CN105098360A - 一种新型极化跟踪器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型极化跟踪器，属于极化跟踪技术领域。该新型极化跟踪器主要有四大部分组成：正交模耦合器、信号输入或输出总口、旋转转子和电机。新型极化跟踪器的电机带动旋转转子进行360°旋转，极化跟踪到最大的信号指向方向为止，实现极化匹配。本发明的突出优势：对信号进行准确的极化跟踪，既可以做为接收极化跟踪器，将从两个平行端口进入的两路信号合成，通过旋转转子转动接收到所需要的极化方向的信号；也可以作为发射极化跟踪器，通过极化跟踪接收到卫星极化信号，然后通过极化跟踪器中的正交模耦合器分成两路信号发射出去。本发明解决了当前极化跟踪器两输出臂不平行输出的缺点，且本发明结构简单，级连方便，加工更加容易。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型极化跟踪器，可单独用作微波电路器件，也可应用于“动中通”系统，属于极化跟踪技术领域。
背景技术
极化跟踪器作为实现双极化天馈的重要部件，如今在卫星通讯和军事雷达等方面得到广泛应用。现有的极化跟踪器的两输入端口通常为相互垂直的两个标准矩形波导端口，这种设计通过调整输出端口标准矩形波导的尺寸，虽然很容易实现两路信号的物理路径一致保证输出相位一致。但存在的不足也是明显的：在实际工程应用中，这两个相互垂直的输出端口最终仍需要连接到双工器的两平行矩形波导端口上，这中间需要加入许多弯波导及过渡波导才能实现，这大大增加了设计的复杂度，过多的弯波导及过渡波导带来更大的损耗，影响系统性能指标，更不利于系统集成。现有技术的极化跟踪器的回波损耗在14～14.5GHz只能达到小于2(即-10dB)，不够低；隔离度即两个输出端口之间从一个端口返回到另一个端口的能量只能达到-30dB，不够小；两输出端口的相位相差只能精确到是10°，不够高。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种新型极化跟踪器，解决了当前极化跟踪器两输出臂不平行输出的问题。
本发明的技术解决方案是：一种新型极化跟踪器，包括：正交模耦合器、信号输入或输出总口、旋转转子和电机；
正交模耦合器包括：直臂波导1(1)、直臂波导2(2)、圆形波导(11)、矩圆过渡(3)、连接波导1(7)和连接波导2(8)；
正交模耦合器的直臂波导2(2)包括：阶梯阻抗调节块1(4)、阶梯阻抗调节块2(5)、阶梯阻抗调节块3(9)、阶梯阻抗调节块4(10)；
圆形波导(11)包括第一面(1101)和第二面(1102)，如图5所示；
圆形波导(11)为圆形金属波导口面，在圆形波导(11)内距离圆形波导第一面(1101)35～45mm处设置一个垂直于直臂波导1(1)窄面的耦合缝(6)；
矩圆过渡(3)的一端为圆波导口，另一端为矩形波导口；
直臂波导1(1)为矩形波导，一端为矩形波导口面(101)，作为极化跟踪器的端口1，另一端为矩形波导口面(102)；
连接波导1(7)的一端为四角设有导角的矩形波导口(701)，如图13所示，另一端为四角设有导角的矩形波导口(702)；
连接波导2(8)的两端均为矩形波导口，一端的矩形波导口与连接波导1(7)的四角设有导角的矩形波导口(702)相连，连接波导2(8)的另一端矩形波导口与阶梯阻抗调节块3(9)的第二侧面(904)相连；
直臂波导2(2)为矩形波导，直臂波导2(2)包括第一面(201)和第二面(202)、两个窄面和两个宽面，在直臂波导2(2)的一个窄面设置与直臂波导2(2)窄面宽度相同的阶梯阻抗调节块1(4)、阶梯阻抗调节块2(5)；直臂波导2(2)的第一面(201)作为极化跟踪器的端口2；
阶梯阻抗调节块1(4)、阶梯阻抗调节块2(5)均为矩形，阶梯阻抗调节块1(4)紧贴在直臂波导2(2)的一个窄面上，阶梯阻抗调节块2(5)紧贴在阶梯阻抗调节块1(4)上，直臂波导2(2)、阶梯阻抗调节块1(4)、阶梯阻抗调节块2(5)、阶梯阻抗调节块3(9)和阶梯阻抗调节块4(10)内部连通，共同构成第一中空腔体；直臂波导1(1)、矩圆过渡(3)和圆形波导(11)内部连通，共同构成第二中空腔体；连接波导1(7)、连接波导2(8)内部连通构成第三中空腔体，第三中空腔体将第一中空腔体和第二中空腔体连通构成的中空腔体外部有一定厚度的金属外壁，第一中空腔体和第二中空腔体的轴线平行；
直臂波导2(2)的第一面(201)和直臂波导1(1)的波导口面(101)平齐；直臂波导2(2)的第一面(201)和直臂波导1(1)的波导口面(101)的窄边长度相等，直臂波导2(2)的第一面(201)和直臂波导1(1)的波导口面(101)的宽边相等；
阶梯阻抗调节块1(4)包括第一截面(401)和第二截面(402)，阶梯阻抗调节块1(4)的第一截面(401)距离直臂波导2(2)的第一面(201)约为λ/2，阶梯阻抗调节块1(4)的第二截面(402)距离直臂波导2(2)的第二面(202)为λ/4～λ/2；
