畢設(shè)論文OMT沈文武

1、南京郵電大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）題 目寬帶正交模耦合器專 業(yè)電磁場(chǎng)與無線技術(shù)學(xué)生姓名沈文武班級(jí)學(xué)號(hào)B11020420指導(dǎo)教師黃曉東指導(dǎo)單位電子科學(xué)與工程技術(shù) 日期： 2014 年 1 月 19 日 至 2015 年 6月 12 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本研究做出過重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明并表示了謝意。 論文作者簽名： 日期： 2015 年 月 日摘 要現(xiàn)今，寬帶天線技術(shù)的發(fā)展對(duì)

2、天線饋源的寬帶性能提出了更高的要求，作為實(shí)現(xiàn)雙極化天線饋源的關(guān)鍵器件，正交模耦合器的寬帶性能將直接影響寬帶天線饋源的性能。正交模耦合器 OMT (Ortho-Mode Transducer)，正是波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)雙極化饋電的關(guān)鍵部件。其主要功能為鑒別公共端口上兩個(gè)正交的主模，并將他們供給單一信號(hào)端口的基模，使所有電端口匹配并且在獨(dú)立信號(hào)之間有較高的交叉極化鑒別力。本文根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料提出的一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒?，設(shè)計(jì)了一個(gè)有隔板的正交模耦合器，它結(jié)構(gòu)緊湊、易于對(duì)接、性能良好。在本文中，使用有限元法，對(duì)金屬膜片正交模耦合器進(jìn)行了軟件仿真測(cè)試。比較了不同金屬膜片結(jié)構(gòu)，對(duì)正交模耦合器性能的影響，并利用HF

3、SS軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化，以達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計(jì)目的指標(biāo)。 本文設(shè)計(jì)的正交模耦合器工作在12GHZ頻段內(nèi)。在該頻段內(nèi)有比較良好的回波損耗特性。并且有良好的差分相移特性，保持在±90°。關(guān)鍵詞：金屬膜片 介質(zhì)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

4、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 iden

5、tify 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 co

6、upler 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 mod

7、e 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 a

8、t ± 90 °.Key words: Metal diaphragm Insert media OMT ( Orthomodular coupler) Clapboard目錄第一章 緒論11.1 課題的研究背景及意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3正交模耦合器的功能及結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)21.4 論文的內(nèi)容排版和概述4第二章 圓極化基本理論52.1 正交模耦合器理論基礎(chǔ)52.1.1 方波導(dǎo)正交模耦合器理論基礎(chǔ)5模式簡(jiǎn)介72.2 圓極化波82.2.1 圓極化波的產(chǎn)生82.2.2 圓極化波的特性82.2.3 圓極化波的參數(shù)9第三章 隔膜正模耦合器的設(shè)計(jì)理論與方法103.1 隔膜正交模耦合

9、器的理論103.2隔膜正交模耦合器的原理分析113.3正交模耦合器的結(jié)構(gòu)分析13隔膜正交模耦合器的結(jié)構(gòu)分析143.3.2 Boifot正交模耦合器的結(jié)構(gòu)分析15第四章 設(shè)計(jì)和仿真214.1模型的構(gòu)建214.2 三角膜片仿真結(jié)果224.2.1 三角膜片仿真結(jié)果分析224.2.2 三角膜片仿真最優(yōu)化結(jié)果244.3 階梯膜片仿真結(jié)果254.3.1 階梯膜片仿真分析254.3.1 階梯膜片仿真最優(yōu)化結(jié)果274.4 圓弧狀膜片仿真結(jié)果294.4.1 圓弧狀膜片仿真分析294.4.2 圓弧狀膜片仿真最優(yōu)化結(jié)果294.5 三種結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果對(duì)比31結(jié)束語33致 謝33參考文獻(xiàn)34 第一章 緒論1.1 課題的研

10、究背景及意義 雙極化天線已被廣泛的應(yīng)用于衛(wèi)星通信、射電天文、電子對(duì)抗等領(lǐng)域。雙極化技術(shù)最開始只是用于頻率復(fù)用通信系統(tǒng)，即利用相同頻段內(nèi)兩個(gè)相互正交的極化波傳輸不同的信號(hào)，從而使通信容量增加一倍。然而，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)得到了很大的擴(kuò)展。例如，利用正交模耦合器的基模端口分別作為信號(hào)的接收端和發(fā)射端，從而實(shí)現(xiàn)雙工器的功能；運(yùn)用極化分集技術(shù)，可以在復(fù)雜的電磁環(huán)境中提高通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性；利用多極化信息，提高雷達(dá)的探測(cè)性能等等。 天線的雙極化形成于饋電階段。在微波、毫米波段，雙極化天線的饋電網(wǎng)絡(luò)一般由波導(dǎo)傳輸線構(gòu)成。正交模耦合器 OMT (Ortho-Mode Transducer)，正是

11、波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)雙極化饋電的關(guān)鍵部件。其主要功能為鑒別公共端口上兩個(gè)正交的主模，并將他們供給單一信號(hào)端口的基模，使所有電端口匹配并且在獨(dú)立信號(hào)之間有較高的交叉極化鑒別力。因而，插入損耗、交叉極化水平、隔離度以及帶寬成為 OMT 的主要性能指標(biāo)，它們將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。由于系統(tǒng)的需求不同，使得 OMT 的結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)多樣化。臺(tái)階隔膜偏振片已經(jīng)在衛(wèi)星系統(tǒng)中的相控陣列技術(shù)中多有應(yīng)用。這種偏振器電路的優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)緊湊，較輕的重量，相對(duì)大的帶寬，并且事實(shí)上它本身就具有正交模耦合器的特點(diǎn)。另一種隔膜偏振片的設(shè)計(jì)是槽口結(jié)構(gòu)，它的帶寬相對(duì)于其它階更小。雖然在這些偏振片結(jié)構(gòu)中，當(dāng)輸入是TE10模或者TE0

12、1模時(shí)，可以在一個(gè)較寬的頻率范圍內(nèi)，使器件能夠在一個(gè)期望的頻帶使用。但在一般結(jié)構(gòu)中，通常都需要通過添加電介質(zhì)基片或者降低側(cè)壁尺寸的方法，進(jìn)行相位調(diào)整，這樣做也是為了在這一頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)相位正交。在本文中我們提出了一種替代設(shè)計(jì)，一種隔膜偏振器。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外對(duì)正交模耦合器的研究是比較早的。盡管OMT 在通信系統(tǒng)中已有數(shù)十年的應(yīng)用，但人們對(duì) OMT 的研究并不充分。就國內(nèi)而言，人們對(duì)正交模耦合器的研究都較少，而且起步也比較晚。 1990年A.M.Boifot設(shè)計(jì)了一款基于Boifot結(jié)的寬帶OMT，在10.0GHz -15.0GHz 頻率范圍內(nèi)，端口回波損耗均大于20dB；端口間隔離度大

