CN101689691B - 用于rf频率无线通信天线的omt类型宽带多频带收发耦合器-分离器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多频带收发耦合器-分离器，其具有很宽的频带且为OMT(″OrthoMode Transducer″，正交转换器)类型，用于RF频率无线通信天线。所述耦合器包括用于传播所有频率的端口(P1)，主体和用于传播高频带的端口(P2)，这三个部分是同轴的，用于传播低频带的宽带耦合狭槽(24A)位于主体中，且每个耦合狭槽与波导相关联，其特征在于，连接两个端口的主体(24)具有旋转的形状，其轮廓根据多项式规则变化，从具有最大横截面的端口(P1)到具有最小横截面的端口(P2)逐渐减小。该耦合器可用于耦合和分离非常宽的通频带(该耦合器-分离器的全面应用超过一个频程)，需要两个或四个宽带耦合狭槽以在再结合之后传播线性极化和圆极化。

Description

用于RF频率无线通信天线的OMT类型宽带多频带收发耦合器-分离器

技术领域

本发明涉及一种多频带收发耦合器-分离器，其具有很宽的带宽且为OMT(OrthoMode Transducer，正交模转换器)类型，用于微波频率无线通信天线。这样的装置也可称为“多路复用器”或“多路复用OMT”。为了简化描述，以下将该装置简称为“耦合器”。

背景技术

图1给出了根据微波频率波导技术制造的称为“线性极化分离器”的OMT。该OMT，附图标记为1，主要包括第一端口2，其设计为与面向微波频率无线通信天线的角天线连接，以及另外两个端口3、4，其设计为与发送器或接收器连接。该OMT仅以线性极化工作。这三个端口是同轴的。端口3对应于水平极化，端口4对应于垂直极化。端口3为矩形，且通过尺寸在端口2和端口3的尺寸之间的一个或多个波导段5连接到端口2。端口4通过两个波导段6A、6B径向连接到端口2，波导段6A、6B相对于这三个端口对称放置，并且每个具有近似拉长的“U”形的形状，并且截止于与端口2和3的每一个直径(diametrically)相对的耦合狭槽。

图2中的耦合器7是“角锥形”的OMT。其主要包括具有正方形截面的平行六面体的中心腔体，和位于该腔体底部的角锥8。端口9到12截止于面对平行六面体的角锥的四个三角形侧面。采用这种OMT，具有正方形截面的中心端口和所述四个端口之间的电磁波耦合可以是宽带的。利用圆形截面的端口和OMT的平行六面体之间的转换器(transition)可以影响和减小工作范围，其中OMT促进高阶模式(higherorder mode)的传播。此外，该耦合器没有多路复用功能。

图3给出了具有圆形横截面的现有的OMT 13。其主要包括通常为腔体的三个连续的同轴波导段14、15和16。第一波导14具有最大的直径，且包括两个或四个矩形耦合狭槽，如图中仅示出的一个狭槽14A，每个狭槽与如图中所示的端口14B相关联。相似地，段15的直径比段14的直径小，其包括两个或四个耦合狭槽15A，其每一个与端口15B相关联。最后，段16的直径比段15小，其构成传播最高频带的端口，而段14耦合最低频率，端15耦合中间值的频率。因此这样的耦合器可以允许多频带耦合，但是这些频带的宽度很小。

图4类型的耦合器17包括腔体18和端口19，腔体18为具有正方形或矩形横截面的平行六面体腔体延伸成的矩形平行六面体形式，端口19具有正方形或矩形横截面且与腔体的轴同轴。腔体18包括：位于其两个(或四个)侧面的每一个上的，与耦合端口18B相关联的耦合狭槽18A。该耦合器工作于相对宽的频带，但是用作连接圆形横截面角天线的接口，且位于具有正方形或矩形横截面的腔体18和与其连接到的圆形横截面的波导之间的转换器(未示出)减小了该耦合器的工作范围，因为高阶模式和显著的谐波的出现，干扰了有效载荷信号的传播。

图5示出了已知的根据美国专利号6566976的OMT 20的图。该OMT包括圆锥体21，该圆锥体将圆形横截面的端口22连接到也是圆形横截面的，且直径比端口22小的端口23。与端口21B相关联的耦合狭槽21A位于圆锥体21上。该OMT只能传播窄频带。

发明内容

本发明的主题是一种多频带收发耦合器，其具有很宽的频带且为OMT类型，用于微波频率无线通信天线，对于线性极化和圆极化，该耦合器都可以工作于很宽的带宽(超过一个频程)，

根据本发明的耦合器包括用于传播所有频率的端口，主体和用于传播高频带的端口，这三个部分是同轴的，且这三个部分都具有圆形横截面，用于传播低频带的耦合狭槽位于主体中，且每个与波导相关联，其特征在于，连接两个端口的主体包括至少一个部件，该部件包括耦合段和阻止低频即耦合频率的段，并且具有旋转的形状，其轮廓根据多项式规则变化，从具有最大横截面的端口到具有最小横截面的端口逐渐减小，每个耦合段包括两个或四个宽带耦合狭槽。

