CN103887612A - 一种微波毫米波变极化器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波毫米波变极化器，包括：单刀双掷波导开关，第一金属滑动板和第二金属滑动板分别设置在单刀双掷波导开关的两端输出臂中；第一控制器和第二控制器分别与第一金属滑动板和第二金属滑动板连接；第一收发转换开关位于V通道上，第一端与单刀双掷波导开关的垂直通道输出端连接，第二端与正交模耦合器的垂直极化输入端口连接，第三端与V接收机连接；第二收发转换开关位于H通道上，第一端与单刀双掷波导开关的水平通道输出端连接，第二端与正交模耦合器的水平极化输入端口连接，第三端与H接收机连接；正交模耦合器与天线辐射馈源连接。本发明的微波毫米波变极化器，其结构简单、高性能、小型化、模块化、低成本。

Description

一种微波毫米波变极化器

技术领域

本发明涉及雷达、制导中的高频电路技术领域，尤其涉及一种微波毫米波变极化器。

背景技术

雷达是一种利用电磁波探测目标的电子设备，其发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。在“双线偏振多普勒天气雷达”中，通过变极化器对各种极化偏振波的收发，可以获取高空多种气象信息，从而准确判断天气的变化状况。双线偏振体制雷达除对天气进行观测外，对于表面粗糙或各向异性的目标可以获取更多的信息，其中极化参量的测量是对目标识别和分类的重要手段；另外，通过不同极化方式发射和接收的组合可以得到HH、VV、HV和VH的MULLER矩阵，对矩阵运算、处理和分析可以获取对目标识别和分类的依据。然而，现有技术中，雷达上所采用的变极化器的电路结构和控制系统都比较复杂，稳定性不高、可靠性较差、体积较大、成本较高。

发明内容

本发明提出了一种微波毫米波变极化器，结构简单、稳定性和可靠性高、体积小、模块化、成本低。

本发明提出的一种微波毫米波变极化器，包括：单刀双掷波导开关、第一控制器、第二控制器、第一收发转换开关、第二收发转换开关、正交模耦合器、正交模耦合器、天线辐射馈源，其中：

单刀双掷波导开关包括雷达信号输入端口、单刀双掷波导开关波导腔、第一金属滑动板、第二金属滑动板，雷达信号输入端口位于单刀双掷波导开关波导腔中部，雷达信号输入端口用于与雷达发射机连接以接收所述雷达发射机所输出的微波信号；第一金属滑动板和第二金属滑动板分别设置在单刀双掷波导开关的两端输出臂中；第一控制器和第二控制器分别与第一金属滑动板和第二金属滑动板连接，用于控制第一金属滑动板和第二金属滑动板的拉起或落下；

第一收发转换开关位于V通道上，第一端与单刀双掷波导开关的垂直通道输出端连接，第二端与正交模耦合器的垂直极化输入端口连接，第三端与V接收机连接；第二收发转换开关位于H通道上，第一端与单刀双掷波导开关的水平通道输出端连接，第二端与正交模耦合器的水平极化输入端口连接，第三端与H接收机连接；正交模耦合器与天线辐射馈源连接。

优选地，所述第一控制器和第二控制器为TTL电平控制驱动器。

优选地，所述第一控制器和第二控制器为大功率PIN二极管开关。

优选地，在天线辐射馈源上设置移相器。

优选地，第一收发转换开关包括第一环形器和V限幅器，第一环形器位于V通道上，第一端与电控单刀双掷波导开关的垂直通道输出端连接，第二端与正交模耦合器的垂直极化输入端口连接，第三端通过V限幅器与V接收机连接；第二收发转换开关包括第二环形器和H限幅器，第二环形器位于H通道上，第一端与电控单刀双掷波导开关的水平通道输出端连接，第二端与正交模耦合器的水平极化输入端口连接，第三端通过H限幅器与H接收机连接。