13、于50dB。1991年，S. Skinner and G. James介紹了兩種寬帶OMT，第一種基于鰭線結(jié)構(gòu)，在7.5GHz -18GHz 頻率范圍內(nèi)端口回波損耗雙工傳輸；在下行頻段 10.70GHz -12.90GHz 和上行頻段 13.10GHz -14.70GHz 范圍內(nèi)；該 OMT 接收端口與發(fā)射端口的回波損耗均大于25dB，端口間隔離度大于50dB。1999年，Michele Ludovico等探討了非對(duì)稱型 OMT 的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，并利用提出的設(shè)計(jì)方法分別設(shè)計(jì)了L、S、Ku 波段的非對(duì)稱型OMT，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了他們所提出方法的有效性和準(zhǔn)確性。 近些年來，研究人員所設(shè)計(jì)的O

14、MT的結(jié)構(gòu)變得相對(duì)復(fù)雜。2005年，G. Engargiola等設(shè)計(jì)了一種利用對(duì)稱同軸探頭饋電的OMT，在18GHz -26GHz 頻率范圍內(nèi)，端口回波損耗大于15dB；交叉極化水平在-20dB到-40dB范圍內(nèi)；常溫下的插入損耗在 0.4dB左右。2006年Oscar Antonio Peverini 等提出了一種包含單個(gè)反向耦合器結(jié)構(gòu)的OMT，該 OMT在28.8GHz-35.2GHz 范圍內(nèi)，端口回波損耗大于30dB；端口間隔離度大于 70dB；交叉耦合水平低于-65dB；群時(shí)延在±5ps內(nèi)。2007 年，Giampaolo Pisano等設(shè)計(jì)了一種基于Turnstile 結(jié)的

15、寬帶OMT。在75GHz -110GHz 范圍內(nèi)，端口回波損耗平均為 22dB，端口隔離度平均為 45dB。2009 年 Alessandro Navarrini和Renzo Nesti設(shè)計(jì)了一款基于對(duì)稱反向耦合器結(jié)構(gòu)的寬帶OMT。在84GHz -116GHz頻率范圍內(nèi)，端口回波損耗大于17dB；交叉耦合水平低于-30dB；端口間隔離度大于50dB，常溫下兩個(gè)極化通道的插入損耗低于0.35dB。在國內(nèi)，1997年，謝瑞華利用電磁仿真軟件設(shè)計(jì)了一款非對(duì)稱型雙頻帶 OMT，仿真結(jié)果顯示，下行頻帶3.7GHz -4.2GHz，以及上行頻帶 5.925GHz -6.425GHz 范圍內(nèi)，駐波系數(shù)均小于

16、1.2；端口間隔離度大于50dB。2003 年，魏士庚設(shè)計(jì)了一個(gè)非對(duì)稱型高功率容量的OMT，在8.892GHz-9.828GHz 范圍內(nèi)，主臂的駐波在之間，端口隔離度在之間。側(cè)壁駐波在之間，端口隔離度在 30.02dB-34.73dB 之間。2004 年，林松在 3mm、5mm、8mm 波段上設(shè)計(jì)了同一結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱型OMT，測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的OMT主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了工程應(yīng)用水平。2009 年，王宏建設(shè)計(jì)了一款雙膜片結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱型OMT，仿真結(jié)果顯示，在22GHz -25GHz 頻率范圍內(nèi)，交叉極化電平低于-25dB，端口駐波系數(shù)低于 1.4，端口隔離度大于20dB。1.3正交模耦合器的功能

17、及結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 耦合器是一種在微波電路中，按要求將微波功率按比例分成幾路， 實(shí)現(xiàn)功率分配這一功能的元件，即功率分配元件。正交模耦合器是一種可以分離公共端口上兩正交主模，使之分離，使其成為供給單一端口的基模器件。正交模分為水平，垂直兩基模后，各自占總能量的一半。其主要功能是合成或分離兩正交模式，被廣泛使用在衛(wèi)星通信、雷達(dá)系統(tǒng)和射電天文中。OMT是一種將同一頻率上正交的極化波分開的器件。在饋源系統(tǒng)中，當(dāng)需要使用頻率復(fù)用的時(shí)候，它是一個(gè)十分重要的器件，比如衛(wèi)星天線和地球基站，它有助于提升系統(tǒng)容量。oifot在綜合考慮了設(shè)計(jì)和構(gòu)造后，將OMT分為三種類型。非對(duì)稱OMT被歸為第一類，對(duì)稱OMT被歸為第二類。

18、在對(duì)稱OMT中，如果高階?？梢员豢刂频脑?，就可以實(shí)現(xiàn)帶寬40%的OMT。非對(duì)稱OMT的工作帶寬被限制在10%-20%中，因?yàn)楦唠A模在共同臂中十分活躍。非對(duì)稱OMT相對(duì)于對(duì)稱OMT的優(yōu)點(diǎn)在于，它的設(shè)計(jì)降低了體積、質(zhì)量和插入損耗。對(duì)于三種類型的OMT的比較在下表1中給出。完整的OMT的物理模型有三個(gè)部分。雙結(jié)的兩個(gè)側(cè)臂相結(jié)合，并轉(zhuǎn)換成單個(gè)物理端口，其它的端口保持相同。表1 不同OMT的對(duì)比特征類型1類型2類型3設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單復(fù)雜復(fù)雜制造復(fù)雜度簡(jiǎn)單復(fù)雜大多數(shù)很復(fù)雜且貴分?jǐn)?shù)帶寬（10%）10-204050隔離度355050調(diào)整功能需要有幾個(gè)可調(diào)部件最多要有6個(gè)可調(diào)部件不需要可調(diào)部件寬帶正交模耦合器結(jié)構(gòu)眾多