阶梯阻抗调节块2(5)包括第一截面(501)和第二截面(502)，阶梯阻抗调节块2(5)的第一截面(501)距离直臂波导2(2)的第一面(201)为3λ/4；阶梯阻抗调节块2(5)的第二截面(502)距离直臂波导2(2)的第二面(202)为λ/4～λ/2；阶梯阻抗调节块1(4)的第二截面(402)与阶梯阻抗调节块2(5)的第二截面(502)平齐；
在直臂波导2(2)的另一窄面靠近第一面(201)处设置与直臂波导2(2)窄面宽度相同的阶梯阻抗调节块4(10)，在直臂波导2(2)的另一窄面靠近第二面(202)处设置阶梯阻抗调节块3(9)；
阶梯阻抗调节块4(10)包括第一截面(1001)和第二截面(1002)，阶梯阻抗调节块4(10)的第一截面(1001)与直臂波导2(2)的第一面(201)平齐，阶梯阻抗调节块4(10)的第二截面(1002)距离直臂波导2(2)的第二面(202)为连接波导2(8)的矩形波导口宽边的长度；
阶梯阻抗调节块3(9)包括第一截面(901)、第二截面(902)、第一侧面(903)和第二侧面(904)，阶梯阻抗调节块3(9)的第一截面(901)小于阶梯阻抗调节块4(10)的第二截面(1002)，阶梯阻抗调节块3(9)的第二截面(902)与直臂波导2(2)的第二面(202)平齐，阶梯阻抗调节块3(9)的第一截面(901)和阶梯阻抗调节块4(10)的第二截面(1002)紧贴；阶梯阻抗调节块3(9)的第一侧面(903)与直臂波导2(2)的一个宽面的距离约为直臂波导2(2)的一个窄边长度的1/3，阶梯阻抗调节块3(9)的第二侧面(904)与直臂波导2(2)的另一个宽面平齐；阶梯阻抗调节块3(9)的厚度小于阶梯阻抗调节块4(10)的厚度；
圆形波导(11)的第二面(1102)与矩圆过渡(3)的圆波导口相连，矩圆过渡(3)的矩形波导口连接直臂波导1(1)的一个波导口如图1所示；
如图6所示，连接波导1(7)设有导角的矩形波导口(701)连接圆形波导(11)的侧壁，使耦合针与设有导角的矩形波导口(701)所在的平面平行；连接波导1(7)设有导角的的矩形波导口(702)与连接波导2(8)的一个矩形波导口连接，连接波导2(8)的另一个矩形波导口与阶梯阻抗调节块3(9)的第二侧面(904)及直臂波导2(2)的另一个宽面组成的平面连接；
信号输入或输出总口(15)为直臂矩形波导，一端为矩形波导口面(1501)，作为极化跟踪器的端口3，如图14所示，另一端为矩形波导口面(1502)，信号从信号输入或输出总口(15)的矩形波导口面(1501)进入或输出；信号输入(或输出)总口(15)作为第四中空腔体，如图3所示，信号输入或输出总口(15)腔体外部有一定厚度的金属外壁，第四中空腔体通过介质螺套(13)与第二中空腔体相连；
旋转转子(12)为直径小于2mm的金属实体柱状体，旋转转子(12)包括直线形的转柄部分(1201)和U形的弯钩部分，直线形的转柄部分包括第一直线形的转柄(1201)和第二直线形的转柄(1202)，U形的弯钩部分包括第一直线段(1203)、第二直线段(1204)、第三直线段(1205)；
第一直线形的转柄(1201)的一端与第二直线形的转柄(1202)的一端连接；第二直线形的转柄(1202)的另一端连接U形的弯钩部分的第一直线段(1203)的一端，U形的弯钩部分的第一直线段(1203)的另一端连接U形的弯钩部分的第二直线段(1204)的一端，U形的弯钩部分的第二直线段(1204)的另一端连接U形的弯钩部分的第三直线段(1205)的一端，U形的弯钩部分的第三直线段(1205)的另一端为自由端；直线形的转柄部分的第二直线形的转柄(1202)与U形的弯钩部分的第一直线段(1203)呈90度角，U形的弯钩部分的第一直线段(1203)与U形的弯钩部分的第二直线段(1204)呈90度角，U形的弯钩部分的第二直线段(1204)与U形的弯钩部分的第三直线段(1205)呈90度角。且旋转转子(12)包括直线形的转柄部分(1201)和U形的弯钩部分在一个平面内；
旋转转子(12)的第一直线形的转柄(1201)嵌套在介质螺套(13)内，旋转转子(12)的第一直线形的转柄(1201)和旋转转子(12)的第二直线形的转柄(1202)与圆形波导(11)的中轴线重合；
旋转转子(12)的U形的弯钩部分的第一直线段(1203)、旋转转子(12)的U形的弯钩部分的第二直线段(1204)和旋转转子(12)的U形的弯钩部分的第三直线段(1205)插入圆形波导(11)的腔体内；
介质螺套(13)的一端(1301)固定在电机(14)中，介质螺套(13)的中间部分穿过直臂波导(15)，介质螺套(13)另一端(1302)与旋转转子(12)的第一直线形的转柄(1201)相连接共同嵌套在圆形波导(11)的腔体内；
