微波无源器件 OMT1 一种用于倍频程接收机前端的十字转门四脊正交模耦合器(24-51GHz)

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摘要：

我们报道了一种用于天文学射电望远镜的毫米波波长接收机的一种十字转门四脊OMT的设计，制造和实测结果。此四脊OMT被直接兼容到一个四脊馈电喇叭来实现可以拓展矩形波导单模带宽的双极化低噪声接收机。使用了24-51GHz的带宽，OMT证实了0.3-0.4dB的插损和低于-40dB的交叉极化泄露和隔离。OMT是一个双极化接收机前端的一个关键部分，并且我们的长期目标是使用脊波导来实现用于射电天文学的低噪声，宽带接收机。对于OMT中的每个脊波导的设计细节被提供了，包括四脊波导十字转门结，E面弯头和E面T型结。为了实施未来的配置和集成，额外的脊波导器件设计也被包含了，包括一个3-dB耦合器，H面弯头和H面T型结。

索引词：

双脊波导，倍频程带宽，正交模耦合器，极化，Q波段，四脊波导，四脊波导十字转门结，脊波导，波导器件，波导结，宽带接收机

简介:

在通信中，在毫米波射电天文学中这里有着提升接收机带宽的长期趋势。因为标准矩形波导轮廓经常被用在接收机前端中，可实现的带宽极大程度受到波导的单模带宽的限制。为了提升单模带宽，一种脊波导可以以提升生产难度的代价被使用。3D打印是一种用于这个更复杂的结构的生产的值得鼓励的方法(一些3D打印的脊波导的器件的例子在[2]中被给出)。与精确加工相比，然而，目前的最先进的3D打印将会导致更低精度的更粗糙表面完成。当频率在毫米波范围变得更高，一个机加的完成品将提供更低的损耗，这对于低噪声接收机的前端特别重要。

我们目标是证实一个接收机前端的关键器件，命名为OMT，完全使用了脊波导轮廓来实现。最终目标是朝着毫米波前端接收机来发展，支持完全从脊波导实现的平衡和图像分离的结构。

OMT是一个当需要双极化时前端馈电的重要部分。这里有着许多使用在用于射电望远镜的毫米波接收机的标准波导OMT的例子，包括Boifot结，十字转门结和反向耦合结构(只提到了很少)。

最近的一些毫米波标准波导OMTs设计拉伸(stretch)了工作带宽到了约1.75:1（见[6],[11],很好地拓展了标准波导，但是极大地受到了标准波导的单模带宽的限制。注意到一个Boifot型OMTs的子集(subset)包括双脊波导OMTs和用为一个极化的部分膜片的使用内部双脊波导的阶梯过渡段和一个用于另一个极化的减高度波导的过渡段(部分最近的例子如[4],[5],[6]所示)。同时其是一个被证实的紧凑的设计，脊被限制为内部的部分，并且标准波导轮廓被用于剩下的来保持分离模块的加工性。像这样，这种OMT的设计受限于标准波导的单模带宽，

平面OMT也已经被用于毫米波频率来实现倍频程带宽(见最近在[14]和[15]中的例子)，并且目标于可期望的晶圆上(on wafer)集成(例如动能电感探测器(kinetic inductance detectors))。

如果需要一个全波导实现(例如，对于低损耗或者独立器件特性),那么需要四脊波导OMT来获得一个倍频程带宽或者更多。

使用同轴探针和四脊馈电喇叭的极度宽带OMTs也已经被证实了（见最近在[16],[17],和[18]中的最近的例子），但是在约10GHZ以上有着制造上的挑战，因为在它们的装配种所需的小间隙(clearance)。

四脊OMTs也可能通过使用十字转门结实现，如[1]中所示意。一个四脊波导十字转门结设计被示意在[19]中，仿真覆盖1.7-5.8GHz。通过设计显示出了宽带仿真结果，在特点间的间隙容差非常小(例如在十字转门柱，脊和约2mm的波导壁之间有着一个连续的脊间隙)。合成器将需要被添加来完成OMT，这将复杂化制造过程。优于可允许的工具间隔，装配将可能被分为许多独立的部分，并且装配容差将限制把设计scale到毫米波频率。

在[20]和[21],[22]中，一个十字转门的四脊OMT被分别证实横跨18-45GHz和6-19GHz。为了实现CNC加工，这个OMT用了八片来装配（类似于[7],这个模块被划分(sectored)为四个象限(quadrants)）。在[20]中，十字柱是独立并且可改变的，并且OMT的上部分被用于给四脊馈电喇叭馈电，使用了另外四层。回波损耗横跨整个频带实测约为9dB，同时约35dB的隔离度。因为OMTs是直接与四脊馈电喇叭集成的，很难去保证插损和独立的交叉极化泄露由于OMT本身.

一种商业可用的7有着WRD650的宽带OMT波导在[23]中被引并且被标记为高插损和复杂生产。有着使用同轴探针的四脊OMT，SKinner和Jame也发现了槽线(finline)实现在2.4:1的带宽上，一个电阻性槽被使用来抑制不想要的模式，但是实测的交叉极化响应揭示了显著的陷入模式。在[24]中显示的提升和在毫米波波长的实现的可行性讨论。

当在它的描述中不言明时，Hu揭示了一个24-50GH在的使用BoifotOMT配置的四脊输入。输出端口为标准波导，如果这样，将会过膜。展示了-35dB的隔离度。

一种使用魔T的新型方案被描述在[26]中并且证明了3.4-7.1GHz的实测结果。优秀的回波损耗和隔离度性能被示意(分别为30dB和50dB)。这个设计使用了同轴探针和隔板(septa)允许其变得非常紧凑。给了所实现的性能，看设计scale到高频段很有研究兴趣。

在[27]和[28]中，我们示意了这个十字转门四脊OMT的概念设计，使用了用于CNC加工的六层装配。与我们的方法的一个不同点时假定准薄片(quasi-platelet)的加工。所有的脊和柱被加工在每一层(与独立加工的片相对)，并且工具容差和方位比被用为最初设计概念的限制。这了，我们给出了对于设计，实现和加工更多细节的实测结果。

用于于接收机前端的互补(complementary)脊波导组件的设计将会被展示，遵循一个十字转门四脊波导的证明例子。横跨24-51GHz的频率范围被用于证实到毫米波场的设计和应用。注意当它可能使用更大单模带宽的机波导轮廓，如[19],[20],[21]和[22]中所示，我们已经选择了一个全倍频程带宽来证明这个方法。

用于脊波导网路的器件

在用于毫米波射电天文学的器件的内容中，接收机前端应该支持例如边带分离或者平衡的和双极化的典型的接收机结构。因为这些接收机架构本质上是基本器件的装配，四个典型使用器件设计将被呈现，包括一个四脊波导十字转门结，E和H面弯头，T型结和一个孔耦合器(遵循[29]中的方法)。当然，OMT本身就是一个波导元件的网络并且将被显示有效利用这些器件设计的子集。

在此的设计假定这些脊被导在相邻层。仿真使用CST时域求解器得到。

A.脊波导特性

图1和图2显示了分别用于单脊和四脊波导的改变波导轮廓。此脊尺寸被选来保持相对恰当工具容差的脊纵横比。因为四脊波导的全十字部分被导角了，脊不能太深因为这会限制终端导角直径并因此限制实际导角深度。图1(c)说明了当对于目标的24-51GHz的频带提供一些余量时对于单脊波导的单模带宽20.5-52.8GHz。例如，在51GHz，像一个高次模的渐逝衰减(evanescent decay)在10mm的长度约为-25dB.