19、，常見的如鰭線、四脊、十字轉(zhuǎn)門、Boifot、雙脊和對(duì)稱負(fù)反饋，它們各具特點(diǎn)，如表2所示。表2 各結(jié)構(gòu)寬帶OMT比較OMT結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)鰭線頻帶較寬，可用于較高頻率交叉極化性能較差四脊低于X波段時(shí)性能極為優(yōu)越不適用于較高頻段十字轉(zhuǎn)門頻帶較寬，無探針和膜片損耗較大，加工復(fù)雜Boifot頻帶寬，結(jié)構(gòu)星對(duì)緊湊結(jié)構(gòu)、加工較復(fù)雜雙脊頻帶寬，結(jié)構(gòu)緊湊加工復(fù)雜對(duì)稱負(fù)反饋頻帶較寬，結(jié)構(gòu)緊湊加工復(fù)雜Boifot 型OMT 由等人在1990 年提出，結(jié)構(gòu)緊湊，并且對(duì)于水平極化和垂直極化都是對(duì)稱的，可以有效抑制高次模的產(chǎn)生，可以在較寬的頻帶內(nèi)保證良好的駐波和隔離特性，工作頻帶可達(dá)40%以上(理論上可達(dá)76.4%) ，

20、結(jié)構(gòu)如圖所示。這種結(jié)構(gòu)建模復(fù)雜，故在本設(shè)計(jì)中不予采用，而選擇下面的另一種方案。 Boifot型正交模耦合器結(jié)構(gòu) 本文采用及仿真的是由德國布萊梅大學(xué)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。該方案的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，簡(jiǎn)單，易于裝配及實(shí)現(xiàn)。美中不足的是，該設(shè)計(jì)頻帶略窄，在10%以下。其結(jié)構(gòu)如圖所示。圖1.3.2 隔膜正交模耦合器結(jié)構(gòu) 本文采用的設(shè)計(jì)方案在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行了進(jìn)一步的簡(jiǎn)化，原設(shè)計(jì)包括方波導(dǎo)、兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)、金屬階梯隔膜以及方波導(dǎo)與矩形波導(dǎo)之間的波紋狀波導(dǎo)。在本文的設(shè)計(jì)中，不再使用波紋狀波導(dǎo)。簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)如圖所示。圖1.3.

21、3 簡(jiǎn)化后的隔膜正交模耦合器結(jié)構(gòu)1.4 論文的內(nèi)容排版和概述本論文在第一章介紹了正交模耦合器的發(fā)展現(xiàn)狀，研究意義，國內(nèi)外研究近況，在第二章介紹了圓極化特性的理論基礎(chǔ)，第三章給出了本文設(shè)計(jì)的隔膜正交模耦合器對(duì)的理論、設(shè)計(jì)方法。在了解這些基礎(chǔ)的情況下，第四章在HFSS中進(jìn)行仿真，并給出一些設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果的對(duì)比。本論文著重介紹隔膜正交模耦合器的仿真及設(shè)計(jì)，對(duì)于Boifot正交模耦合器在第三章會(huì)用一個(gè)小節(jié)的篇幅，略微介紹其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，仿真及裝配過程中所需要注意的事項(xiàng)，但不做深入討論。 在本論文中做的主要工作，就是在HFSS軟件中，架構(gòu)一寬帶正交模耦合器。結(jié)構(gòu)主要包括一方波導(dǎo)，以及方波導(dǎo)中的金屬膜片。膜片

22、有三種結(jié)構(gòu)，分別是階梯形、三角形以及圓弧形。對(duì)這三種結(jié)構(gòu)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以滿足低回波損耗，使輸入的兩個(gè)模式的回波損耗皆低于-10dB。在設(shè)計(jì)中還應(yīng)注意低插入損耗、低交叉極化水平，以及盡可能的使尺寸縮小。構(gòu)建完成后，在仿真軟件HFSS中進(jìn)行仿真，得到仿真的數(shù)據(jù)。隨后，對(duì)各仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，比較哪種形狀的膜片結(jié)構(gòu)具有更好的回波損耗及相移特性。第二章 圓極化基本理論2.1 正交模耦合器理論基礎(chǔ)本文所介紹的是由方波導(dǎo)、標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)組成的正交模耦合器，所以我們需要了解波導(dǎo)的基本概念。下面介紹方波導(dǎo)圓極化的理論基礎(chǔ)。 方波導(dǎo)正交模耦合器理論基礎(chǔ) 在天饋系統(tǒng)中最常見的傳播結(jié)構(gòu)是方波導(dǎo)，它以低損耗和高功率

23、傳輸能力為特點(diǎn)獲得了廣泛的應(yīng)用。方波導(dǎo)是長(zhǎng)、寬相等的矩形波導(dǎo)，方波導(dǎo)中存在 TE 和TM 兩類波，我們采用笛卡爾坐標(biāo)系對(duì)方波導(dǎo)進(jìn)行分析。 方波導(dǎo)的波動(dòng)方程為：（ 2 t+） Ez Hz=Ez Hz=0 （2-1）對(duì)于TEmn場(chǎng)，對(duì)方程采用縱向分離變量法，并且根據(jù)邊界條件： =0 （0<y<b） =0 (0<x<a) =0 (0<y<b) =0 (0<x<a) (2-2)可以得到場(chǎng)分量表達(dá)式為： Hz=Hmn Ex=Hmn Ey=- HmnEz=0Hx=HmnHy=Hmn (2-3)同理，可以得到TMmn的場(chǎng)分量表達(dá)式為：Ex=-Emn Ey=-E

24、mnEz= EmnHz= EmnHy=- Emn Hz=0 (2-4)式中 a、b 分別為矩形波導(dǎo)的邊長(zhǎng)；Emn和Hmn 分別表示該模的振幅；m 表示 x 方向變化的半周期數(shù)；n 表示 y 方向變化的半周期數(shù)，為波導(dǎo)中的傳播常數(shù)；kc是截止波數(shù)。它們的波阻抗可表示為：=+ (2-5)ZTEmn=ZTMmn= (2-6)其中 = = (2-7) 于是，各模式的截止波長(zhǎng)為：= (2-8)圖2.1 矩形波導(dǎo)的截止與傳輸模式不同的導(dǎo)波模對(duì)應(yīng)同一個(gè)截止波數(shù)kc 的現(xiàn)象叫做模簡(jiǎn)并，對(duì)于矩形波導(dǎo)來說，當(dāng)不同的導(dǎo)波模的下腳標(biāo) m、n 分別相同時(shí)就成為簡(jiǎn)并模。 當(dāng)b < a時(shí)，m=1，n=0 時(shí)c 最大，