若作为发射极化跟踪器：根据需要的卫星信号的极化角度，如图10所示，电机(14)带动极化跟踪器中的旋转转子(12)旋转到与卫星信号相同的极化角度，信号输入或输出总口(15)接收从卫星上传送过来的信号，穿过介质螺套(13)到达旋转转子(12)，信号开始在圆形波导(11)中进行传输，到达耦合针时分为第一部分信号和第二部分信号，第一部分信号依次经过圆形波导(11)、矩圆过渡(3)和直臂波导1(1)组成的第一中空腔体(如图8所示)到达直臂波导1(1)的(101)波导口；第二部分信号通过耦合针电磁耦合依次进入第三中空腔体、第二中空腔体后，到达直臂波导2(2)的第一面(201)；到达直臂波导1(1)的(101)波导口的第一部分信号和到达直臂波导2(2)的第一面(201)的第二部分信号幅度相等，且相位相差为0°，完成极化跟踪；
若作为接收极化跟踪器，极化跟踪器从卫星上接收到两路信号，分别同时进入端口1和端口2，如图14所示，进入端口2的信号经过耦合缝(6)的耦合与进入端口1的信号共同合成一路总信号，然后通过电机调整旋转转子(12)的角度控制合成信号的能量，即设定旋转转子(12)的初始位置为U形的弯钩部分的第三直线段(1205)与直臂波导1(1)的波导口面(101)的窄边平行，旋转转子(12)从初始位置转动α角，α为0度或180度时，合成后的总信号为进入端口1的信号，合成信号的能量为Eθ1，进入端口2的信号被隔离；α为90度或270度时，合成后的总信号为进入端口2的信号，合成信号的能量为Eθ2，进入端口1的信号被隔离；α大于0度且小于90度或者α大于90度小于180度时或者α大于180度小于270度时或者α大于270度小于360度时，合成后的总信号为进入端口1的信号和进入端口2的信号的合成信号，合成信号的能量为Eθ1cosα+Eθ2sinα，Eθ1为进入端口1的信号的能量，Eθ2为进入端口1的信号的能量，完成极化合成。
所述耦合针(6)为圆柱形，在圆形波导(11)内距离圆形波导第一面(1101)41.7mm处设置一个垂直于直臂波导1(1)窄边的耦合针(6)，耦合缝(6)的圆柱形截面半径为0.8mm。
旋转转子(12)的U形的弯钩部分的第一直线段(1203)、旋转转子(12)的U形的弯钩部分的第二直线段(1204)(1204)和旋转转子(12)的U形的弯钩部分的第三直线段(1205)(1205)各部分的总长度之和为λ/2～λ；
信号输入(或输出)总口(15)的一矩形波导口面(1501)距离信号输入(或输出)总口(15)的另一矩形波导口面(1502)为30mm，信号输入(或输出)总口(15)的一矩形波导口面(1501)距离介质螺套(13)的中轴心20.6mm；另一端为矩形波导口面(1502)，信号从信号输入(或输出)总口(15)的矩形波导口面(1501)进入或输出；
如图5所示，直臂波导1(1)的矩形波导口面(101)与另一矩形波导口面(102)均为标准波导端口，其宽边为15.8mm，窄边为7.9mm，直臂波导2(2)的第一面(201)矩形波导口也为标准波导端口，其宽边为15.8mm,窄边为7.9mm，信号输入(或输出)总口(15)的一矩形波导口面(1501)与另一矩形波导口面(1502)也均为标准波导端口，其宽边为15.8mm，窄边为7.9mm；
矩圆过渡(3)总长为11mm，防止磁场变换过快，产生出不需要的高次模；
圆形波导(11)为半径为7.5mm的标准圆波导，圆波导的第一面与第二面之间的传输部分的总长度为63.2mm，一方面使得信号能量能完整传输，另一方面尽量将尺寸做到最小；
连接波导1(7)与波导2(8)的连接口面均为标准波导口面，宽边为15.8mm，窄边为7.9mm，连接波导1(7)的设有导角的矩形波导口(701)与设有导角的矩形波导口(702)导半径为3.5mm的圆角结构；
梯形阻抗调节块1(4)低于直臂波导2(2)的下平面(厚度)1.6mm；梯形阻抗调节块(5)低于直臂波导2(2)的下平面3.2mm；
介质螺套(13)为介电常数为2.2的聚四氟乙烯棒材，半径为1.7mm。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的权利要求1的优点：电机带动旋转转子360°转动，跟踪信号方便易行；
(2)本发明的权利要求1的优点：第一中空腔体、第二中空腔体、第三中空腔体与第四中空腔体组成的新型极化跟踪器，结构紧凑易于集成，加工简单易于产业化生产。
(3)本发明的极化跟踪器的旋转转子(12)的回形弯钩部分尺寸的优化设计，使得极化跟踪能够更加精准；
(4)本发明的极化跟踪器，根据各部分与波长的尺寸对应关系，可以较好的应用于不同频段的极化跟踪器的设计中，继承性好。
(5)本发明的极化跟踪器通过调节耦合缝(6)在圆形波导(11)中的位置关系，使得第二路信号的能量能尽可能完全的耦合到第三中空腔体和第二中空腔体中。
(6)本发明的极化跟踪器的两输出端口平行排列，可以直接与双工器的两个标准波导端口相连接，减小了使用空间，集成性强。
(7)本发明的极化跟踪器的阶梯阻抗调节块3(9)的窄边及高度对新型正交模耦合器的驻波比影响较大，阻抗调节块设计简单容易实现。
(8)本发明的极化跟踪器的阶梯阻抗调节块1(4)和阶梯阻抗调节块2(5)的厚度及传输长度的确定，使得两路信号的相位差接近0°，使得输出的两路信号更加精准无失真。
(9)本发明的极化跟踪器的阶梯阻抗调节块1(4)、阶梯阻抗调节块2(5)、阶梯阻抗调节块3(9)与阶梯阻抗调节块4(10)波导宽边呈阶梯形渐变设计，可以提高天线的驻波比，优化的尺寸使得两端口的相位差为0，同时这种利用斜角传输的设计紧凑新颖。