耦合狭槽在再结合之后，能够以线性和圆极化操作。如果耦合狭槽的数量为2且直径相对，则其处于单个线性极化，如果数量为4，且相对于相邻的狭槽呈90°放置，则其处于线性极化和圆极化。然后，在该耦合体制中，所有的耦合信号，由耦合器自身或加工材料的处理类型(例如，基于银的加工能获得很好的传导性)导致的损耗或多或少被挽回(retrieve)。

阻止段也实现匹配功能，允许高频横向地传播，也有助于该耦合器的整体匹配(在端口P1和P2之间)。

附图说明

通过阅读对实施例的具体描述，可更好地理解本发明，本发明的实施例是作为非限制性的实例，且通过附图来图示，其中：

图1到图5，如上已经描述过，是已知耦合器的简化图，以及

图6到图8是根据本发明的耦合器的三个实施例的简化图。

具体实施方式

以下参考耦合器的三个简化实例来描述本发明，但是应清楚地理解，本发明不限于这些实例，并且这些耦合器的主体具有大量的其它轮廓，这些轮廓通常依据根据多项式规则的变化来限定，从具有最大横截面的端口到具有最小横截面的端口逐渐减小。

下文描述的依照本发明的所有耦合器主要包括以下元件：第一端口P1，后面连接的主体和第二端口P2，这三个主要元件都具有圆形横截面并且是同轴的。端口P1的内直径大于端口P2的内直径，而在耦合段与端口P1的连接处，耦合段的内直径等于端口P1的内直径，并且在耦合段与端口P1的连接处和其与端口P2的连接处之间逐渐减小。主体包括至少一个部件(section)，该部件包括耦合段以及用于阻止与相同组件的耦合段相关的频率的段。这里描述的每个实施例只包括一个这样的部件，但是因该理解本发明不限于单个的这种部件，且本发明的耦合器包括与要处理(耦合或分离)的中频带一样多的这种部件。阻止段(blocking segment)的轮廓可包括具有不同的变化规则的一个或多个部分。对于这些耦合器的每一个，端口P1传播所有有效载荷频带(表示低子带和高子带的耦合)，且(以未画出的方式)连接到角天线，该角天线在发射或接收时传播与例如微波频率无线通信天线的目标系统相关联的电磁波，而端口P2只传播高子带，耦合段的耦合端口传播低子带。端口P2和耦合段的端口(以未画出的方式)连接到收发系统。每个耦合段的纵向轮廓的变化规则是本发明的主要元素，以下将对示出的每个实施例进行具体描述。

注意，耦合段可仅包括两个或四个耦合狭槽，因为不同的数量是完全无用的。以下描述的耦合段的轮廓的实例可通过加工简单制成，无论其为直线还是由曲线限定。

图6中的耦合器25的主体24具有包括两个连续直线部分26(确定耦合段)和27(确定低频阻止段)的轮廓，该两部分具有不同的斜度(这些斜度应认为在图中的平面内，相对于耦合器的纵向轴)。应理解，该轮廓可包括多于两个的具有不同斜度的部分。在图中所示的实例中，部分26的斜度比部分27的大，但是反过来也可以。

针对个案，这些斜度的值之间的比率是不同的，因为它们取决于要完成的任务，也就是说，要被耦合或分离的子带及其彼此之间的频率距离的相对频带值的百分比。分离器的每个段通过设置具有大约10到15°的角度θ1的斜度(斜面26)来促进低频带的耦合，而具有角度θ2的斜度的下一段(斜面27)短路(防止)这些相同的低频带通过该耦合器传播。以上这些也使得整个耦合器对于所有要传播和分离的频带很好的匹配(在SWR意义上，也就是说驻波比)。宽带矩形耦合狭槽24A制造在段24的主体中。这些狭槽平行于段24的纵向轴延伸。在本例中，狭槽的数量为2或4。两个狭槽耦合至少一个线性极化，而四个狭槽耦合两个线性极化和两个圆极化。需要一个再结合系统(未画出)来恢复它们。在图中只可看到这些狭槽中的一个。每个狭槽与矩形截面波导24B相关联。每个耦合狭槽和相关联的波导在此情况下称为“耦合臂”。耦合狭槽的尺寸起初按照现有的矩形波导的尺寸来确定，以允许传播被耦合的最低频率。

优选地，对于图6中的实施例，如根据本发明的所有实施例一样，在耦合臂的每个波导的端部，具有一个或多个已知的滤波单元(未画出)，其设计为消除可能的频率残余，这些频率残余可能在相对于臂24B的被耦合的带宽之外，且必须只能纵向通过段24.