25、因此TE10 模也稱為矩形波導(dǎo)的主模（優(yōu)勢(shì)模），在大多數(shù)的傳輸應(yīng)用中我們只希望傳輸TE10模，其他模式都成為雕落模而不傳輸。圖 2.1 給出了矩形波導(dǎo)的截止和傳輸模式圖，從圖中可以看出TE10 模單模傳輸?shù)臈l件是：cmn<<c10其中c10=2a，次最大的cmn將與a /b 之比值有關(guān)。一旦波導(dǎo)中存在不均勻性，那么在不均勻性的周圍就會(huì)存在高次模。TE10、TE01、TE11、T M11是矩形波導(dǎo)的四個(gè)基本模式，其余的矩形波導(dǎo)的高次模都是由這四個(gè)模式拼接而成的。高次模相當(dāng)于流體中的渦旋，渦旋是不流的，但是它對(duì)流體的流動(dòng)起到十分重要的作用，有些情況下是有利于流體流動(dòng)，而有些情況下是阻礙

26、流體流動(dòng)的，旋經(jīng)常出現(xiàn)在障礙物的周圍。波導(dǎo)中的高次模相對(duì)于主模TE10 模的作用相當(dāng)于一個(gè)電抗，它在有的場(chǎng)合是有利于傳輸?shù)?，而有的?chǎng)合是不利于傳輸?shù)?。本文?duì)波導(dǎo)正交模耦合器中高次模的能量傳輸就不再進(jìn)行分析。2.1.2模式簡(jiǎn)介下面我們主要對(duì)TE11、TM01、TE01、TM11模的特點(diǎn)做簡(jiǎn)單的介紹。 TE11模是圓波導(dǎo)中的最低次模，TE11模的電場(chǎng)具有一定的極化方向，任意極化方向的電場(chǎng)，都能分解成為兩個(gè)正交極化的電場(chǎng)。如果將這兩個(gè)正交極化的TE11?？闯墒莾蓚€(gè)模，他們對(duì)應(yīng)著同一個(gè)臨界波數(shù)KcTE11 ，這種現(xiàn)象稱作極化簡(jiǎn)并，這兩種極化簡(jiǎn)并的模各自攜帶各自的功率和信息，形成兩個(gè)信息通道，可作為頻率

27、復(fù)用的手段，如果設(shè)法使這兩個(gè)極化簡(jiǎn)并的模的幅度相等、相位相差 / 2可用來形成圓極化場(chǎng)，這就是圓極化實(shí)現(xiàn)的理論，也是正交模耦合器的基礎(chǔ)。 TM01 模的場(chǎng)沿 方向是無變化的，因?yàn)閙=0，無極化簡(jiǎn)并現(xiàn)象。磁場(chǎng)只有分量而電流只有 z 分量。TM01 模具有較強(qiáng)的縱向電流分量，傳導(dǎo)電流在圓波導(dǎo)的內(nèi)壁，位移電流相對(duì)集中在圓波導(dǎo)的中心，也是沿 z 方向的。 TE01模是損耗最小的模式，場(chǎng)沿 方向是無變化的，因?yàn)閙=0，無極化簡(jiǎn)并現(xiàn)象。曾經(jīng)有人嘗試用圓波導(dǎo)的TE01 模作為遠(yuǎn)距離通信傳輸，可是最后這種方法還是被淘汰了。 TM11 模不但有極化簡(jiǎn)并還有一半的模式簡(jiǎn)并，因?yàn)?m 0，因此像TE11那樣具有極化

28、簡(jiǎn)并現(xiàn)象。TE01 模的導(dǎo)行條件是J0=0 ,而TM11 模的導(dǎo)行條件是J1 = 0,因?yàn)镴0= J1，以這兩種模式的截止波數(shù)kc 相等，所以TM11 模和TE01 模是簡(jiǎn)并模。實(shí)際上，TM11 模和TE01模也是簡(jiǎn)并模。2.2 圓極化波隨著現(xiàn)代衛(wèi)星通信、遙控、遙測(cè)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大以及對(duì)高速目標(biāo)在各種極化方式和氣候條件下跟蹤測(cè)量的需要，單一的極化形式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代衛(wèi)星通信的要求，圓極化天線的重要性也就顯現(xiàn)出來了。在雷達(dá)通信中使用圓極化天線可以抗云、雨的干擾，在雨衰較明顯的 Ka 甚至更高的頻段，都能表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢(shì)性。在電子對(duì)抗中，圓極化天線可以偵查和干擾敵方的各種線極化及

29、橢圓極化的電波；在劇烈擺動(dòng)或滾動(dòng)的飛行器上裝置圓極化天線，我們就可以在即使如此惡劣的環(huán)境下也能捕捉到信息；基于上述這些優(yōu)點(diǎn)，圓極化天線在天文、航天通信及遙測(cè)、遙感設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用。輻射或接收?qǐng)A極化波的天線稱為圓極化天線。本節(jié)主要講述圓極化波的產(chǎn)生、特性和參數(shù)。2.2.1 圓極化波的產(chǎn)生使天線產(chǎn)生圓極化波的途徑有很多種，常用的方案有： 1、直接產(chǎn)生法：靠天線本身的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生圓極化波，譬如說是螺旋天線。2、線-圓極化轉(zhuǎn)換器法：靠微波元器件形成圓極化導(dǎo)波，然后饋入天線輻射出圓極化波，我們?cè)诜瓷涿嫣炀€饋源系統(tǒng)中采用的就是就是后一種方法，通過正交模耦合器把饋入的線極化波轉(zhuǎn)變?yōu)閳A極化波，然后再饋入波紋

30、喇叭輻射出去。 3、線-圓極化轉(zhuǎn)換罩法：是在線極化天線的輻射部分，通過極化轉(zhuǎn)換天線罩，將線極化的電磁波轉(zhuǎn)換為圓極化的輻射波。 4、雙線極化正交激勵(lì)法：采用將一個(gè)線極化信號(hào)通過 90°電橋?qū)⑵浞峙涑煞认嗟?、相位相?0°的兩路信號(hào)，激勵(lì)一個(gè)雙線極化天線的兩個(gè)正交極化的輸入端，從而形成圓極化的輻射。 2.2.2 圓極化波的特性圓極化波具有以下重要性質(zhì)： 1.圓極化波是一個(gè)等幅的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)。即，沿其傳播方向看去，波的瞬時(shí)電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)軌跡是一個(gè)圓。若瞬時(shí)電場(chǎng)矢量沿傳播方向按左手螺旋的方向旋轉(zhuǎn)，稱之為左旋圓極化波，記為 LHCP；反之，稱為右旋圓極化波，記為 RHCP。 2.一個(gè)