(10)本发明攻破了物理路径不一致如何做到相位一致的问题，我们的设计主要依据的理论是：电长度一致时相位也是一致的。相位的改变除了通过改变波导长度实现外还可以通过改变波导波长来实现，波导波长只与波导宽边长度有关。故不需要改变波导长度，仅改变波导宽边长度，即可改变波导波长
附图说明
图1为本发明所述的新型极化跟踪器的整体结构图；
图2为本发明所述的新型极化跟踪器的正交模耦合器部分的结构图；
图3为本发明所述的极化跟踪器的第四中空腔体结构图；
图4为本发明所述的新型极化跟踪器的第一中空腔体结构图；
图5为本发明所述的新型极化跟踪器的正交模耦合器的各端口面示意图；
图6为本发明所述的新型极化跟踪器的连接波导的平面示意图；
图7为本发明所述的新型极化跟踪器的阶梯阻抗调节块3(9)四个面的示意图；
图8为本发明所述的新型极化跟踪器的第一中空腔体的平面示意图；
图9为本发明所述的新型极化跟踪器的旋转转子示意图；
图10为本发明所述的新型极化跟踪器的部分结构示意图；
图11为本发明所述的新型极化跟踪器的第二中空腔体及第三中空腔体的示意图；
图12为本发明所述的新型极化跟踪器的除正交模耦合器外的结构的示意图；
图13为本发明所述的新型极化跟踪器的连接波导1(7)导角示意图；
图14为本发明所述的新型极化跟踪器的3个端口仿真模型标示示意图；
图15为本发明所述的新型极化跟踪器端口回波损耗曲线图；
图16为本发明所述的新型极化跟踪器的端口1和端口2的隔离度曲线图；
图17为本发明所述的新型极化跟踪器由3端口输入的信号到达1端口的相位曲线图；
图18为本发明所述的新型极化跟踪器由3端口输入的信号到达2端口的相位曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明的基本思路为：一种新型极化跟踪器，属于极化跟踪技术领域。该新型极化跟踪器主要有四大部分组成：正交模耦合器、信号输入(或输出)总口、旋转转子和电机。极化跟踪器的电机带动旋转转子进行360°旋转，极化跟踪到最大的信号指向方向为止，实现极化匹配。本发明的突出优势：对信号进行准确的极化跟踪，既可以作为接收极化跟踪器，将从两个平行端口进入的两路信号合成，通过旋转转子转动接收到所需要的极化方向的信号；也可以作为发射极化跟踪器，通过极化跟踪接收到卫星极化信号，然后通过极化跟踪器中的正交模耦合器分成两路信号发射出去。本发明解决了当前极化跟踪器两输出臂不平行输出的缺点，且本发明结构简单，级连方便，加工更加容易。
如图1所示，一种新型极化跟踪器，包括：正交模耦合器、信号输入或输出总口(15)、旋转转子(12)、介质螺套(13)和电机(14)；
如图2所示，正交模耦合器包括：直臂波导1(1)、直臂波导2(2)、圆形波导(11)、矩圆过渡(3)、连接波导1(7)和连接波导2(8)；
正交模耦合器的直臂波导2(2)包括：阶梯阻抗调节块1(4)、阶梯阻抗调节块2(5)、阶梯阻抗调节块3(9)、阶梯阻抗调节块4(10)；
极化跟踪器的两输入(出)臂为两个并行的标准矩形波导口组成。极化跟踪器的输出(入)总端口为也为标准矩形波导口。
直臂波导1(1)、直臂波导2(2)与信号输入(或输出)总口(15)的终端可以接法兰盘，用来和其他微波器件连接；直臂波导1(1)和直臂波导2(2)直接与其他微波器件相连接，也可以共同组成双极化阵列天线的双极化馈电网络。
如图9所示，旋转转子(12)为直径1mm的金属实体柱，旋转转子(12)的U形的弯钩部分的第一直线段(1203)、旋转转子(12)的U形的弯钩部分的第二直线段(1204)和旋转转子(12)U形的弯钩部分的第三直线段(1205)各部分的总长度之和为11.2mm；旋转转子(12)的U形的弯钩部分的第一直线段(1203)和旋转转子(12)的U形的弯钩部分的第三直线段(1205)长度相同，主要用来实现极化跟踪到的信号更准确；
旋转转子(12)的第二直线形的转柄(1202)的长度优选8.7mm，在旋转转子(12)的第二直线形的转柄(1202)上螺纹旋，使得旋转转子能更好的嵌套进入介质螺套(13)内，旋转转子(12)的第一直线形的转柄(1201)的度优选2mm，主要用来调节信号的回波损耗，使得能量能够被最有效的传输；
第一直线形的转柄(1201)的一端与第二直线形的转柄(1202)的一端连接；第二直线形的转柄(1202)的另一端连接U形的弯钩部分的第一直线段(1203)的一端，U形的弯钩部分的第一直线段(1203)的另一端连接U形的弯钩部分的第二直线段(1204)的一端，U形的弯钩部分的第二直线段(1204)的另一端连接U形的弯钩部分的第三直线段(1205)的一端，U形的弯钩部分的第三直线段(1205)的另一端为自由端；直线形的转柄部分的第二直线形的转柄(1202)与U形的弯钩部分的第一直线段(1203)呈90度角，U形的弯钩部分的第一直线段(1203)与U形的弯钩部分的第二直线段(1204)呈90度角，U形的弯钩部分的第二直线段(1204)与U形的弯钩部分的第三直线段(1205)呈90度角。且旋转转子(12)包括直线形的转柄部分(1201)和U形的弯钩部分在一个平面内，如图9所示；
