CN101694903A - 高极化隔离度双臂耦合正交模耦合器 - Google Patents

Abstract

高极化隔离度双臂耦合正交模耦合器，包括切角匹配魔T、公共波导、公共波导变换器、耦合双臂、接收波导变换器、低通滤波器、发射波导变换器及吸收负载。本发明通过采用耦合双臂对称结构大大减弱了公共波导内高阶模的激励，采用切角匹配魔T对正交模耦合器进行双臂馈电，有效保证了正交模耦合器耦合端口信号平分，使其获得优良的等幅特性和较好的端口隔离，进一步减小了不连续性，从而尽可能少地激励高阶模，显著地提高了极化隔离度，成功解决了卫星通信天线在分离频带获得高极化隔离度的问题，本发明实现方式简单，加工成本低，可广泛地应用于各种频段，具有较高的性价比。

Description

高极化隔离度双臂耦合正交模耦合器

技术领域

本发明涉及一种高极化隔离度双臂耦合正交模耦合器，属于卫星通信领域。

背景技术

卫星通信中对通信天线的极化隔离度要求很高，随着卫星通信事业的快速发展，一副通信天线收发工作在分离频带被越来越多地应用，卫星通信天线正交模耦合器在窄带(通常带宽小于10％)获得高极化隔离度技术相对容易，而在分离频带(频率跨度大于1.4∶1)获得高极化隔离度十分困难，因为正交模耦合器工作在分离频带时，高阶模的截止频率低于上频带，高阶模能够传播，特别是分支区高阶模的激励，这种高阶模使得正交模耦合器极化隔离度降低。因此正交模耦合器要在高分离频带实现高极化隔离度，需采用双臂耦合的方式，利用其对称性避免高阶模产生，而采用双臂耦合方式，必须采取严格措施保证其对称性。因此其双臂合成的馈电设计十分关键。

国内外公开文献中有关双臂耦合正交模耦合器的代表性资料主要有：1990年A.M.Boifot发表的“Simple and broadband orthomode transducer”论文和2005年R.Gehring发表的“KU-BAND HIGH POWER FEEDCHAIN”论文中分别报道了工作在Ku频段双臂耦合正交模耦合器，其双臂馈电采用T形分支，该方式馈电需在公共波导两个侧壁耦合窗口处各采用两个细柱来调谐，两侧细柱的对称性对极化隔离度影响很大，因此高极化隔离度对两侧细柱的对称性提出了非常高的要求，这大大增加了工艺复杂度和加工难度，尤其在调谐柱很细时，实现将会非常困难，这影响其在更高频段的应用。除T形分支外，双臂耦合正交模耦合器双臂馈电另一种形式为魔T，人民邮电出版社1982年出版的李嗣范主编的《微波元件原理与设计》一书和1993年出版的Jaroslaw Uher撰写的″Waveguide Compenents forAntenna Feed Systems：Theory and CAD″一文都对现有的魔T进行了总结，代表性的有三种：1)没有匹配元件的普通魔T；2)采用金属杆和金属膜片匹配魔T；3)采用顶部带圆杆的金属圆锥体匹配魔T。第一种魔T最原始，由于未采用匹配元件，其输出端口等幅特性不高，后两种魔T在第一种魔T基础上增加了匹配元件，其输出端口等幅特性有所改善，但匹配元件数量有限，其输出端口等幅特性无法进一步提高，限制了其在高极化隔离度双臂耦合正交模耦合器中的应用。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供了一种高极化隔离度双臂耦合正交模耦合器，通过采用切角匹配魔T馈电，获得优良的等幅特性和较高的端口隔离，成功解决了卫星通信天线在分离频带获得高极化隔离度的问题。

本发明的技术解决方案：高极化隔离度双臂耦合正交模耦合器，包括切角匹配魔T、公共波导、公共波导变换器、耦合双臂、接收波导变换器、低通滤波器、发射波导变换器及吸收负载，其中切角匹配魔T通过耦合双臂与公共波导相连接，公共波导为方口波导，作为收发信号共用通道，公共波导变换器为两节波导变换器，用于将公共波导公共端口的方口变换成圆口，耦合双臂为E面波导拐弯，连接公共波导的发射通道与切角匹配魔T的输出端口，用于传输发射信号，接收波导变换器为渐变波导变换器，用于将公共波导接收通道端口的方口变换成标准矩形波导端口，低通滤波器连接发射波导变换器和切角匹配魔T的输入端口，用于抑制高频信号，发射波导变换器为两节波导变换器，用于将低通滤波器的非标准波导端口变换至标准矩形波导端口，吸收负载与切角匹配魔T的隔离端口相匹配，用于吸收切角匹配魔T隔离端口的能量，所述的切角匹配魔T由HT接头、ET接头、金属圆杆和金属圆锥组成，金属圆杆和金属圆锥作为匹配元件，HT接头两边采用相同形状的切角形式。