31、圓極化波可以分解為兩個(gè)在空間上和時(shí)間上均正交的等幅線極化波。因此，實(shí)現(xiàn)圓極化天線的基本原理就是：產(chǎn)生兩個(gè)空間上相互正交的線極化電場(chǎng)分量，并使二者振幅相等，相位相差 90°。 3.任意極化波可分解為兩個(gè)旋向相反的圓極化波。作為特例，一個(gè)線極化波可分解為兩個(gè)旋向相反、振幅相等的圓極化波。因此，任意極化的來波都可由圓極化天線收到；反之，圓極化天線輻射的圓極化波也可由任意極化的天線收到。這正是在電子偵察和干擾、衛(wèi)星通信等應(yīng)用中普遍采用圓極化波工作的原因。 4.天線若輻射左旋圓極化波，則只接收左旋圓極化波；反之，則只接收右旋圓極化波，這稱為圓極化天線的旋向正交性。其實(shí)，這一性質(zhì)就是發(fā)射和接收天

32、線之間的互易定理。在通信和雷達(dá)的極化分集工作和電子對(duì)抗等應(yīng)用中廣泛利用這個(gè)性質(zhì)。 5.圓極化波入射到對(duì)稱目標(biāo)（如平面、球面等）時(shí)，反射波變?yōu)榉葱虻?，即左旋波變右旋，右旋波變左旋。由這一性質(zhì)可知，采用圓極化波工作的雷達(dá)具有抑制雨霧干擾的能力。因?yàn)?，水點(diǎn)近似呈球形，對(duì)圓極化的反射是反旋的；而雷達(dá)一般是非簡(jiǎn)單對(duì)稱體，它對(duì)于圓極化波的反射波是橢圓極化波，故具有同旋向的圓極化成分。 鑒于上列特性，圓極化天線現(xiàn)已在通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。圓極化波可表示為兩個(gè)空間相互垂直，相位差 90°，且振幅相等的線極化波之和，本文中的正交模耦合器就是提供上述諸條件的一種微波元器件。 圓極

33、化波的參數(shù) 圓極化波有以下一些參數(shù)：旋向、傾角、軸比、極化損失系數(shù)等。旋向：圓極化波有左旋和右旋之分，由于旋轉(zhuǎn)方向是相對(duì)的，我們把其中一個(gè)稱為右旋，另一個(gè)稱為左旋。通常有兩種定義方式：一種是逆著電波傳播方向看，如果是順時(shí)針方向就稱為左旋圓極化波，如果是逆時(shí)針方向就稱為右旋圓極化波；另一種是順著電波的傳播方向看順時(shí)針稱為右旋，逆時(shí)針就稱為左旋。這就表明：不同的觀察方向會(huì)得到相反的結(jié)論。傾角：橢圓極化波的傾角定義為：極化橢圓的長(zhǎng)軸與x 正方向之間的夾角，用表示。 極化損失系數(shù)：極化損失系數(shù)是指由于接收天線的極化與發(fā)射天線的極化不完全匹配而引起的接收功率損失的程度，用 K來表示。K定義為接收到的功率

34、與入射功率之比。與入射波的極化狀態(tài)、接收天線的極化狀態(tài)有關(guān)。軸比：橢圓極化波的軸比定義為極化橢圓的長(zhǎng)軸與短軸之比值 AR：AR=長(zhǎng)軸/短軸= （2-9）從式（2-9）可以看出，當(dāng)長(zhǎng)軸和短軸相等即 AR = 1時(shí),則為圓極化波，當(dāng)AR 時(shí)，則為線極化，當(dāng)1 < AR< 時(shí)，是橢圓極化波，這就再次說明了圓極化波、線極化波是橢圓極化波的特例。第三章 隔膜正模耦合器的設(shè)計(jì)理論與方法3.1 隔膜正交模耦合器的理論隔膜正交模耦合器是一種結(jié)構(gòu)緊湊、易于加工、重量輕、體積小、性能良好的正交模耦合器。它的特點(diǎn)在于將正交模耦合器（OMT）和正交模耦合器的功能合二為一，既能實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換又能實(shí)現(xiàn)分極化，可

35、以簡(jiǎn)化饋源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。使用隔膜正交模耦合器可以使得波導(dǎo)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、并且能夠使正交模耦合器的插入相位一致性得到保障，在對(duì)相位平衡有要求的地方有較高的應(yīng)用價(jià)值，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。 隔膜正交模耦合器提供了三個(gè)物理端口，如圖 3.1 所示，一個(gè)是用于圓極化信號(hào)的（RHCP,LHCP）具有方形橫截面的公共端口，另外兩個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)端口，饋給公共端口的圓極化信號(hào)在后面連接的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)接口上直接被轉(zhuǎn)換和分離。雖然隔膜正交模耦合器只有三個(gè)物理接口端口，但是在電性能上它們是四端口器件，這是由于不同模和端口之間的傳輸所造成的。圖3.1隔膜正交模耦合器的等效電路進(jìn)入端口1和端口2的是公共天線端口上的正交線極化主模

36、TEx 10模和TEx 01模，這些模分量在空間疊加會(huì)產(chǎn)生圓極化波，端口3和4是指標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)端口。兩個(gè)矩形端口正對(duì)用于圓極化信號(hào)的公共方形波導(dǎo)端口。分支區(qū)用不對(duì)稱隔板連接，隔板的形狀在其長(zhǎng)度L范圍內(nèi)可以是連續(xù)形或階梯形的，在本文中，我們所采用的正交模耦合器技術(shù)，研究的是階梯形的隔板，該隔板放置于方波導(dǎo)的中間位置，從方波導(dǎo)的一個(gè)側(cè)壁開始一直連接到矩形波導(dǎo)中間的平分壁。 隔膜正交模耦合器是由共用一個(gè)寬壁的矩形波導(dǎo)連接在一起而成的，它們共用的寬壁就是隔板，隔板的寬度是階梯形遞減的，從而在矩形波導(dǎo)的另一端形成一個(gè)共用的方波導(dǎo)口。隔膜正交模耦合器的功率分配和 ± /2差動(dòng)相移都是在隔板區(qū)域?qū)崿F(xiàn)的

37、。對(duì)隔板的階梯選擇合適的尺寸，便可以得到具有等功率分配和線、圓極化轉(zhuǎn)換功能的隔膜正交模耦合器。隔膜正交模耦合器的主要技術(shù)指標(biāo)與和隔板平行的端口關(guān)系較大，尤其是駐波。只有通過改善駐波使駐波盡量減小才能進(jìn)一步的提高隔膜正交模耦合器的性能指標(biāo)，而改善駐波主要是依靠改變隔板的形狀來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，為了保證相位差為90的要求，也要對(duì)隔板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到最后既能滿足駐波要求又能滿足相位差要求。3.2隔膜正交模耦合器的原理分析 由于插入方波導(dǎo)中的隔板結(jié)構(gòu)的部分不對(duì)稱性，方波導(dǎo)中的圓極化波將通過隔膜正交模耦合器后在波導(dǎo)的另一邊轉(zhuǎn)換為線極化波，我們知道：隔膜正交模耦合器中的圓極化TE10 ?？梢苑纸鉃閮蓚€(gè)幅度相