旋转转子(12)的U形的弯钩部分的第一直线段(1203)、旋转转子(12)的U形的弯钩部分的第二直线段(1204)和旋转转子(12)的U形的弯钩部分的第三直线段(1205)插入圆形波导(11)的腔体内；
介质螺套(13)被旋转转子(12)嵌套的部分开直径略小于旋转转子(12)直径的洞，以便于旋转转子能被牢固嵌套；
阶梯阻抗调节块1(4)的第二截面(402)距离直臂波导2(2)的第二面(202)优选为8mm；
阶梯阻抗调节块1(4)的第一截面(401)距离直臂波导2(2)的第一面(201)优选为10.5mm，主要用来调节两端口相位差。
阶梯阻抗调节块2(5)的第一截面(501)距离直臂波导2(2)的第一面(201)为优选15.5mm,主要用来调节两端口相位差；
如图7所示，阶梯阻抗调节块3(9)的第一侧面(903)与直臂波导2(2)的一个宽面的距离优选为2.5mm，阶梯阻抗调节块3(9)的厚度低于阶梯阻抗调节块4(10)的厚度优选3.95mm，使得端口回波损耗达到最低值，如图7所示；
直臂波导1(1)的矩形波导口面(101)与另一矩形波导口面(102)之间的距离优选为11.5mm，此优化的尺寸使得能量能更完整的传输；
接波导1(7)、连接波导2(8)的中心距离直臂波导1(1)的矩形波导口面(101)优选48.9mm，一方面使得能量高效传输，另一方面使得整个正交模耦合器更加小型化。
接波导1(7)、连接波导2(8),一方面起到连接第一中空腔体(如图4所示)和第二中空腔体的作用，另一方面调节两中空腔体的阻抗匹配。
阶梯阻抗调节块4(10)的第一截面(1001)和第二截面(1002)间的距离优选为41mm，阶梯阻抗调节块4(10)的第一截面(1001)与第二截面(1002)高度优选为7.5mm，此优化尺寸，一方面使得端口回波损耗降低，另一方面影响两端口的相位差，综合起来效果最佳。
如图7所示，阶梯阻抗调节块3(9)的第一侧面(903)与第二侧面(904)间的距离优选为5.4mm，如图7所示，此优化尺寸同样对端口回波损耗影响较大。
圆形波导(11)为一截面为圆形的标准金属波导，截面尺寸应保证圆形波导(11)在工作频段内仅传输主模。
信号从端口3进入，经过耦合缝(6)变为两路信号，两路信号到达端口1和端口2的相位差随频率变化情况如表1所示：
表1相位仿真数据
| 端口 | 14GHz(度) | 14.25GHz(度) | 14.5GHz(度) |
| 3-1 | -275.87 | -343.95 | -410.8 |
| 3-2 | -276.5 | -344.02 | -411.5 |
| 差值 | 0.64 | 0.07 | 0.7 |
由上表可见，两输出端口在整个频段14GHz～14.5GHz范围内相位差小于0.7°，满足预期指标要求。
如图12所示，若作为发射极化跟踪器：根据需要的卫星信号的极化角度，电机(14)带动极化跟踪器中的旋转转子(12)旋转到与卫星信号相同的极化角度，信号输入或输出总口(15)接收从卫星上传送过来的信号，穿过介质螺套(13)到达旋转转子(12)，信号开始在圆形波导(11)中进行传输，到达耦合针时分为第一部分信号和第二部分信号，第一部分信号依次经过圆形波导(11)、矩圆过渡(3)和直臂波导1(1)组成的第一中空腔体到达直臂波导1(1)的(101)波导口；第二部分信号通过耦合针电磁耦合依次进入第三中空腔体、第二中空腔体(如图11所示)后，到达直臂波导2(2)的第一面(201)；到达直臂波导1(1)的(101)波导口的第一部分信号和到达直臂波导2(2)的第一面(201)的第二部分信号幅度相等，且相位相差为0°，完成极化跟踪；
若作为接收极化跟踪器，极化跟踪器从卫星上接收到两路信号，分别同时进入端口1和端口2，进入端口2的信号经过耦合缝(6)的耦合与进入端口1的信号共同合成一路总信号，然后通过电机调整旋转转子(12)的角度控制合成信号的能量，即设定旋转转子(12)的初始位置为U形的弯钩部分的第三直线段(1205)与直臂波导1(1)的波导口面(101)的窄边平行，旋转转子(12)从初始位置转动α角，α为0度或180度时，合成后的总信号为进入端口1的信号，合成信号的能量为Eθ1，进入端口2的信号被隔离；α为90度或270度时，合成后的总信号为进入端口2的信号，合成信号的能量为Eθ2，进入端口1的信号被隔离；α大于0度且小于90度或者α大于90度小于180度时或者α大于180度小于270度时或者α大于270度小于360度时，合成后的总信号为进入端口1的信号和进入端口2的信号的合成信号，合成信号的能量为Eθ1cosα+Eθ2sinα，Eθ1为进入端口1的信号的能量，Eθ2为进入端口1的信号的能量，完成极化合成。
本发明极化跟踪器的工作原理如下：
电磁波的极化定义为电场矢量的振荡方向。如果电场矢量在与传播方向相垂直的平面上的投影是直线，则称为线极化波。国家标准规定，国内卫星系统均采用线极化方式。天线辐射或接收的电磁波均具有特定的极化方向。当接收天线与发射天线的极化方向不一致时会引起接收信号质量的降低。极化跟踪就是确保天线的极化与卫星的极化相一致，从而提高“动中通”的通信质量。
