CN104900946B

CN104900946B - T形结构准平面正交模转接器

Info

Publication number: CN104900946B
Application number: CN201510277757.XA
Authority: CN
Inventors: 王清源
Original assignee: Chengdu Sinoscite Technology Co Ltd
Current assignee: Chengdu Sinoscite Technology Co Ltd
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2015-05-28
Publication date: 2018-05-08
Anticipated expiration: 2035-05-28
Also published as: CN104900946A

Abstract

本发明公布了一种T形结构准平面正交模转接器，通过采用不同宽度和高度的耦合段和匹配段，使传统的三维结构的正交模转接器转变为准平面的结构。这种结构可以分为底座和底部为平面的盖板两部分。所有的微波结构都被安排在底座上，可以通过普通数控铣床无需翻转被加工件一次性加工完成。本发明在保证器件的加工精度的同时，可以显著地降低底座和盖板之间的对位误差对器件的性能的影响，在高频率的毫米波和太赫兹器件领域具有明显的优越性。可以广泛用于微波，特别是毫米波和太赫兹频段的卫星通信和其它通信系统中。

Description

T形结构准平面正交模转接器

技术领域

本发明涉及一种T形结构准平面正交模转接器。具体地说，涉及一种加工容易，加工精度容易保证的T形结构准平面正交模转接器。

背景技术

正交模转接器（Orthogonal Mode Transducer, OMT）是卫星通信中的关键元件。在线极化工作模式中，异频正交模转接器被用来将上行和下行的信号根据其交叉的线极化方式不同加以分离。同频正交模转接器用来将同频率的两个互相垂直的极化方向的信号相加产生一个线极化波，以克服信号传输过程中极化方向的旋转带来的问题。正交模转接器为三端口器件。传统的T形结构准平面正交模转接器为三维三端口器件，一般采用开模铸造方式生产。当产品批量不大和工作频率很高（比如在毫米波频段和太赫兹频段）时，该方法成本很高，精度有限，难以满足要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精度容易保证，加工成本低的T形结构准平面正交模转接器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

T形结构准平面正交模转接器，包括由至少一个耦合段，公共端，端口A，端口B。公共端中心处的法线方向沿-Z方向。所有耦合段沿Z方向相互连通构成耦合腔。端口A和端口B直接与耦合腔连通或通过至少一个匹配段分别与耦合腔连通；公共端直接与耦合腔连通或通过至少一个匹配段分别与耦合腔连通。

一般的，端口A的指向沿Y方向，公共端的指向沿-Z方向，端口B的指向沿-X方向。

公共端的最大宽度和最大高度相差小于20%。较佳的实现方式，公共端的最大宽度和最大高度相同，一般为方波导或圆波导。

为了便于加工，特别是在高频毫米波频段和太赫兹频段保证加工的进度，降低加工成本，我们将整个器件分为底座和盖板并且将器件的所有的电磁场结构都安排在底座上。所述盖板的底面为平面的一部分。这种安排的另一个好处是，底座和盖板之间的对位误差对器件的性能的影响被大大降低。为此，我们让所述T形结构准平面正交模转接器的所有部分的上表面齐平。所述T形结构准平面正交模转接器包括所有耦合段、匹配段、公共端、端口A和端口B。

关于各端口的方向，我们有几种不同组合：

第一种情况，端口A中心处的法线方向与Z方向之间的夹角大于-45度，小于45度。端口B中心处的法线方向与Z方向之间的夹角大于45度，小于135度。即端口A中心处的法线方向与Z方向之间的夹角为夹角A，夹角A的取值范围为：45度≥A≥-45度，端口B中心处的法线方向与Z方向之间的夹角为夹角B，夹角B的取值范围为：135度≥A≥45度；较佳的情况，端口A的法线方向与Z方向之间的夹角为零，端口B中心处的法线方向与Z方向之间的夹角为90度。