38、等、相位相差90的正交模TE01模和TE10模。對(duì)于TE10模，從矩形波導(dǎo)到隔板區(qū)域其傳播常數(shù)幾乎不變；而對(duì)于TE01模，隔板區(qū)可以看成是鰭形或脊形波導(dǎo)，它的傳播常數(shù)與隔板階梯的高度和長(zhǎng)度有關(guān)，通過調(diào)節(jié)隔板的長(zhǎng)度和高度，使得入射信號(hào)在經(jīng)過隔板之后，使這兩個(gè)正交模式通過隔板區(qū)域后的移相差為±90°，產(chǎn)生所需要的圓極化電磁波。當(dāng)圓極化波穿過隔膜正交模耦合器到達(dá)波導(dǎo)的另一邊時(shí)，隔板需要完成將TE01 模的電場(chǎng)旋轉(zhuǎn)±90°并且提供TE01 模90°的相位延遲的功能。這樣，左旋圓極化模和右旋圓極化模將通過隔膜正交模耦合器后轉(zhuǎn)換為線極化的形式，從而實(shí)現(xiàn)分極

39、化過程。分極化的過程如圖 3.2 所示:圖3.2 分極化原理下面我們來分析正交模耦合器的 S 參數(shù)及其特點(diǎn)。正交模耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和金屬隔板的結(jié)構(gòu)如圖 3.3 所示：圖3.3 隔膜正交模耦合器的端口定義根據(jù)正交模耦合器的S參數(shù)的對(duì)稱性Sij= ji和場(chǎng)型結(jié)構(gòu)基本特性S23=-S13和S24=S14，可以得到它的 S 參數(shù)如下：S= (3-1)由正交模耦合器的無耗特性，即 S 參數(shù)滿足幺正性S= I可以得到： （3-2）顯然由（3-2）可以得到，即： （3-3）由隔膜正交模耦合器的特點(diǎn)可知，由端口4入射的電場(chǎng)矢量與隔板相垂直，隔板對(duì)與其垂直的端口入射的電場(chǎng)矢量基本沒影響，它的作用僅僅是將此信號(hào)等

40、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）將式（3-4）帶入式（3-2）化簡(jiǎn)得： （3-5）將式（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離度 主要是由與隔板平行的入射信號(hào)（即端口 3）的駐波引起的，與和它垂直的入射信號(hào)關(guān)系不大。在仿真設(shè)計(jì)中，只有通過隔板形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能的減低端口3的駐波，才能提高隔膜正交模耦合器的兩個(gè)旋向之間的隔離度。 對(duì)于隔膜正交模耦合器來說，另外一個(gè)重要的參數(shù)就是軸比AR 。影響隔膜正交模耦合器的軸比的因素主要有兩個(gè)：1）S13和S14的幅度不一致產(chǎn)生的；2）由S13和S14相位差偏離90

41、°引起的。經(jīng)過計(jì)算得，當(dāng)S13和S14相差為90°時(shí)，由相位偏離引起的隔膜正交模耦合器的圓極化軸比為 0dB。從正交模耦合器的物理結(jié)構(gòu)我們得出：在端口1 的分極化信號(hào)將抵消右旋圓極化波從而得到左旋圓極化模，同樣，端口4的分極化信號(hào)將抵消左旋圓極化波從而得到右旋圓極化模。我們可以得出：在隔膜正交模耦合器的設(shè)計(jì)中，如果將隔板設(shè)計(jì)優(yōu)良的話將對(duì)左旋圓極化信號(hào)/右旋圓極化信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)非常小/非常大的比值，這個(gè)比值我們定義為分極化函數(shù)，它可以作為隔膜正交模耦合器設(shè)計(jì)中的估值函數(shù)： （3-7）如果得到最優(yōu)化的分極化函數(shù)值，就實(shí)現(xiàn)了良好的分極化。下面是實(shí)現(xiàn)分極化的兩個(gè)臨界條件： ±

42、; 或± （3-8）事實(shí)上，F(xiàn)df 表明了正交模耦合器的軸比和分極化能力之間的關(guān)系。Fdf的取值范圍是01，值為0時(shí)表示是理想正交模耦合器，值為1表示正交模耦合器完全不能實(shí)現(xiàn)分極化功能。除了分極化能力，端口隔離度S12也是工程應(yīng)用中影響正交模耦合器的一個(gè)重要因素。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，必須同時(shí)關(guān)注分極化能力和端口隔離度這兩個(gè)參數(shù)上面分析了正交模耦合器的S參數(shù)和軸比。研究了正交模耦合器的分極化能力和端口隔離度這兩個(gè)非常重要的參數(shù)。下面給出隔板正交模耦合器的結(jié)構(gòu)分析3.3正交模耦合器的結(jié)構(gòu)分析 在本節(jié)下，著重介紹隔膜正交模耦合器的結(jié)構(gòu)及仿真模型，同時(shí)用一小節(jié)的篇幅介紹Boifot型正交模耦合器。

43、3.3.1隔膜正交模耦合器的結(jié)構(gòu)分析本文的仿真結(jié)構(gòu)參考了西安電子科技大學(xué)劉蕊花的碩士學(xué)位論文正交模耦合器技術(shù)研究中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該論文旨在設(shè)計(jì)一種正交模耦合器。這種正交模耦合器相比較于其他的正交模耦合器主要特點(diǎn)是：不需要外加正交器就能實(shí)現(xiàn)左、右旋雙圓極化同時(shí)工作。階梯型金屬隔膜正交模耦合器將極化轉(zhuǎn)換和分極化兩種功能同時(shí)實(shí)現(xiàn)?？梢源蟠蟮暮?jiǎn)化饋源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，而且減輕了整個(gè)饋源系統(tǒng)的重量。該正交模耦合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與本文所設(shè)計(jì)的正交模耦合器在結(jié)構(gòu)上有相同之處，只是輸入、輸出端口的區(qū)別，故可借鑒。在劉蕊花設(shè)計(jì)的正交模耦合器基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)調(diào)整，以及尺寸修改，得出了一些仿真結(jié)果及設(shè)計(jì)。參考的結(jié)構(gòu)和模型如圖3