由于受天线所在地理位置与卫星下行点经纬度差和地球曲率的影响,卫星转发器辐射波的极化相对于卫星通信天线的极化有一定的夹角,这个夹角成为卫星的极化偏转角。当天线指向卫星时,应该调整天线的极化以便与卫星在不同地区的极化取向匹配。在动中通卫星通信天线工作时,通过相关公式计算出卫星极化偏转角的实地信息,由天线控制系统的极化跟踪单元实时地传输给极化调整机构,极化调整机构驱动正交模藕合器的极化进行角度旋转,使其极化同卫星下行信号的极化一致。
发射极化跟踪器的工作原理：发射极化跟踪器是由正交模耦合器、旋转探针和电机组成的。首先通过算法推算出卫星信号的极化角度；然后将极化跟踪器中的旋转探针调整到与卫星信号相同的极化角度；发射的信号通过正交模耦合器分成两路相互垂直的信号；信号再通过双工器最终被接收极化跟踪器所接收。同时，根据互易原理发射极化跟踪器也可以用于接收极化跟踪器使用。即从卫星上接收到两路信号通过正交模耦合器合成一路信号，然后通过调整旋转探针的角度，最终接收到合成的卫星信号。
极化跟踪器对于两个相互正交的极化波来讲，是一个分离的或是混合的元件。极化跟踪器可以鉴别公共端口上两个正交主模的独立信号并将其供给单一信号源端口的基模，使所有端口匹配，且在两信号之间有较高的极化鉴别能力。
对一个极化跟踪器而言，各个端口的端口匹配和隔离尤为重要，模式正交也将引入极化隔离，更能保证隔离效果。
仿真结果如图15所示为总口的回波损耗，有图可见,在14GHz至14.5GHz的频率范围内两输出端口的回波损耗小于-20dB，能量传输出去的彻底；横坐标表示极化跟踪器的工作频率，纵坐标为回波损耗的dB值，本发明的回波损耗14至14.5GHz小于1.2(即-20dB)，带宽能扩宽到2GHz，回波损耗在13.5到15GHz小于2，相比现有技术回波损耗14到14.5GHz小于2(即-10dB)，有着能量传输出去的效果显著，提高了传输出去的能量占总能量的比例，使得极化跟踪信号的效率提高了30％。
如图16所示，纵坐标为从端口1返回到端口2的能量，横坐标为表示正交模耦合器的工作频率，在14至14.5GHz，从端口1返回到端口2的能量小于-36.6dB，比现有技术的-30dB.有着显著的提高，减小了从端口1返回到端口2的能量，即两输出端口的端口隔离度在14GHz至14.5GHz的频率范围内小于-36dB，可见两端口的隔离非常好，大大提高了极化跟踪信号的准确性，降低失真信号率，信号保真率在95％以上。
如图17所示仿真结果，由3端口输入的信号到达1端口的相位曲线图。
如图18所示仿真结果，由3端口输入的信号到达2端口的相位曲线图。比较图17和图18可知，输出的两路信号的相位几乎平行吻合，达到了预期的相位指标要求。本发明两输出端口的相位相差0.7°，使信号的分离更加精确，分离更彻底，相比现有技术的相位相差10°显著提高。大大提高了极化跟踪信号的准确性，确保信号保真率在95％以上
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
Claims (10)
1.一种新型极化跟踪器，其特征在于包括：正交模耦合器、信号输入或输出总口(15)、旋转转子(12)、介质螺套(13)和电机(14)；
正交模耦合器包括：直臂波导1(1)、直臂波导2(2)、圆形波导(11)、矩圆过渡(3)、连接波导1(7)和连接波导2(8)；
正交模耦合器的直臂波导2(2)包括：阶梯阻抗调节块1(4)、阶梯阻抗调节块2(5)、阶梯阻抗调节块3(9)、阶梯阻抗调节块4(10)；
圆形波导(11)包括第一面(1101)和第二面(1102)；
圆形波导(11)为圆形金属波导口面，在圆形波导(11)内距离圆形波导第一面(1101)35～45mm处设置一个垂直于直臂波导1(1)窄面的耦合缝(6)；
矩圆过渡(3)的一端为圆波导口，另一端为矩形波导口；
直臂波导1(1)为矩形波导，一端为矩形波导口面(101)，作为极化跟踪器的端口1，另一端为矩形波导口面(102)；
连接波导1(7)的一端为四角设有导角的矩形波导口(701)，另一端为四角设有导角的矩形波导口(702)；
连接波导2(8)的两端均为矩形波导口，一端的矩形波导口与连接波导1(7)的四角设有导角的矩形波导口(702)相连，连接波导2(8)的另一端矩形波导口与阶梯阻抗调节块3(9)的第二侧面(904)相连；
直臂波导2(2)为矩形波导，直臂波导2(2)包括第一面(201)和第二面(202)、两个窄面和两个宽面，在直臂波导2(2)的一个窄面设置与直臂波导2(2)窄面宽度相同的阶梯阻抗调节块1(4)、阶梯阻抗调节块2(5)；直臂波导2(2)的第一面(201)作为极化跟踪器的端口2；