优选地，所述收发转换开关由半导体有源开关所构成。

优选地，所述半导体开关为直流固态继电器或交流固态继电器。

优选地，所述直流固态继电器为场效应管。

优选地，所述交流固态继电器为可控硅。

优选地，第一金属滑动板和第二金属滑动板分别设置在距离单刀双掷波导开关的输入端口四分之一导波长处的两端输出臂中。

本发明中，使用电控单刀双掷波导机械开关替代现有技术中复杂的电路结构和控制系统，使用最少的元件整合出具有复杂功能的变极化系统，由于元件少，提高了整机可靠性，降低了生产成本和运行成本；且H和V两路之间的隔离度高，通道的插损小，变极化控制简单，可靠性也提高了近两个数量级。

附图说明

图1为本发明实施例一提出的一种微波毫米波变极化器示意图；

图2为本发明实施例二提出的一种微波毫米波变极化器示意图；

图3为本发明实施例三提出的一种微波毫米波变极化器示意图。

具体实施方式

参照图1，图1为本发明实施例一提出的一种微波毫米波变极化器示意图。

如图1所示，本发明实施例一提出了一种微波毫米波变极化器，包括：单刀双掷波导开关10、第一控制器、第二控制器、第一收发转换开关20、第二收发转换开关30、正交模耦合器40、正交模耦合器40、天线辐射馈源50，其中：

单刀双掷波导开关10包括雷达信号输入端口11、单刀双掷波导开关波导腔12、第一金属滑动板13和第二金属滑动板14；雷达信号输入端口11位于单刀双掷波导开关波导腔12中部，雷达信号输入端口11用于与雷达发射机连接以接收雷达发射机所输出的微波信号；第一金属滑动板13和第二金属滑动板14分别设置在距离单刀双掷波导开关的输入端口11约四分之一导波长处的两端输出臂内；第一控制器和第二控制器，分别与第一金属滑动板13和第二金属滑动板14连接，用于控制第一金属滑动板13和第二金属滑动板14的拉起或落下。

在具体实施例中，第一控制器和第二控制器为TTL（Transistor-TransistorLogic，晶体管-晶体管逻辑集成电路）电平控制驱动器，其输出电压驱动继电开关拉起或落下第一金属滑动板13和第二金属滑动板14；或者，第一控制器和第二控制器为大功率PIN二极管开关，利用PIN二极管在直流正，反偏压下呈现近似导通或断开的阻抗特性，拉起或落下第一金属滑动板13和第二金属滑动板14，实现了控制微波信号通道转换作用。

第一收发转换开关20位于V通道上，第一端与单刀双掷波导开关10的垂直通道（V通道）输出端连接，第二端与正交模耦合器40的垂直极化输入端口连接，第三端与V接收机连接；第二收发转换开关30位于H通道上，第一端与单刀双掷波导开关10的水平通道（H通道）输出端连接，第二端与正交模耦合器40的水平极化输入端口连接，第三端与H接收机连接。

其中，V接收机和H接收机用于滤除无用的干扰信号而保留有用的目标回波信号，经过放大和解调是从回波信号中提取目标距离、速度和角度信息，以模拟或数字信号的形式传输给显示器或计算机等终端设备。

正交模耦合器40与天线辐射馈源50连接，正交模耦合器40与天线辐射馈源50可进行一体化综合设计，将一路信号分配给多路,并且隔离前后级的相互影响，两路信号的相位相差别90度的耦合，一路信号达到最大值时，另外一路的信号刚好为零。其中，天线辐射馈源50是将来自馈线（卫星接收器中接收机和高频头连接的天线线缆）的射频功率以电磁波的形式向反射面辐射，使其在口径上产生合适的场分布，以形成所需的锐波束或赋形波束；同时使由反射面边缘外漏溢的功率尽量小，以期实现尽量高的增益。