所述HT接头的两边切角大小保证HT接头与金属圆锥的底盘不干涉。

所述公共波导包括公共通道、两个发射通道和隔离膜片，隔离膜片平分公共通道的横截面，公共波导上下两侧开有对称的耦合窗口作为发射通道端口，两个发射通道安装在两个耦合窗口上，隔离膜片在耦合窗口之后或与耦合窗口部分重迭，公共通道的两端分别为接收通道端口和公共端口。所述耦合窗口为矩形或椭圆形，所述隔离膜片为矩形或矩形前端为三角形。

本发明与现有技术相比的优点在于：为弥补了上述技术的不足，本发明采用耦合双臂对称结构，耦合双臂结构对称分布使得产生的高阶模数量最少，大大减弱了公共波导内高阶模的激励，采用切角的匹配魔T对正交模耦合器进行双臂馈电，有效保证了正交模耦合器耦合端口信号平分，使其获得优良的等幅特性和较好的端口隔离，进一步减小了不连续性，从而尽可能少地激励高阶模，显著地提高了极化隔离度，成功解决了卫星通信天线在分离频带获得高极化隔离度的问题，其实现方式简单，加工成本低，可广泛地应用于各种频段，具有较高的性价比。本发明的实用性强，对于提高反射面天线的极化隔离度具有十分明显的效果，很容易应用到反射面天线当中去，尤其在通信卫星系统中有广泛的应用前景，目前该技术已应用于通信卫星系统中，市场竞争力显著。

附图说明

图1为本发明的组成结构示意图；

图2为本发明公共波导的组成结构示意图；

图3为本发明切角匹配魔T的组成结构示意图；

图4为本发明低通滤波器的组成结构示意图；

图5为本发明吸收负载的组成结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述：

正交模耦合器在电气上为四端口器件，公共端口与馈电喇叭连接，提供2个电气端口，分别分配给2个独立的正交模，其余2个端口为收发端口，只传输各自的基模。正交模耦合器可鉴别公共端口上2个正交主模的独立信号并将它们供给单一信号端口的基模，使所有端口匹配且在2个信号之间有高的极化鉴别能力。公共波导分支区的高阶模的激励对隔离和匹配有不利影响，最终会影响天线的辐射方向图，选择合适的公共端口尺寸，并利用对称分支结构可以控制高阶模的产生，从而实现高极化隔离度。根据正交模耦合器要求的发射、接收工作频带、极化隔离度、电压驻波比、发射功率等技术参数指标，进行高极化隔离度双臂耦合正交模耦合器的设计。具体如下：先确定公共波导尺寸参数，根据技术指标要求，发射频段低端对应波长为λ_max，接收频段高端对应波长为λ_min，公共波导2采用方波导，公共波导口径尺寸a_s应满足：λ_max/2＜a_s＜λ_min。

如图1、2、3所示，包括切角匹配魔T1、公共波导2、公共波导变换器3、耦合双臂4a、4b、接收波导变换器5、低通滤波器6、发射波导变换器7及吸收负载8，其中切角匹配魔T1通过耦合双臂4a、4b与公共波导2相连接，用于对耦合双臂4a、4b进行馈电，公共波导2为方口波导，作为收发信号共用通道，公共波导变换器3为两节波导变换器，用于将公共波导2公共端口21的方口变换成圆口，耦合双臂4a、4b为E面波导拐弯，连接公共波导2的发射通道26与切角匹配魔T1的输出端口18a、18b，用于传输发射信号，接收波导变换器5为渐变波导变换器，用于将公共波导2接收通道端口23的方口变换成标准矩形波导端口，低通滤波器6连接发射波导变换器7和切角匹配魔T1的输入端口17，用于抑制高频信号，发射波导变换器7为两节波导变换器，用于将低通滤波器6的非标准波导端口变换至标准矩形波导端口，吸收负载8与切角匹配魔T1的隔离端口13相匹配，用于吸收切角匹配魔T1隔离端口13的能量，所述的切角匹配魔T1由HT接头11、ET接头14、金属圆杆15和金属圆锥16组成，金属圆杆15和金属圆锥16作为匹配元件，HT接头11两边采用相同形状的切角12形式。