阶梯阻抗调节块1(4)、阶梯阻抗调节块2(5)均为矩形，阶梯阻抗调节块1(4)紧贴在直臂波导2(2)的一个窄面上，阶梯阻抗调节块2(5)紧贴在阶梯阻抗调节块1(4)上，直臂波导2(2)、阶梯阻抗调节块1(4)、阶梯阻抗调节块2(5)、阶梯阻抗调节块3(9)和阶梯阻抗调节块4(10)内部连通，共同构成第一中空腔体；直臂波导1(1)、矩圆过渡(3)和圆形波导(11)内部连通，共同构成第二中空腔体；连接波导1(7)、连接波导2(8)内部连通构成第三中空腔体，第三中空腔体将第一中空腔体和第二中空腔体连通构成的中空腔体外部有一定厚度的金属外壁，第一中空腔体和第二中空腔体的轴线平行；
直臂波导2(2)的第一面(201)和直臂波导1(1)的波导口面(101)平齐；直臂波导2(2)的第一面(201)和直臂波导1(1)的波导口面(101)的窄边长度相等，直臂波导2(2)的第一面(201)和直臂波导1(1)的波导口面(101)的宽边相等；
阶梯阻抗调节块1(4)包括第一截面(401)和第二截面(402)，阶梯阻抗调节块1(4)的第一截面(401)距离直臂波导2(2)的第一面(201)约为λ/2，阶梯阻抗调节块1(4)的第二截面(402)距离直臂波导2(2)的第二面(202)为λ/4～λ/2；
阶梯阻抗调节块2(5)包括第一截面(501)和第二截面(502)，阶梯阻抗调节块2(5)的第一截面(501)距离直臂波导2(2)的第一面(201)为3λ/4；阶梯阻抗调节块2(5)的第二截面(502)距离直臂波导2(2)的第二面(202)为λ/4～λ/2；阶梯阻抗调节块1(4)的第二截面(402)与阶梯阻抗调节块2(5)的第二截面(502)平齐；
在直臂波导2(2)的另一窄面靠近第一面(201)处设置与直臂波导2(2)窄面宽度相同的阶梯阻抗调节块4(10)，在直臂波导2(2)的另一窄面靠近第二面(202)处设置阶梯阻抗调节块3(9)；
阶梯阻抗调节块4(10)包括第一截面(1001)和第二截面(1002)，阶梯阻抗调节块4(10)的第一截面(1001)与直臂波导2(2)的第一面(201)平齐，阶梯阻抗调节块4(10)的第二截面(1002)距离直臂波导2(2)的第二面(202)为连接波导2(8)的矩形波导口宽边的长度；
阶梯阻抗调节块3(9)包括第一截面(901)、第二截面(902)、第一侧面(903)和第二侧面(904)，阶梯阻抗调节块3(9)的第一截面(901)小于阶梯阻抗调节块4(10)的第二截面(1002)，阶梯阻抗调节块3(9)的第二截面(902)与直臂波导2(2)的第二面(202)平齐，阶梯阻抗调节块3(9)的第一截面(901)和阶梯阻抗调节块4(10)的第二截面(1002)紧贴；阶梯阻抗调节块3(9)的第一侧面(903)与直臂波导2(2)的一个宽面的距离约为直臂波导2(2)的一个窄边长度的1/3，阶梯阻抗调节块3(9)的第二侧面(904)与直臂波导2(2)的另一个宽面平齐；阶梯阻抗调节块3(9)的厚度小于阶梯阻抗调节块4(10)的厚度；
圆形波导(11)的第二面(1102)与矩圆过渡(3)的圆波导口相连，矩圆过渡(3)的矩形波导口连接直臂波导1(1)的一个波导口；
连接波导1(7)设有导角的矩形波导口(701)连接圆形波导(11)的侧壁，使耦合针与设有导角的矩形波导口(701)所在的平面平行；连接波导1(7)设有导角的的矩形波导口(702)与连接波导2(8)的一个矩形波导口连接，连接波导2(8)的另一个矩形波导口与阶梯阻抗调节块3(9)的第二侧面(904)及直臂波导2(2)的另一个宽面组成的平面连接；
信号输入或输出总口(15)为直臂矩形波导，一端为矩形波导口面(1501)，作为极化跟踪器的端口3，另一端为矩形波导口面(1502)，信号从信号输入或输出总口(15)的矩形波导口面(1501)进入或输出；信号输入(或输出)总口(15)作为第四中空腔体，信号输入或输出总口(15)腔体外部有一定厚度的金属外壁，第四中空腔体通过介质螺套(13)与第二中空腔体相连；
旋转转子(12)为直径小于2mm的金属实体柱状体，旋转转子(12)包括直线形的转柄部分(1201)和U形的弯钩部分，直线形的转柄部分包括第一直线形的转柄(1201)和第二直线形的转柄(1202)，U形的弯钩部分包括第一直线段(1203)、第二直线段(1204)、第三直线段(1205)；
第一直线形的转柄(1201)的一端与第二直线形的转柄(1202)的一端连接；第二直线形的转柄(1202)的另一端连接U形的弯钩部分的第一直线段(1203)的一端，U形的弯钩部分的第一直线段(1203)的另一端连接U形的弯钩部分的第二直线段(1204)的一端，U形的弯钩部分的第二直线段(1204)的另一端连接U形的弯钩部分的第三直线段(1205)的一端，U形的弯钩部分的第三直线段(1205)的另一端为自由端；直线形的转柄部分的第二直线形的转柄(1202)与U形的弯钩部分的第一直线段(1203)呈90度角，U形的弯钩部分的第一直线段(1203)与U形的弯钩部分的第二直线段(1204)呈90度角，U形的弯钩部分的第二直线段(1204)与U形的弯钩部分的第三直线段(1205)呈90度角，且旋转转子(12)包括直线形的转柄部分(1201)和U形的弯钩部分在一个平面内；
旋转转子(12)的第一直线形的转柄(1201)嵌套在介质螺套(13)内，旋转转子(12)的第一直线形的转柄(1201)和旋转转子(12)的第二直线形的转柄(1202)与圆形波导(11)的中轴线重合；
