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1、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
2、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
3、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 per
4、formance 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 or
5、thogonal 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, eas
6、y-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 h
7、ave 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 diap
8、hragm 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
9、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、
10、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
11、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
12、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.
13、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. Engargiol
14、a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 2
15、2dB，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1.1