为了改善该T形结构准平面正交模转接器的公共端的极化隔离度，我们选择在所述耦合腔上设置波导短路支节：至少一个耦合段的宽度大于D+E；其中D为与所述耦合腔直接相连的所有匹配段、与所述耦合腔直接相连的公共端、与所述耦合腔直接相连的端口A和与所述耦合腔直接相连的端口B的宽度的最大值；E为所述T形结构准平面正交模转接器最高工作频率处自由空间波长的20%。

这时，为了实现公共端和端口A端口之间的对中，我们在端口A外接波导A。同时外接波导A的与端口A连接处的横截面的几何中心点与公共端的中心点的连线与Z方向平行。

第二种情况，端口A中心处的法线方向与Z方向之间的夹角大于45度，小于135度。端口B中心处的法线方向与端口A中心处的法线方向之间的夹角大于90度，小于270度。即端口A中心处的法线方向与Z方向之间的夹角为夹角A，夹角A的取值范围为：135度≥A≥45度，端口B中心处的法线方向与端口A中心处的法线方向之间的夹角为夹角B，夹角B的取值范围为：270度≥A≥90度；较佳的情况，端口A的法线方向与Z方向之间的夹角为90度，端口B中心处的法线方向与Z方向之间的夹角也为90度。端口A的法线方向与端口B中心处的法线方向相反，分别指向X方向和-X方向。

为了改善该T形结构准平面正交模转接器的公共端的极化隔离度，我们选择在所述耦合腔上设置波导短路支节：至少有一个只与相邻的耦合段连通的耦合段在平行于Z轴方向上的最大尺寸大于所述T形结构准平面正交模转接器最高工作频率处自由空间波长的20%。

上述两种情况，通常用于异频正交模转接器的设计中。

第三种情况，端口A中心处的法线方向与Z方向之间的夹角大于-45度，小于45度；端口B中心处的法线方向与端口A中心处的法线方向之间的夹角也大于-45度，小于45度，即端口A中心处的法线方向与Z方向之间的夹角为夹角A，夹角A的取值范围为：45度≥A≥-45度；端口B中心处的法线方向与端口A中心处的法线方向之间的为夹角B，夹角B的取值范围为：45度≥A≥-45度；端口A和端口B的横截面为矩形，端口A的宽度小于其高度，端口B的宽度小于其高度。较佳的情况，端口A的法线方向与Z方向之间的夹角为0度，端口B中心处的法线方向与Z方向之间的夹角也为0度。端口A的法线方向与端口B中心处的法线方向相同，都指向Z方向。这时，端口A和端口B的横截面为矩形并且其宽度小于其高度。这种安排，通常用于同频正交模转接器的设计中。

为了实现公共端和端口A和端口B端口之间的对中，我们在端口A外和端口B外分别与外接波导A和外接波导B连接。这时，所述公共端的横截面为左右镜面对称形状，其对称面为平面Q。外接波导A和外接波导B的横截面相同，并且它们分别与端口A和端口B的连接面在垂直于Z方向的平面P内齐平；外接波导A和外接波导B的较佳的设计为标准矩形波导。外接波导A过平面P的横截面为截面A，外接波导B过平面P的横截面为截面B，截面A和截面B关于平面Q成镜面对称。

同频正交模转接器常常要求两个极化方向的信号通过公共端分别到端口A和端口B的相位差为零。为此，我们让所述外接波导A和外接波导B的长度相同；微波信号从公共端到外接波导A的指向该T形结构准平面正交模转接器外的一端的相位与微波信号从公共端到外接波导B的指向该T形结构准平面正交模转接器外的一端的相位之差在该T形结构准平面正交模转接器的工作频带内大于-10度，小于10度。

在异频正交模转接器中，端口A和端口B的极化方向相垂直。这有两种组合方式：

第一种方式，端口A的横截面为矩形并且其宽度大于其高度；端口B的横截面为矩形并且其宽度小于其高度。

第二种方式，端口A的横截面为矩形并且其宽度小于其高度；端口B的横截面为矩形并且其宽度大于其高度。

为了展宽该器件的工作带宽，提高器件的极化隔离度，我们有以下几个措施：

措施一，所述耦合段的数目为2或大于2；所有的耦合段中，至少有一个耦合段的最大宽度比另一个耦合段的最大宽度大10%；或者至少有一个耦合段的最大高度比另一个耦合段的最大高度大10%；或者至少有一个耦合段的最大宽度比另一个耦合段的最大宽度大10%，同时，至少有一个耦合段的最大高度比另一个耦合段的最大高度大10%。