44、.4，3.5所示。圖3.4 隔膜正交模耦合器平面結(jié)構(gòu)圖圖3.5 隔膜正交模耦合器仿真結(jié)構(gòu)圖同時(shí)也借鑒了德國布萊梅大學(xué)R. Ihmels, U. Papziner和 F. Arndt 教授所著的一論文波紋狀隔板OMT的場(chǎng)論設(shè)計(jì)。在這篇論文中提出了一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒?，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有波紋狀隔板的正交模耦合器，它將階梯狀隔板結(jié)構(gòu)的緊湊優(yōu)點(diǎn)與波紋狀波導(dǎo)偏振片的相位匹配潛力結(jié)合在了一起?；谒瞿５纳⑸渚仃嚕撛O(shè)計(jì)考慮了下述兩種影響，有限的隔膜厚度和在所有的不連續(xù)面上高階模相互作用的影響。計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在一個(gè)Ku波段波導(dǎo)波紋狀隔板偏振片中，回波損耗高于20dB，差分相移90°+0°

45、;/-3°，帶寬10%。該理論是由論文作者自己以及其他作者共同測(cè)量得到的。構(gòu)建模型如圖3.6所示。圖3.6 波紋狀隔膜正交模耦合器結(jié)構(gòu)它結(jié)合了結(jié)構(gòu)緊湊、隔膜結(jié)構(gòu)固有OMT特征，以及寬帶相位轉(zhuǎn)移了波紋狀波導(dǎo)性能的特點(diǎn)。此外，作為一個(gè)有正交模差分相位曲面，相應(yīng)頻率隔膜以及波紋狀的結(jié)構(gòu)，如果經(jīng)過充分的設(shè)計(jì)，可能會(huì)具有相反的特性，它們對(duì)于復(fù)合結(jié)構(gòu)所有的補(bǔ)償效果可以有利地用于一個(gè)幾乎恒定的特定相位。3.3.2 Boifot正交模耦合器的結(jié)構(gòu)分析A.Boifot結(jié)Boifot OMT可以被看做旋轉(zhuǎn)柵門結(jié)的一種形式，這個(gè)結(jié)構(gòu)里3，4兩個(gè)端口被折疊平行于公共端口。一個(gè)薄膜分離了主臂的兩個(gè)端口。這些端

46、口相結(jié)合，并且通過切比雪夫或者巴特沃斯轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)高度的波導(dǎo)。這個(gè)薄膜為其它極化形成了一個(gè)背對(duì)背的斜轉(zhuǎn)接接口，并和對(duì)稱的側(cè)臂接口相連。引腳數(shù)量，位置以及直徑是考慮由側(cè)臂端口引起的薄膜電抗大小后選定的，這個(gè)側(cè)臂端口為了保證主臂的電流只允許低電阻回路。在每個(gè)節(jié)上，這個(gè)阻抗值是個(gè)常數(shù)。盡管公共臂可以支持六種模式即TE10，TE11，TE01，TM11，TM20和TE20?？梢酝ㄟ^標(biāo)準(zhǔn)的2:1矩形波導(dǎo)傳播，但是只有TE10和TE01模是所期望用于傳播的模式。 高階模的激勵(lì)決定了分離和匹配的帶寬。正在消失的大部分模在這個(gè)結(jié)構(gòu)中都不能傳播。盡管如此，如果激發(fā)，由此產(chǎn)生的電抗必須調(diào)整。模式的轉(zhuǎn)換，針數(shù)和

47、位置，薄膜的長(zhǎng)度，參數(shù)補(bǔ)償和主/側(cè)臂的頻率響應(yīng)，確定了OMT結(jié)的隔離程度。公共臂波導(dǎo)凸出的邊緣部分要對(duì)齊以在邊緣處表面支持TE11和TM11模的激勵(lì)。本例修改的優(yōu)點(diǎn)在表3中給出。它有四個(gè)物理端口和5個(gè)電氣端口。常見的物理端口有兩個(gè)電氣端口；每一個(gè)極化（垂直和水平）都有一個(gè)電氣端口。薄膜為水平信號(hào)充當(dāng)斜轉(zhuǎn)接頭。改進(jìn)后的OMT結(jié)在圖3.7中展示。該OMT結(jié)的3D電磁仿真結(jié)構(gòu)在圖3.8中展示。表3 Boifot 結(jié)和修改過的Boifot結(jié)的對(duì)比Boifot 結(jié)修改過的Boifot結(jié)最多有三個(gè)薄調(diào)整腳不需要可調(diào)腳，用兩個(gè)電容階梯代替腳的位置很難定位電容階梯的位置容易定義薄膜要非常薄薄膜的厚度通過因素4

48、可以增加非常輕的機(jī)械機(jī)構(gòu)可以有更多的尺寸選擇薄膜的校準(zhǔn)以及螺絲的位置要求十分嚴(yán)格薄膜的位置可以有所偏差。薄膜的位置偏差達(dá)到薄膜厚度的一半時(shí)，會(huì)降低2dB的匹配性能。不適合在150GHZ下工作可以被擴(kuò)展到1THZ圖3.7 修改過的Boifot結(jié)圖3.8 所設(shè)計(jì)的omt的結(jié)構(gòu)及其表現(xiàn) （a）結(jié)構(gòu) （b）隔離度 （c）回波損耗B波導(dǎo)功率合成器由克爾中提出的功率分配/合成器，有一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的物理結(jié)構(gòu)。為這個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的功率合成器很簡(jiǎn)單，有在全頻段的優(yōu)秀表現(xiàn)。該組合結(jié)合了兩個(gè)側(cè)臂波導(dǎo)構(gòu)成一個(gè)全高波導(dǎo)。這個(gè)合成器有長(zhǎng)度相當(dāng)小這個(gè)優(yōu)點(diǎn)。圖3.9展示出了設(shè)計(jì)好的合成器。在組合結(jié)的中間有一個(gè)寬基座。令人驚奇的是，這

49、個(gè)降低長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)方案，使得這樣一個(gè)簡(jiǎn)化過的幾何作品，能和克爾設(shè)計(jì)的復(fù)雜E面Y結(jié)結(jié)構(gòu)相媲美。這個(gè)組合結(jié)，可以被視為一個(gè)E面T形功分器，也可以用作功分器或者合成器。在圖3.9中給出了功分器的仿真S參數(shù)。圖3.9 功率合成器 (a)結(jié)構(gòu) （b）s參數(shù)C方形波導(dǎo)到矩形波導(dǎo)的過渡 為了將方波導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)高度波導(dǎo)，選用一個(gè)四分之一波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。四分之一波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器很簡(jiǎn)單并且很有用，它用于匹配真實(shí)負(fù)載到傳輸線路上。該轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)特點(diǎn)是它可以通過數(shù)學(xué)的推導(dǎo)，擴(kuò)展為多段式，以用于更寬的帶寬。這是基于小反射理論得出的結(jié)論。這個(gè)OMT選用四個(gè)切比雪夫結(jié)。所有的部分都是以四分之一波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的頻率作為頻帶中心頻率。設(shè)計(jì)