在实际应用过程中，本实施例的微波毫米波变极化器的工作过程如下：

控制单刀双掷波导开关10左右两输出臂内的第一金属滑动板13和第二金属滑动板14，当垂直通道（V通道）的第一金属滑动板13被控滑落到波导管腔内，在距单刀双掷波导开关10输入端口11中心位置参考面约四分之一导波长处形成短路面；同时，在水平通道（H通道）的第二金属滑动板14被提出波导腔形成通路。此时，由单刀双掷波导开关10输入端口11进来的雷达发射机所输出的微波信号被送入H通道，经由第一收发转换开关20到达正交模耦合器40的水平极化输入端口，正交模耦合器40的方波导输出端口与馈源50相接，构成水平极化波的发射工作状态。反之，将V通道第一金属滑动板13和H通道第二金属滑动板14的控制与上述情况对调，则会呈现垂直极化波发射工作状态。

若将第一金属滑动板13和第二金属滑动板14同时都提出波导腔之外，使单刀双掷波导开关10构成了一个标准的1/2功分器，发射功率被分成两路等幅同相波分别沿V通道和H通道，经由第一收发转换开关20和第二收发转换开关30输至正交模耦合器40的V端口和H端口，垂直极化波和水平极化波被天线辐射馈源发射出去，在空间合成空中取向为45°或135o倾斜角的线极化偏振波。优选地，若在馈源增加移相器，则可以发射左旋或右旋园极化波。

接收到回波信号的垂直极化波和水平极化波被正交模耦合器所分离，分别进入V通道和H通道，完成“单发双收”和“同发同收”功能。综上所述，变极化器是通过改变输至正交模耦合器中两个输入端口的不同来实现各种极化状态之下的收与发。通过控制单刀双掷波导开关左右两输出臂内的金属滑动板，即可实现变极化功能，变极化器中的单刀双掷波导开关与电控开关进行一体化综合设计，单刀双掷波导开关与左右两个开关呈“无缝”对接，构成一个功能模块。

本发明的微波毫米波变极化器主要技术指标如下：

a.工作频率：34.5-35.5GHz（根据用户需求）；

b.输入端口电压驻波系数：VSWR≤1.15；

c.V、H通道开关隔离度：D≥50dB损耗；

d.功率容量：Pt≥10kw；

e.控制形式：TTL电平控制驱动器，驱动器输出电压驱动继电开关拉动金属滑动板若采用大功率PIN二极管开关，驱动器需提供二极管正向导通电流100mA，反向截止电压-800V；

f.接口形式：BJ400标准矩形波导口径；

g.变极化切换时间：T≤10ms；

h.通道插入损耗：L≤0.15dB。

本发明可以在射频、微波毫米波各个频段内都能实现，具体工作频率范围可以根据用户要求设定。

在实施例一中，上述收发转换开关可以由铁氧体环行器和无源限幅器构成。

参照图2，图2为本发明实施例二提出的一种微波毫米波变极化器示意图。

如图2所示，本发明实施例二提出了一种微波毫米波变极化器，第一收发转换开关20包括第一环形器21和V限幅器22，第一环形器21位于V通道上，第一端与电控单刀双掷波导开关10的垂直通道输出端连接，第二端与正交模耦合器40的垂直极化输入端口连接，第三端通过V限幅器与V接收机连接；第二收发转换开关30包括第二环形器31和H限幅器32，第二环形器31位于H通道上，第一端与电控单刀双掷波导开关10的水平通道输出端连接，第二端与正交模耦合器40的水平极化输入端口连接，第三端通过H限幅器与H接收机连接。其中电磁波的传输只能沿单方向环行，反方向隔离。

V限幅器22和H限幅器32分别设置在第一环形器21和V接收机之间、第二环形器31和H接收机之间，把输出信号幅度限定在一定的范围内，亦即当输入电压超过或低于某一参考值后，输出电压将被限制在某一电平（称作限幅电平），且再不随输入电压变化。

在实施例一中，上述收发转换开关由半导体有源开关所构成。

参照图3，图3为本发明实施例三提出的一种微波毫米波变极化器示意图。

如图3所示，本发明实施例三提出了一种微波毫米波变极化器，第一收发转换开关20包括第一半导体有源开关23，第一半导体有源开关23位于V通道上，第一端与电控单刀双掷波导开关10的垂直通道输出端连接，第二端与正交模耦合器40的垂直极化输入端口连接，第三端与V接收机连接；第二收发转换开关30包括第二半导体有源开关33，第二半导体有源开关33位于H通道上，第一端与电控单刀双掷波导开关10的水平通道输出端连接，第二端与正交模耦合器40的水平极化输入端口连接，第三端与H接收机连接。