措施二，所述公共端和位于公共端与耦合腔之间的所有匹配段中，器件为公共端或上述匹配段，至少有一个器件的最大宽度比另一个器件的最大宽度大10%；或者至少有一个器件的最大高度比另一个器件的最大高度大10%；或者至少有一个器件的最大宽度比另一个器件的最大宽度大10%，同时，至少有一个器件的最大高度比另一个器件的最大高度大10%。

措施三，在端口A和位于端口A与耦合腔之间的所有匹配段中，器件为端口A或上述匹配段，至少有一个器件的最大宽度比另一个器件的最大宽度大10%；或者至少有一个器件的最大高度比另一个器件的最大高度大10%；或者至少有一个器件的最大宽度比另一个器件的最大宽度大10%，同时，至少有一个器件的最大高度比另一个器件的最大高度大10%。

措施四，在端口B和位于端口B与耦合腔之间的所有匹配段中，器件为端口B或上述匹配段，至少有一个器件的最大宽度比另一个器件的最大宽度大10%；或者至少有一个器件的最大高度比另一个器件的最大高度大10%；或者至少有一个器件的最大宽度比另一个器件的最大宽度大10%，同时，至少有一个器件的最大高度比另一个器件的最大高度大10%。

以上四个措施，既可以分别采用，也可以同时采用其中的两种、三种或全部四种。

在实际加工过程中，所述T形结构准平面正交模转接器的各部分之间的连接处需要进行倒角处理。这些倒角是该器件便于采用数控加工中心通过铣切方式完成加工，其影响应该在器件的设计仿真中加以考虑。

本发明最重要的特点在于，通过采用不同宽度和高度的耦合段和匹配段，使传统的三维结构的正交模转接器转变为准平面的结构。这种结构可以分为底座和底部为平面的盖板两部分。所有的微波结构都被安排在底座上，可以通过普通数控铣床无需翻转被加工件一次性加工完成。本发明在保证器件的加工精度的同时，可以显著地降低底座和盖板之间的对位误差对器件的性能的影响，在高频率的毫米波和太赫兹器件领域具有明显的优越性。

附图说明

图1为本发明的俯视示意图和实施实例1的俯视示意图。

图2为实施实例2的俯视示意图。

图3为实施实例3的俯视示意图。

图4为实施实例4的俯视示意图。

图5为实施实例5的俯视示意图。

图6为实施实例6的俯视示意图。

附图中标号对应名称：1-公共端，2-端口A， 3-端口B， 5-耦合段， 6-匹配段。

在图1至图4中，定义本文方向时，首先将本文纸面水平端正放置与读者前面，在图1至图4中建立直角坐标系，其中X轴方向、Y轴方向和Z轴方向符合右手定则。本文中的上下左右前后方向分别定义为：左方指读者左边方向。右方指读者的右边方向。即左方指沿X轴的方向，右方指沿-X轴的方向，上方，沿Y轴的方向，下方指沿-Y轴的方向。同时定义本文中的高度和宽度为：高度，所述结构在本文中沿着Y方向上的尺寸。宽度：所述结构在垂直于Y轴的平面内垂直于信号传输方向上的尺寸。长度：所述结构在垂直于Y轴的平面内平行于信号传输方向上的尺寸。

T形结构准平面正交模转接器的最高工作频率，指能有效地（插损很低，比如低于3dB）通过该T形结构准平面正交模转接器的公共端的微波信号的最高频率。根据使用目的，该T形结构准平面正交模转接器的正交极化的两个信号的频段可能相同，也可能不同。

具体实施方式

实施实例1

如图1所示。

T形结构准平面正交模转接器，包括3个耦合段5，公共端1，端口A2，端口B3。公共端1中心处的法线方向沿-Z方向。所有耦合段5沿Z方向相互连通构成耦合腔。端口A2和端口B3分别通过2个匹配段6与耦合腔连通。公共端1通过2个匹配段6与耦合腔连通。

