微波无源器件 OMT 2 倍频程带宽紧凑十字转门OMT

摘要：

一个64%瞬态带宽的可变比例十字转门OMT用于在所谓的延伸C频带卫星链接被提出。所体术的结构通过在四个输出矩形波导结处添加一个拓宽的单阶梯来克服现在的实际带宽限制。这个明智的(judicious)调整,和减高度波导和E面弯头的和功率合成器的使用，保证了用一个简单，可变比例和紧凑设计来实现理论结构带宽限制。所提出的OMT结构显示了优于25dB的回波损耗，优于50dB的两个矩形端口之间的隔离度和低于0.04dB的传输损耗在3.6-7GHz范围，其代表了关于带宽的先进成就。

索引词：

OMT，减高度波导，卫星通信，十字转门结。

简介：

卫星通信需要天线系统的提升通量和多功能性(versatility)。OMT在这些通信系统是一个关键器件因为它能保证正交极化工作，并且能提升传输容量。在所谓的全延伸C波段，5.8-7GHz范围被用于上行，3.6-4.8GHz被用于下行，需要对每个子频带的专用硬件。因此，一个覆盖全频带的OMT设计对于降低成本和提升结构灵活度很感兴趣。

在过去几年，文献中提出了几个结构来满足不同的需求。起初，Boifot设计了一个基于膜片的OMT有着覆盖10-15GHz频带的40%带宽。随后的(subsequent)的基于十字转门OMT利用了他们内部的电磁对称性来提升一些特性，例如隔离度和杂模自由工作，但是他们没有在[1]中实现的带宽。因此，在[2]中，一个方形棱镜被用于联合E面弯头作为一个调谐柱在全高度波导中18-26GHz(36%)上获得优于19dB的带宽。在[3]中，一个金字塔型的调谐柱被用在全高度波导在9.2-12.4GHz频带内(30%带宽)提供18.5dB的回波损耗；在[4]中一个在全高波导中使用双圆柱调谐柱的OMT以22dB的回波损耗覆盖了整个75-110GHz频带(38%)。近期，一个在减高度波导中用四级圆柱调谐柱的OMT结构被证实在10-15GHz频带(40%)上回波损耗优于23dB。

在本文中提出的结构克服了以往的结构限制并且达到了理论限制。这个十字转门结用一个单级拓宽(转换器)在矩形波导结处设计，其拓宽了其可用频率带宽（见图1）。这个设计哟个减高度波导的E面弯头和单级功率合成器完成。尽管，减高波导增加了插损，这个解决方案允许了非常简单和宽带弯头和功率合成器结构的使用（当与传统的多级全高解决方案相比）补偿了器内部缺点并提供了提升的性能和对于机械加工的健壮性。

OMT设计

OMT的工作频带由在圆/矩形波导中的基模(分别是TE11和TE10)截止频率和在这些结构中传播的第一高次模的截止频率决定。

在圆波导中生成的第一高次模是模式TM11其能保证高达70%的理论带宽。另一方面，在矩形波导中，传播的第一高次模是TE20保证了66%的带宽。因此，一个十字转门结的最大理论带宽是一个倍频程。

当尝试设计一个准倍频程带宽的OMT，需要考虑多种可能性但是所有它们都与要十字转门结之间高等级的独立性和对于每个极化额外的传播合成器。用在文献中的传播合成器，它们大多数基于多级Y型功率合成器或者匹配波导T，在全高拓扑中不能支持倍频程带宽，至少合理的容量和低损耗是关键点。

在结中，不管是方型，金字塔型，多级圆柱形，或是其他有想象力的散射件，用于四个矩形端口的可实现分数带宽不会高于45%。然而，减高十字转门结能够简单控制瞬态带宽通过选择散射件的级数N。图2给出了从N=2到N=4的不同仿真结果，其中对于圆TE11的分数带宽达到了44%回波损耗优于30dB。

尽管通过提升阶梯N的数量可以实现倍频程带宽，之后的步骤将会漫长且细碎，这带来了实际缺点，这限制了高频率比例的机械容差并且优于散射件内部的不对齐会严重激励尖刺的出现。为了克服这种不便利形，一种简单的匹配转换器被引入在四个矩形端口结上来允许对于十字转门结的减宽和减高工作。图2也给出了(圆圈实线)有着N=4圆柱级的66%分数带宽的提升。

为了覆盖整个C波段，使用了一个非标准的矩形波导，波导的宽度, $A_{out} = 42.8mm$ ，被计算有着3.5GHz的截止频率。这个尺寸必须与十字转门结电磁匹配并且因此，一个更窄矩形波导的短分支被优化来调整输出波导对于的尺寸同时在频带内保持好的性能。优化的尺寸为 $A = 40.9mm,L = 0.26 \lambda_{gr}$ ，其中 $\lambda_{gr}$ 是矩形TE10在中心频率 $f_{0} = 5.4GHz$ 的波长。

圆波导， $D = 49.45mm$ ，被设计有着TE11截止频率3.55GHZ。在节中的多模匹配通过设计为一个四级圆柱体结构来实现。散射件被独立加工并在OMT主体销钉加固，如果需要的话可以提供机械简化和频率选择。在图1中所示的十字转门结的尺寸被标注在表I，其中 $\lambda_{gc}$ 是圆TE11在f0处的波长。