S参数的对称性Sij= ji和场型结构基本特性S23=-S13和S24=S14，可以得到它的 S 参数如下：S= (3-1)由正交模耦合器的无耗特性，即 S 参数满足幺正性S= I可以得到： （3-2）显然由（3-2）可以得到，即： （3-3）由隔膜正交模耦合器的特点可知，由端口4入射的电场矢量与隔板相垂直，隔板对与其垂直的端口入射的电场矢量基本没影响，它的作用仅仅是将此信号等幅、同相地平分到端口1和端口2。因此可以近似地得到： （3-4）将式（3-4）带入式（3-2）化简得： （3-5）将式（3-4）、（3-5）代入式（3-2）中得到： （3-6）由式（3-6）得到正交模耦合器的端口隔离度 主要是由与隔板平行的入射信号（即端口 3）的驻波引起的，与和它垂直的入射信号关系不大。在仿真设计中，只有通过隔板形状的优化设计，尽可能的减低端口3的驻波，才能提高隔膜正交模耦合器的两个旋向之间的隔离度。 对于隔膜正交模耦合器来说，另外一个重要的参数就是轴比AR 。影响隔膜正交模耦合器的轴比的因素主要有两个：1）S13和S14的幅度不一致产生的；2）由S13和S14相位差偏离90°引起的。经过计算得，当S13和S14相差为90°时，由相位偏离引起的隔膜正交模耦合器的圆极化轴比为 0dB。从正交模耦合器的物理结构我们得出：在端口1 的分极化信号将抵消右旋圆极化波从而得到左旋圆极化模，同样，端口4的分极化信号将抵消左旋圆极化波从而得到右旋圆极化模。我们可以得出：在隔膜正交模耦合器的设计中，如果将隔板设计优良的话将对左旋圆极化信号/右旋圆极化信号产生一个非常小/非常大的比值，这个比值我们定义为分极化函数，它可以作为隔膜正交模耦合器设计中的估值函数： （3-7）如果得到最优化的分极化函数值，就实现了良好的分极化。下面是实现分极化的两个临界条件： ± 或± （3-8）事实上，Fdf 表明了正交模耦合器的轴比和分极化能力之间的关系。Fdf的取值范围是01，值为0时表示是理想正交模耦合器，值为1表示正交模耦合器完全不能实现分极化功能。除了分极化能力，端口隔离度S12也是工程应用中影响正交模耦合器的一个重要因素。因此在设计时，必须同时关注分极化能力和端口隔离度这两个参数上面分析了正交模耦合器的S参数和轴比。研究了正交模耦合器的分极化能力和端口隔离度这两个非常重要的参数。下面给出隔板正交模耦合器的结构分析3.3正交模耦合器的结构分析 在本节下，着重介绍隔膜正交模耦合器的结构及仿真模型，同时用一小节的篇幅介绍Boifot型正交模耦合器。3.3.1隔膜正交模耦合器的结构分析本文的仿真结构参考了西安电子科技大学刘蕊花的硕士学位论文正交模耦合器技术研究中的结构设计。该论文旨在设计一种正交模耦合器。这种正交模耦合器相比较于其他的正交模耦合器主要特点是：不需要外加正交器就能实现左、右旋双圆极化同时工作。阶梯型金属隔膜正交模耦合器将极化转换和分极化两种功能同时实现。可以大大的简化馈源系统的结构，而且减轻了整个馈源系统的重量。该正交模耦合器的结构设计与本文所设计的正交模耦合器在结构上有相同之处，只是输入、输出端口的区别，故可借鉴。在刘蕊花设计的正交模耦合器基础上进行了结构调整，以及尺寸修改，得出了一些仿真结果及设计。参考的结构和模型如图3.4，3.5所示。图3.4 隔膜正交模耦合器平面结构图图3.5 隔膜正交模耦合器仿真结构图同时也借鉴了德国布莱梅大学R. Ihmels, U. Papziner和 F. Arndt 教授所著的一论文波纹状隔板OMT的场论设计。在这篇论文中提出了一种严谨的方法，设计了一个具有波纹状隔板的正交模耦合器，它将阶梯状隔板结构的紧凑优点与波纹状波导偏振片的相位匹配潜力结合在了一起。基于所述模的散射矩阵，该设计考虑了下述两种影响，有限的隔膜厚度和在所有的不连续面上高阶模相互作用的影响。计算机优化设计数据表明，在一个Ku波段波导波纹状隔板偏振片中，回波损耗高于20dB，差分相移90°+0°/-3°，带宽10%。该理论是由论文作者自己以及其他作者共同测量得到的。构建模型如图3.6所示。图3.6 波纹状隔膜正交模耦合器结构它结合了结构紧凑、隔膜结构固有OMT特征，以及宽带相位转移了波纹状波导性能的特点。此外，作为一个有正交模差分相位曲面，相应频率隔膜以及波纹状的结构，如果经过充分的设计，可能会具有相反的特性，它们对于复合结构所有的补偿效果可以有利地用于一个几乎恒定的特定相位。3.3.2 Boifot正交模耦合器的结构分析A.Boifot结Boifot OMT可以被看做旋转栅门结的一种形式，这个结构里3，4两个端口被折叠平行于公共端口。一个薄膜分离了主臂的两个端口。这些端口相结合，并且通过切比雪夫或者巴特沃斯转换器转化为标准高度的波导。这个薄膜为其它极化形成了一个背对背的斜转接接口，并和对称的侧臂接口相连。引脚数量，位置以及直径是考虑由侧臂端口引起的薄膜电抗大小