公共端1的横截面形状为正方形。

所述T形结构准平面正交模转接器的所有部分的上表面齐平。所述T形结构准平面正交模转接器包括所有耦合段5、匹配段6、公共端1、端口A2和端口B3。

端口A2中心处的法线方向与Z方向之间的夹角为0度。端口B3中心处的法线方向与Z方向之间的夹角为90度。

在端口A2外接波导A。同时外接波导A的与端口A2连接处的横截面的几何中心点与公共端1的中心点的连线与Z方向平行。

端口A2的横截面为矩形并且其宽度小于其高度；端口B3的横截面为矩形并且其宽度大于其高度。

所述耦合段5的数目为3；所有的耦合段5的最大高度之间至少相差10%。所有的耦合段5的最大宽度之间至少相差10%。

所述公共端1和位于公共端1与耦合腔之间的2个匹配段6的最大高度之间至少相差10%。所述公共端1和位于公共端1与耦合腔之间的2个匹配段6的最大宽度之间至少相差10%。

端口A2和位于端口A2与耦合腔之间的2个匹配段6的最大高度之间至少相差10%。端口A2和位于端口A2与耦合腔之间的2个匹配段6的最大宽度之间至少相差10%。

端口B3和位于端口B3与耦合腔之间的2个匹配段6的最大宽度之间至少相差10%；端口B3和位于端口B3与耦合腔之间的2个匹配段6的最大高度之间至少相差10%；

实施实例2

如图2所示。

与实施实例1的区别仅在于，所有的耦合段5和匹配段6的形状都为矩形体。端口A2的横截面为矩形并且其宽度大于其高度；端口B3的横截面为矩形并且其宽度小于其高度。

实施实例3

如图3所示。

本实施实例在实施实例2的基础上，增加了几级匹配段6，同时1的横截面为矩形并相对于其对称面平面Q成左右镜像对称。在端口A2与原有的2个匹配段6之间增加了另外两个匹配段6，而且使端口A2的横截面的宽度小于其高度。同时，在端口B3与原有的2个匹配段6之间增加了另外3个匹配段6。而且使端口B3的法线方向转向Z轴方向，与端口A2的法线方向平行。通过适当设计，我们可以使端口A2和端口B3分别与公共端1之间的相位差在工作频带内相同或接近相同。

在端口A2外和端口B3外分别与外接波导A和外接波导B连接。外接波导A和外接波导B的横截面相同，并且它们分别与端口A2和端口B3的连接面在垂直于Z方向的平面P内齐平；外接波导A和外接波导B为标准矩形波导，它们相对于对称平面Q成左右镜像对称。

同时，所述外接波导A和外接波导B的长度相同；微波信号从公共端1到外接波导A的指向该T形结构准平面正交模转接器外的一端的相位与微波信号从公共端1到外接波导B的指向该T形结构准平面正交模转接器外的一端的相位之差在该T形结构准平面正交模转接器的工作频带内大于-10度，小于10度。

实施实例4

如图4所示。

与实施实例1的区别仅在于，端口A2的中心处的法线方向与端口B3的中心处的法线方向变化为成180度夹角。

实施实例5

如图5所示。

与实施实例2的区别仅在于，耦合腔上设置了一个波导短路支节：构成耦合腔的三个耦合段中的中间一个的宽度比与之相连的两个耦合段的宽度大E。其中E为所述T形结构准平面正交模转接器最高工作频率处自由空间波长的20%。实施实例2的极化隔离度在30db以下，本实施例的极化隔离度在35db以上，本发明的极化隔离度参数性能更加。

实施实例6

如图6所示。

与实施实例2的区别仅在于，耦合腔上设置了一个波导短路支节：有一个只与相邻的耦合段5连通的耦合段5在平行于Z轴方向上的最大尺寸大于所述T形结构准平面正交模转接器最高工作频率处自由空间波长的20%。