50、的方形波導(dǎo)到標(biāo)準(zhǔn)高度波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換器，以及它的仿真響應(yīng)結(jié)果都在圖3.10中給出。圖3.10（a）方波導(dǎo)過渡到標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu) （b）結(jié)果D波導(dǎo)彎曲部分 在主臂部分，垂直極化信號(hào)在1:1方形波導(dǎo)中傳輸，然后傳輸進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)高度矩形波導(dǎo)。為了使端口傳輸出正交信號(hào)到側(cè)臂端口，這個(gè)轉(zhuǎn)換器被放置在整個(gè)分塊中的E面彎曲面后。作者在這個(gè)OMT中選擇了斜角彎曲的方式。彎曲曲面的結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果在圖3.11中展示出。圖3.11（a）E面彎曲面 （b）結(jié)果 上述是Boifot正交模耦合器的結(jié)構(gòu)及仿真特性，與下文的隔膜正交模耦合器仿真結(jié)果對(duì)比后可知，該Boifot結(jié)構(gòu)帶寬確實(shí)要比隔膜型正交模耦合器帶寬寬許多。下面介紹其裝配注意事

51、項(xiàng)。實(shí)物裝配注意事項(xiàng)：為了便于裝配，在功率合成器部分，側(cè)臂和公共臂結(jié)合部分的角度重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)2。為了使制造更加簡(jiǎn)單，出于接口要求和匹配由于側(cè)臂和主臂端口之間的信號(hào)引起的歐姆損耗，選擇90°/45°角的組合方式。除了減小質(zhì)量和尺寸外，加工公差和低損耗是最需要考慮的因素。整個(gè)裝置的體積通過精確地輪緣匹配確定。在結(jié)上產(chǎn)生的高階模，被困于不良匹配或者在OMT的公共臂上十分弱。以這種方式，在公共臂的輸入端形成一個(gè)諧振腔。共振的信號(hào)的一部分被轉(zhuǎn)換為基波模，傳輸損耗由于寄生波的幅度而有所增加。對(duì)共振源的觀察顯示：除去隔膜和針腳會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)不到共振，彎曲隔膜（或者容性部件之間的顯著不對(duì)稱）

52、會(huì)促成隔離共振的幅度增加，以及一個(gè)良好匹配的公共臂終止工作，使得頻率高于1.4倍中心頻率的頻率響應(yīng)很平滑。隔膜尖端的彎曲對(duì)OMT響應(yīng)的影響不大。但是，對(duì)主臂傳輸諧振幅度的影響很大。對(duì)于主/側(cè)臂的隔離度有相同的結(jié)論。例如，當(dāng)隔膜尖端的偏差等于隔膜厚度的時(shí)候，回波損耗會(huì)上升5dB，從而降低10-20dB的隔離度。諧振傳輸幅度會(huì)上升1dB。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隔膜平面尖端偏差應(yīng)該小于隔膜厚度以減少這類影響。我們認(rèn)為，在較高頻率，限制能否按比例縮放該結(jié)構(gòu)的因素是能否很好控制使隔膜邊緣與分塊以及整個(gè)腔室保持充分的接合。因?yàn)樵撜荒ｑ詈掀鹘Y(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，在仿真設(shè)計(jì)時(shí)，為求方便，各組件都是分開設(shè)計(jì)，分開仿真，因此下面將

53、各組件組裝集成，以整體進(jìn)行仿真。 在設(shè)計(jì)完整個(gè)OMT各主要結(jié)構(gòu)之后，需要將它們組合成一個(gè)完整的OMT結(jié)構(gòu)。集成之后，我們可以觀察到一個(gè)部件上的其它負(fù)載效應(yīng)。作為完整的結(jié)構(gòu)，它非常復(fù)雜也比單個(gè)OMT部分龐大，所以最好是能夠分開優(yōu)化各部件并且用有最好結(jié)果的部件構(gòu)成OMT。只有OMT結(jié)是雙重模式部件，高階模在這個(gè)部件中出現(xiàn)，這限制了OMT的寬帶表現(xiàn)。盡管采用了不同的補(bǔ)償技術(shù)，但仍有不足。優(yōu)化后的各部件被組裝成OMT，隨后觀察它的整體效果。通過施加邊界條件減少仿真時(shí)間。圖3.12展示了完整的OMT結(jié)構(gòu)。該OMT的各種仿真結(jié)果在圖3.13中展示圖3.12 設(shè)計(jì)的OMT的3D模型圖3.13 完整的omt結(jié)

54、構(gòu)的全波仿真結(jié)果 （a）方形輸入端口的極化隔離度 （b）垂直極化方向的輸入損耗及回波損耗 （c）水平極化方向的輸入損耗及回波損耗 在比較Boifot結(jié)構(gòu)與隔膜正交模耦合器結(jié)構(gòu)之后發(fā)現(xiàn)，Boifot結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，而隔膜正交模耦合器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于構(gòu)建及仿真。因此下面就隔膜正交模耦合器的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了仿真和分析。第四章 設(shè)計(jì)和仿真本論文使用HFSS 軟件進(jìn)行仿真和分析，在確認(rèn)好結(jié)構(gòu)與具體設(shè)計(jì)后，就在HFSS中進(jìn)行建模，并設(shè)置相應(yīng)材質(zhì)，激勵(lì)，邊界，隨后進(jìn)行分析仿真。并將結(jié)果記錄如下。4.1模型的構(gòu)建 本文一共試驗(yàn)了三種膜片結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)分別如圖4.1階梯型隔膜、圖4.2三角形隔膜、圖4.3圓弧形隔膜所示。端口定義都在圖中標(biāo)出圖4.1 階梯型隔膜圖4.2 三角形隔膜圖4.3 圓弧形隔膜 在接下來的小節(jié)中，對(duì)這三種模型分別進(jìn)行仿真，分析其結(jié)構(gòu)規(guī)律，并找出某個(gè)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸。最后一節(jié)對(duì)三種模型進(jìn)行比較。4.2 三角膜片仿真結(jié)果 這三種結(jié)構(gòu)中，屬三角結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單。這種結(jié)構(gòu)與其它兩種有不同之處：它的膜片與另兩種膜片相比是上下顛倒的。這表現(xiàn)在仿真結(jié)果上，同一定義端口之間的相位差，是正負(fù)相反的。4.2.