旋转转子(12)的U形的弯钩部分的第一直线段(1203)、旋转转子(12)的U形的弯钩部分的第二直线段(1204)和旋转转子(12)的U形的弯钩部分的第三直线段(1205)插入圆形波导(11)的腔体内；
介质螺套(13)的一端(1301)固定在电机(14)中，介质螺套(13)的中间部分穿过直臂波导(15)，介质螺套(13)另一端(1302)与旋转转子(12)的第一直线形的转柄(1201)相连接共同嵌套在圆形波导(11)的腔体内；
若作为发射极化跟踪器：根据需要的卫星信号的极化角度，电机(14)带动极化跟踪器中的旋转转子(12)旋转到与卫星信号相同的极化角度，信号输入或输出总口(15)接收从卫星上传送过来的信号，穿过介质螺套(13)到达旋转转子(12)，信号开始在圆形波导(11)中进行传输，到达耦合针时分为第一部分信号和第二部分信号，第一部分信号依次经过圆形波导(11)、矩圆过渡(3)和直臂波导1(1)组成的第一中空腔体到达直臂波导1(1)的(101)波导口；第二部分信号通过耦合针电磁耦合依次进入第三中空腔体、第二中空腔体后，到达直臂波导2(2)的第一面(201)；到达直臂波导1(1)的(101)波导口的第一部分信号和到达直臂波导2(2)的第一面(201)的第二部分信号幅度相等，且相位相差为0°，完成极化跟踪；
若作为接收极化跟踪器，极化跟踪器从卫星上接收到两路信号，分别同时进入端口1和端口2，进入端口2的信号经过耦合缝(6)的耦合与进入端口1的信号共同合成一路总信号，然后通过电机调整旋转转子(12)的角度控制合成信号的能量，即设定旋转转子(12)的初始位置为U形的弯钩部分的第三直线段(1205)与直臂波导1(1)的波导口面(101)的窄边平行，旋转转子(12)从初始位置转动α角，α为0度或180度时，合成后的总信号为进入端口1的信号，合成信号的能量为Eθ1，进入端口2的信号被隔离；α为90度或270度时，合成后的总信号为进入端口2的信号，合成信号的能量为Eθ2，进入端口1的信号被隔离；α大于0度且小于90度或者α大于90度小于180度时或者α大于180度小于270度时或者α大于270度小于360度时，合成后的总信号为进入端口1的信号和进入端口2的信号的合成信号，合成信号的能量为Eθ1cosα+Eθ2sinα，Eθ1为进入端口1的信号的能量，Eθ2为进入端口1的信号的能量，完成极化合成。
2.根据权利要求1所述的一种新型极化跟踪器，其特征在于：所述耦合针(6)为圆柱形，在圆形波导(11)内距离圆形波导第一面(1101)41.7mm处设置一个垂直于直臂波导1(1)窄边的耦合针(6)，耦合缝(6)的圆柱形截面半径为0.8mm。
3.根据权利要求1所述的一种新型极化跟踪器，其特征在于：旋转转子(12)的U形的弯钩部分的第一直线段(1203)、旋转转子(12)的U形的弯钩部分的第二直线段(1204)(1204)和旋转转子(12)的U形的弯钩部分的第三直线段(1205)(1205)各部分的总长度之和为λ/2～λ。
4.根据权利要求1所述的一种新型极化跟踪器，其特征在于：信号输入或输出总口(15)的一矩形波导口面(1501)距离信号输入或输出总口(15)的另一矩形波导口面(1502)为30mm，信号输入或输出总口(15)的一矩形波导口面(1501)距离介质螺套(13)的中轴心20.6mm；另一端为矩形波导口面(1502)，信号从信号输入或输出总口(15)的矩形波导口面(1501)进入或输出。
5.根据权利要求1所述的一种新型极化跟踪器，其特征在于：直臂波导1(1)的矩形波导口面(101)与另一矩形波导口面(102)均为标准波导端口，宽边为15.8mm，窄边为7.9mm，直臂波导2(2)的第一面(201)矩形波导口也为标准波导端口，宽边为15.8mm,窄边为7.9mm，信号输入或输出总口(15)的一矩形波导口面(1501)与另一矩形波导口面(1502)也均为标准波导端口，宽边为15.8mm，窄边为7.9mm。
6.根据权利要求1所述的一种新型极化跟踪器，其特征在于：矩圆过渡(3)总长为11mm。
7.根据权利要求1所述的一种新型极化跟踪器，其特征在于：圆形波导(11)为半径为7.5mm的标准圆波导，圆波导的第一面与第二面之间的传输部分的总长度为63.2mm。
8.根据权利要求1所述的一种新型极化跟踪器，其特征在于：连接波导1(7)与波导2(8)的连接口面均为标准波导口面，宽边为15.8mm，窄边为7.9mm，连接波导1(7)的设有导角的矩形波导口(701)与设有导角的矩形波导口(702)导半径为3.5mm。
9.根据权利要求1所述的一种新型极化跟踪器，其特征在于：梯形阻抗调节块1(4)低于直臂波导2(2)的下平面，即厚度为1.6mm；梯形阻抗调节块(5)低于直臂波导2(2)的下平面3.2mm。
10.根据权利要求1所述的一种新型极化跟踪器，其特征在于：介质螺套(13)为介电常数2.2的聚四氟乙烯，半径为1.7mm。
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