切角匹配魔T1是实现高极化隔离度双臂耦合正交模耦合器的关键，通过设计高性能的切角匹配魔T1，从而获得优良的等幅特性和较高的端口隔离。如图2所示，切角匹配魔魔T1的输入端口17与滤波器6相连，输出端口18a、18b与耦合双臂4a、4b相连，隔离端口13与吸收负载8相连。魔T中TE₁₀模电磁波自HT接头11输入，其输入端口17必有反射波存在，这是因为在HT接头11与主波导连接处尺寸突变，因此有高阶模产生和出现反射波，高阶模通过波导传输过程中衰减并截止。要消除反射，在双T接头内放入一些电抗匹配元件，产生新的反射，使其与双T接头的不连续性产生的反射相互抵消，从而获得匹配，但放入的电抗元件不能破坏双T的对称性。本发明中切角匹配魔T1由HT接头11和ET接头14合并而成，除传统的金属圆锥16和金属圆杆15匹配元件，专门对HT接头11两边进行切角12处理，为不破坏对称性，两边均进行了切角，且切角形状一致，通过切角减缓接头处不连续性，降低反射，而且改变切角大小增加了一种调节反射的手段。两边的切角12形状应保证一致，切角的形状可以为三角形或其他形状，切角12大小应保证HT接头11与金属圆锥15底盘不干涉。切角匹配魔T1有效保证了耦合窗口22信号平分，使其获得优良的等幅特性和较好的端口隔离，进一步减小了不连续性，从而尽可能少地激励高阶模，显著地提高了极化隔离度。

如图3所示，公共波导2采用一体加工，公共波导2包括公共通道25、两个发射通道26和隔离膜片24，隔离膜片24形状通常为矩形，其他的特殊形状隔离膜片24会改善匹配性能，如将隔离膜片24的前端设计成三角形等，隔离膜片24沿轴向安装在公共通道25的中心，隔离膜片24平分方口波导25的横截面，公共通道25的上下两侧为耦合窗口22，耦合窗口22可以是矩形或椭圆形，上下两个耦合窗口22为发射通道26，耦合窗口22通过耦合双臂4a、4b与切角匹配魔T1的输出端口18a、18b相连，隔离膜片24在耦合窗口22之后或与耦合窗口22部分重迭，端口23为接收通道端口，端口21为公共端口，为收发通道共用。

耦合窗口22位于公共通道25相对于隔离膜片24的垂直侧壁的中央，耦合窗口22的宽边一般与公共通道25的纵轴共线。它可以理解为感性和容性隔离片的组合，具有一定的谐振频率，在谐振时信号将无反射地通过，此时状态称为匹配状态。耦合窗口22的设计可以利用等效特性阻抗的关系进行，把耦合窗口22看作公共通道25中串接缩小内截面尺寸的短截波导，短截波导的等效特性阻抗Z_c’必须等于公共通道25的等效特性阻抗Z_c，设公共通道25口径为a_s，耦合窗口22的尺寸为a_r和b_r，对工作波长λ，为达到匹配，其关系应满足(1)式：

$\frac{b_r}{a_r}\frac{1}{\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a_r}\right)}^2}}=\frac{1}{\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{2a}_s}\right)}^2}}---\left(1\right)$

令a_r＝2x，b_r＝2y，式(1)变成：

$\frac{x^2}{\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{16}}-\frac{y^2}{\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{16-(4{\mathrm{\λ}}^2/{a_s}^2)}}=1---\left(2\right)$

式(2)为双曲线方程，在双曲线上的a_r和b_r都满足匹配要求，具有多值性。工程上根据功率容量的要求选定b_r，再根据双曲方程(2)确定a_r，根据这个初始尺寸通过仿真，再进行微调确定a_r和b_r的最终尺寸。

耦合窗口22相对于隔离膜片24的位置选取的原则是：隔离膜片24在耦合窗口22之后或与耦合窗口22部分重迭，从而保证发射信号可以传播到公共端口21而在接收端口23消失。