图7中的耦合器29的耦合段28的轮廓，考虑从端口P1到端口P2，包括曲线30，后接直线段31。如上文所述，限定曲线30的等式可有各种形式，只要对应于段28的部分的直径从具有最大横截面的端口到具有最小横截面的端口，或更恰好地到与由轮廓31限定的部分的连接处逐渐减小。

图8中的耦合器32包括耦合段33，其轮廓包括两条不同的连续曲线34、35，每条曲线满足与图7中的曲线30相同的条件。应理解，本发明的耦合器的耦合段的轮廓可包括多于两条曲线。曲线的数量有赖于被耦合的带宽的大小(相对频带的百分比)、被耦合的带宽的数量以及其彼此之间的频率距离。机械地制造耦合器的可能性也可能限制曲线的数量：因此有必要进行折中。例如，用平方正弦限定耦合器中的曲线35，该耦合器制造用于耦合L频带并分离C和Ku频带。该曲线限定了促进低频带(L)的耦合的短路区，以及通过该耦合器传播更高频带(C和Ku)的很好的匹配。实现耦合的曲线34是1阶多项式(直线轮廓)。

根据非限制性的实例性实施例，本发明的耦合器以发射和接收模式(耦合器的耦合和分离功能)处理宽的子带Ku和Ka，不论其为线性极化还是圆极化，其在如下共四个子带中给出。在Ku频带，发射频带从10.95延伸到12.75GHz，接收频带从13.75延伸到14.5GHz。在Ka频带，发射频带从17.7延伸到20.2GHz，接收频带从27.5延伸到30GHz。由于已知的最小波导是C890(半径＝1.194mm)，如果现有的加工限制其制造，可以通过电镀或电铸制造最小的耦合器。必须选择段的多项式规则的复杂性，以便考虑规格的要求而不超过制造的可能性。因此这样的耦合器可作为“超高频带”，因为覆盖的总频带(从10.95到30GHz)延伸超过一个频程。在本实例中，Ka频带的信号具有圆极化(在发射和接收模式中为右和左)，Ku频带的信号具有线性极化(在发射和接收模式中为正交的水平或垂直)。整个Ku频带(发射和接收)穿过耦合主体的四个耦合臂，且呈现27.9％的耦合的相对频带，而穿过耦合器的Ka频带呈现51.6％的分离的相对频带。相对频带百分比P_BR定义如下：

$P_{\mathrm{BR}}=\frac{F\max -F\min }{\mathrm{Fmoy}},$ 对于Ku频带，其为：

$P_{\mathrm{BR}}=\frac{F\max -F\min }{\mathrm{Fmoy}}=\frac{14.5\mathrm{GHz}-10.95\mathrm{GHz}}{12.725\mathrm{GHz}}\≈27.9\%$

通过耦合器-分离器要耦合的低频带和要传播的高频带之间的距离(在此情况下为从14.5到17.7GHz，也就是说，Ku和Ka之间的间带)决定了耦合器是否可被制造。该频率距离不能太小，否则有还耦合最高频带的开始的风险。如果要耦合和要分离的带宽非常接近，则利用选择滤波器(具有限定的厚度的微波频率虹膜滤波器，包括十字架形的凹进)是有帮助的，该滤波器位于耦合段和阻止段之间，或者就在阻止段之后。该耦合器使得可以只用一个超宽带天线实现四个子带的传输(发射和接收)。

Claims (5)

1.一种多频带收发耦合器-分离器，其为宽频带且具有正模(OMT)耦合器类型，用于微波频率无线通信天线，所述耦合器-分离器包括用于传播所有频率的端口(P1)，主体(24，28，33)和用于传播高频带的端口(P2)，这三个部分是同轴的，且这三个部分都具有圆形横截面，用于传播低频带的耦合狭槽(24A，28A，33A)位于主体中，且每个耦合狭槽与波导(24B，28B，33B)相关联，其特征在于，连接这两个端口的主体(24，28，33)包括至少一个部件，该部件包括耦合段和阻止低频即耦合频率的段，主体具有旋转的形状，其轮廓根据多项式规则变化，从具有最大横截面的端口到具有最小横截面的端口逐渐减小，每个耦合段包括两个或四个宽带耦合狭槽。

2.根据权利要求1所述的多频带收发耦合器-分离器，其特征在于，所述轮廓包括至少两个直线部分(26，27)，所述至少两个直线部分具有相对于所述耦合器的所述三个部分的公共轴的不同的斜度。

3.根据权利要求1所述的多频带收发耦合器-分离器，其特征在于，所述轮廓包括至少一个曲线(30)，后接直线段(31)。

4.根据权利要求1所述的多频带收发耦合器-分离器，其特征在于，所述轮廓包括至少两个不同的连续曲线(34，35)。

5.根据权利要求1所述的多频带收发耦合器-分离器，其特征在于，所述轮廓包括几个复合组件的串连，每个复合组件具有直线耦合段或具有两个或四个耦合狭槽的曲线，后接直线段或没有耦合狭槽的曲线。

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