上述仅为举例。实际生产中，为了便于采用数控铣床加工，构成该T形结构准平面正交模转接器的各部分之间的连接处需要倒角。这种改变属于微波器件设计加工中的普遍做法。其影响应该在设计中被考虑到。

Claims

1.T形结构准平面正交模转接器，其特征在于，包括至少一个耦合段（5），还包括公共端（1）、端口A（2）、端口B（3）；公共端（1）中心处的法线方向沿-Z方向；所有耦合段（5）沿Z方向相互连通构成耦合腔；端口A（2）和端口B(3)直接与耦合腔连通或通过至少一个匹配段（6）分别与耦合腔连通；公共端（1）直接与耦合腔连通或通过至少一个匹配段（6）与耦合腔连通；公共端（1）的最大宽度和最大高度相差小于20%；端口A（2）中心处的法线方向与Z方向之间的夹角为夹角A，夹角A的取值范围为：135度≥A≥45度，端口B（3）中心处的法线方向与端口A（2）中心处的法线方向之间的夹角为夹角B，夹角B的取值范围为：270度≥A≥90度；耦合腔上设置了一个波导短路支节：构成耦合腔的三个耦合段中的中间一个的宽度比与之相连的两个耦合段的宽度大E，其中E为所述T形结构准平面正交模转接器最高工作频率处自由空间波长的20%。

2.根据权利要求1所述的T形结构准平面正交模转接器，其特征在于，所述T形结构准平面正交模转接器的所有部分的上表面齐平；所述T形结构准平面正交模转接器包括所有耦合段（5）、匹配段（6）、公共端（1）、端口A（2）和端口B（3）。

3.根据权利要求1所述的T形结构准平面正交模转接器，其特征在于，端口A（2）和端口B（3）的横截面为矩形；当端口A（2）的宽度大于端口A（2）的高度时，则端口B（3）的宽度小于端口B（3）的高度；当端口B（3）的宽度大于端口B（3）的高度时，则端口A（2）的宽度小于端口A（2）的高度。

4.根据权利要求1所述的T形结构准平面正交模转接器，其特征在于，所述耦合段（5）的数目为2或大于2；在所有的耦合段（5）中，至少有一个耦合段（5）的最大宽度比另一个耦合段（5）的最大宽度大10%；或者至少有一个耦合段（5）的最大高度比另一个耦合段（5）的最大高度大10%；或者至少有一个耦合段（5）的最大宽度比另一个耦合段（5）的最大宽度大10%，同时，至少有一个耦合段（5）的最大高度比另一个耦合段（5）的最大高度大耦合段（5）10%。

5.根据权利要求1所述的T形结构准平面正交模转接器，其特征在于，在所述公共端（1）和位于公共端（1）与耦合腔之间的所有匹配段（6）中，器件为公共端（1）或上述匹配段（6），至少有一个器件的最大宽度比另一个器件的最大宽度大10%；或者，至少有一个器件的最大高度比另一个器件的最大高度大10%；或者，至少有一个器件的最大宽度比另一个器件的最大宽度大10%，同时，至少有一个器件的最大高度比另一个器件的最大高度大10%。

6.根据权利要求1所述的T形结构准平面正交模转接器，其特征在于，在所述端口A（2）和位于端口A（2）与耦合腔之间的所有匹配段（6）中，器件为端口A（2）或上述匹配段（6），至少有一个器件的最大宽度比另一个器件的最大宽度大10%；或者至少有一个器件的最大高度比另一个器件的最大高度大10%；或者至少有一个器件的最大宽度比另一个器件的最大宽度大10%，同时，至少有一个器件的最大高度比另一个器件的最大高度大10%。

7.根据权利要求1所述的T形结构准平面正交模转接器，其特征在于，在所述端口B（3）和位于端口B（3）与耦合腔之间的所有匹配段（6）中，器件为端口B（3）或上述匹配段（6），至少有一个器件的最大宽度比另一个器件的最大宽度大10%；或者至少有一个器件的最大高度比另一个器件的最大高度大10%；或者至少有一个器件的最大宽度比另一个器件的最大宽度大10%，同时，至少有一个器件的最大高度比另一个器件的最大高度大10%。