接收波导变换器5为渐变波导变换器，将公共波导2接收通道端口23的方口变换至标准矩形波导端口。

公共波导变换器3为两节波导变换器，将公共波导2公共端口21的方口变换与喇叭相连的圆口，与波纹喇叭输入圆波导相匹配。

耦合双臂4a，4b由对称弯波导组成，采用E面波导拐弯形式，用来连接切角匹配魔T1的输出口和公共波导2的发射通道26，进行发射信号传输。

如图4所示，低通滤波器6有矩形波导61和一组膜片62构成，膜片62实现低通滤波器6中的并联电容，矩形波导61实现低通滤波器6中的串联电感，这组电容和电感组合具有一定的谐振频率，低频信号将谐振无反射地通过，高频信号不谐振则反射抑制，从而实现低通滤波的功能。

发射波导变换器7为两节波导变换器，将低通滤波器6的非标准波导端口变换至标准矩形波导端口。

如图5所示，吸收负载8由填充锲形吸波材料81的波导82构成，用于吸收切角匹配魔T1隔离端口13的能量。

根据上面具体实施方式中所述的内容，设计并实现了一个工作在Ka频段分离频带的高极化隔离度双臂耦合正交模耦合器，该系统频率跨度达1.53∶1，工作频率为19GHz～19.3GHz和28.8GHz～29.1GHz，线极化工作。正交模耦合器主要设计参数：公共波导2的口径为8.8mm×8.8mm，切角匹配魔T的HT接头采用等腰三角形切角，切角直角边长为2mm，两边对称，耦合窗口采用矩形，窗口尺寸7.3mm×2.4mm，发射端口波导型号为BJ180，接收端口波导型号为BJ260。

正交模耦合器主要性能可以达到：

极化隔离度：在19GHz～19.3GHz范围内，极化隔离度＞40dB；

            在28.8GHz～29.1GHz范围内，极化隔离度＞41dB。

电压驻波比：在19GHz～19.3GHz范围内，电压驻波比＜1.25；

            在28.8GHz～29.1GHz范围内，电压驻波比＜1.22。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1.高极化隔离度双臂耦合正交模耦合器，其特征在于：包括切角匹配魔T(1)、公共波导(2)、公共波导变换器(3)、耦合双臂(4a、4b)、接收波导变换器(5)、低通滤波器(6)、发射波导变换器(7)及吸收负载(8)，其中切角匹配魔T(1)通过耦合双臂(4a、4b)与公共波导(2)相连接，公共波导(2)为方口波导，作为收发信号共用通道，公共波导变换器(3)为两节波导变换器，用于将公共波导(2)公共端口(21)的方口变换成圆口，耦合双臂(4a、4b)为对称弯波导，连接公共波导(2)的发射通道(26)与切角匹配魔T(1)的输出端口(18a、18b)，用于传输发射信号，接收波导变换器(5)为渐变波导变换器，用于将公共波导(2)接收通道端口(23)的方口变换成标准矩形波导端口，低通滤波器(6)连接发射波导变换器(7)和切角匹配魔T(1)的输入端口(17)，用于抑制高频信号，发射波导变换器(7)为两节波导变换器，用于将低通滤波器(6)的非标准波导端口变换至标准矩形波导端口，吸收负载(8)与切角匹配魔T(1)的隔离端口(13)相匹配，用于吸收切角匹配魔T(1)隔离端口(13)的能量，所述的切角匹配魔T(1)由HT接头(11)、ET接头(14)、金属圆杆(15)和金属圆锥(16)组成，金属圆杆(15)和金属圆锥(16)作为匹配元件，HT接头(11)两边采用相同形状的切角(12)形式。

2.根据权利要求1所述的高极化隔离度双臂耦合正交模耦合器，其特征在于：所述HT接头(11)的两边切角(12)大小保证HT接头(11)与金属圆锥(16)的底盘不干涉。

3.根据权利要求1所述的高极化隔离度双臂耦合正交模耦合器，其特征在于：所述公共波导(2)包括公共通道(25)、两个发射通道(26)和隔离膜片(24)，隔离膜片(24)平分公共通道(25)的横截面，公共波导(2)上下两侧开有对称的耦合窗口(22)作为发射通道端口，两个发射通道(26)安装在两个耦合窗口(22)上，隔离膜片(24)在耦合窗口(22)之后或与耦合窗口(22)部分重迭，公共通道(25)的两端分别为接收通道端口(23)和公共端口(21)。

4.根据权利要求3所述的高极化隔离度双臂耦合正交模耦合器，其特征在于：所述耦合窗口(22)为矩形或椭圆形。

5.根据权利要求3所述的高极化隔离度双臂耦合正交模耦合器，其特征在于：所述隔离膜片(24)为矩形或矩形前端为三角形。

Images