半导体开关指的是固态继电器，其可以分直流和交流两种，直流固态继电器采用的是场效应管，交流固态继电器采用的是可控硅。

本发明中，使用电控单刀双掷波导机械开关替代现有技术中复杂的电路结构和控制系统，使用最少的元件整合出具有复杂功能的变极化系统，由于元件少，提高了整机可靠性，降低了生产成本和运行成本；且H和V两路之间的隔离度高，通道的插损小，变极化控制简单，可靠性也提高了近两个数量级。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微波毫米波变极化器，其特征在于，包括：单刀双掷波导开关（10）、第一控制器、第二控制器、第一收发转换开关（20）、第二收发转换开关（30）、正交模耦合器（40）、正交模耦合器（40）、天线辐射馈源（50），其中：

单刀双掷波导开关（10）包括雷达信号输入端口（11）、单刀双掷波导开关波导腔（12）、第一金属滑动板（13）、第二金属滑动板（14），雷达信号输入端口（11）位于单刀双掷波导开关波导腔（12）中部，雷达信号输入端口（11）用于与雷达发射机连接以接收所述雷达发射机所输出的微波信号；第一金属滑动板（13）和第二金属滑动板（14）分别设置在单刀双掷波导开关（10）的两端输出臂中；第一控制器和第二控制器分别与第一金属滑动板（13）和第二金属滑动板（14）连接，用于控制第一金属滑动板（13）和第二金属滑动板（14）的拉起或落下；

第一收发转换开关（20）位于V通道上，第一端与单刀双掷波导开关（10）的垂直通道输出端连接，第二端与正交模耦合器（40）的垂直极化输入端口连接，第三端与V接收机连接；第二收发转换开关（30）位于H通道上，第一端与单刀双掷波导开关（10）的水平通道输出端连接，第二端与正交模耦合器（40）的水平极化输入端口连接，第三端与H接收机连接；正交模耦合器（40）与天线辐射馈源（50）连接。

2.根据权利要求1所述的微波毫米波变极化器，其特征在于，所述第一控制器和第二控制器为TTL电平控制驱动器。

3.根据权利要求1所述的微波毫米波变极化器，其特征在于，所述第一控制器和第二控制器为大功率PIN二极管开关。

4.根据权利要求1所述的微波毫米波变极化器，其特征在于，在天线辐射馈源（50）上设置移相器。

5.根据权利要求1所述的微波毫米波变极化器，其特征在于，第一收发转换开关（20）包括第一环形器（21）和V限幅器（22），第一环形器（21）位于V通道上，第一端与电控单刀双掷波导开关（10）的垂直通道输出端连接，第二端与正交模耦合器（40）的垂直极化输入端口连接，第三端通过V限幅器（22）与V接收机连接；第二收发转换开关（30）包括第二环形器（31）和H限幅器（32），第二环形器（31）位于H通道上，第一端与电控单刀双掷波导开关（10）的水平通道输出端连接，第二端与正交模耦合器（40）的水平极化输入端口连接，第三端通过H限幅器（32）与H接收机连接。

6.根据权利要求1所述的微波毫米波变极化器，其特征在于，所述收发转换开关由半导体有源开关所构成。

7.根据权利要求6所述的微波毫米波变极化器，其特征在于，所述半导体开关为直流固态继电器或交流固态继电器。

8.根据权利要求7所述的微波毫米波变极化器，其特征在于，所述直流固态继电器为场效应管。

9.根据权利要求7所述的微波毫米波变极化器，其特征在于，所述交流固态继电器为可控硅。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的微波毫米波变极化器，其特征在于，第一金属滑动板（13）和第二金属滑动板（14）分别设置在距离单刀双掷波导开关的输入端口（11）四分之一导波长处的两端输出臂中。

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