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1、宽带正交模耦合器设计毕业论文目录第一章 绪论11.1 课题的研究背景及意义11.2 国外研究现状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
2、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 .专业.专注. 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
3、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
4、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围，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
5、行相位调整，这样做也是为了在这一频带实现相位正交。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 频率围，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 频率围
6、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 围；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 频率围，端口回波损耗大于
7、15dB；交叉极化水平在-20dB到-40dB围；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 围，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。2007 年，Giampaolo Pisano等设计了一种基于Turnstile 结的宽带OMT。在75GHz -110GHz 围，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
8、设计了一款基于对称反向耦合器结构的宽带OMT。在84GHz -116GHz频率围，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，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 围，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 围，主臂的驻波在1.17-1.29之间，端口隔离度在41.7dB-
9、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 频率围，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
10、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
11、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
12、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
13、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 论文的容排版和概述本论文在第一章
14、介绍了正交模耦合器的发展现状，研究意义，国外研究近况，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，
15、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 （0yb） =0
