CN105186085A - Ka宽频带圆极化四端口微波网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ka频段的宽带圆极化四端口微波网络，能够在Ka频段反射面天线同时收发圆极化信号，主要实现对圆极化信号的合成，以及收发信号的高程度隔离。包括两个频率双工器、低频波导电桥和高频波导电桥、Ka宽带正交模耦合器，Ka宽带正交模耦合器的两个波导出口各接一频率双工器，两个频率双工器的直通口分别与低频波导电桥的两个波导口一一对应的相接通，两个频率双工器的侧壁支路的出口分别与高频波导电桥的两个波导口一一对应的相接通。该Ka频段宽带圆极化四端口微波网络具有超宽带、高隔离度、损耗小、驻波比小、功率容量大的优良特性。能够满足几乎所有Ka卫星通信收发共用圆极化天线对微波网络设计的需求，具有很高的应用价值。

Description

Ka宽频带圆极化四端口微波网络

技术领域

本发明涉及卫星通信领域中的一种Ka宽频带圆极化四端口微波网络，能够满足几乎所有Ka频段卫通收发共用天线对微波网络的设计需求。

背景技术

新世纪以来，日新月异的卫星通信技术，要求微波技术随之不断进步。期间，全球不断激烈的通信资源竞争，催生了通信技术特别是天线技术向多频、高频、宽带、超宽带、收发共用方面发展。而宽频带微波网络的成功设计是宽带天线的设计前提，Ka四端口微波网络相比较于两端口网络，具有收发共用功能，通信容量加倍。对于四端口收发共用圆极化微波网络来说，其主要功能有3个，即极化分离、频率分离和圆极化合成。从经验上谈，能够实现收发共用四端口形式的主要有以下几个方式：

第一，采用波导分波器侧壁耦合低端频率，高端频率直通的形式，侧壁需添加低通滤波器，直通口视情况添加高通滤波器，并连接正交器实现极化分离。这是比较常见的形式，能够实现频率和极化同时分离，主要的缺点是分波器设计难度很大，尤其收发频率间隔较小，另外高次模抑制较难，分波器过渡段加工工艺复杂，整体微波网络架构较大，设计较为臃肿，缺乏美感。

第二，采用波导分波器侧壁耦合高频频率，低频频率直通输出形式，侧壁添加高通滤波器，直通口添加低通滤波器。其工作原理和存在的问题与上一种形式类似，但形式上会更加紧凑，带宽更大。

第三，采用正交极化与收发频率逐次分离的方式。该方式相比较于上面两种，形式美观，结构紧凑，零部件设计加工容易，具有很高的应用前景，但传统设计的四端口网络多为非对称结构，不利于圆极化功能的实现。

发明内容

本发明为解决目前的微波网络设计臃肿带宽较窄不利于圆极化功能实现的问题，而提供了一种能够实现同时收发圆极化信号的Ka频段宽带四端口微波网络，以实现超宽带、低轴比、高隔离度、损耗小、驻波比小、功率容量大、加工容易等优点。

本发明的技术方案是这样实现的：

Ka宽频带圆极化四端口微波网络，包括两个频率双工器2、低频波导电桥3和高频波导电桥4，其还包括，输出口平行且等相的Ka宽带正交模耦合器1，Ka宽带正交模耦合器1的两个波导出口各接一频率双工器2，两个宽带频率双工器2关于Ka宽带正交模耦合器1的两个波导出口的对称面成镜像分布，两个频率双工器的直通口分别与低频波导电桥的两个波导口一一对应的相接通，两个频率双工器的侧壁支路的出口分别与高频波导电桥的两个波导口一一对应的相接通，所述的低频波导电桥3和高频波导电桥4的对称面与Ka宽带正交模耦合器1的两个波导出口的对称面相垂直。

进一步的，还包括微波网络支架，该网络支架由相对平行设置的前盘71、后盘72和在前、后盘71、72之间设有的多根平行的支杆组成，所述的Ka宽带正交模耦合器1的公共口嵌入前盘71预留的圆口内，所述的低频波导电桥3和高频波导电桥4的波导出口都嵌入在后盘72相应的矩形口中，所述的两个频率双工器2、低频波导电桥3和高频波导电桥4通过各自外表面中心螺孔与加强支杆73表面和侧棱上的螺孔相连。

进一步的，所述的频率双工器2由T型分波头、高频阶梯过渡、低频阶梯过渡、弯波导和低通滤波器组成，所述的T型分波头为一分二的三端口结构，T型头中心设有锥形匹配块，其中偏离锥形匹配块较远的直通口为公共口，另一直通口与低通滤波器、低频阶梯过渡形依次相接形成低频支路，T型分波头的侧壁通过开口磁耦合方式连接高频阶梯过渡及弯波导形成高频支路形成高频支路。

进一步的，低频波导电桥3的两个输入口的间距和高频波导电桥4的两个输入口的间距相等，二者的波导电桥中心耦合区域均为阶梯渐变耦合对称结构。

进一步的，所述的低频波导电桥3为BJ220宽带3dB90°波导电桥；所述的高频波导电桥4为BJ260宽带3dB90°波导电桥。

进一步的，所述的Ka宽带正交模耦合器1包括十字分波头11，所述的十字分波头11的四个波导出口上都接一等相弯波导12，其中处于同一直线方向上的的两个波导出口上所接的两个等相弯波导12成对称关系，每对成对称关系的两个等相弯波导12的波导口都汇聚到一T型合成头13上，在其中一个T型合成头13上接有45°顺扭波导15，在另一个T型合成头13上接有45°逆扭波导14，所述的45°顺扭波导15和45°逆扭波导14的波导口位于同一平面内。

进一步的，所述的十字分波头11由上下相叠经定位焊接而固定的圆波导16和阻抗匹配块17组成，在阻抗匹配块17的中央设有方形匹配块台阶，所述的阻抗匹配块17的方形匹配块台阶的对称轴与圆波导16的波导腔的中轴线相重合。

进一步的，所述的圆波导16底部的四个支路相交叉的位置处倒有切角。

本发明与背景技术相比具有如下优点：

1、本发明摒弃了以往利于分波器同时分离极化和频率的工作方式，采用先用宽带正交模耦合器分离极化，再用频率双工器分离频率的方式工作，工作机理清晰，结构简单，易于加工和装配，外形美观，适宜批量生产和工程应用；

2、本发明中宽带正交模耦合器电气结构和物理结构完全对称，在连接频率双工器后能够保证微波信号等相输出，有利于后续微波器件和圆极化波的合成；

3、本发明中宽带正交模耦合器为Ka全频带设计，通过设计对应特定频率的频率双工器和3dB电桥，能够实现不同的频率组合。且值得注意的是当去掉两个3dB电桥后，该四端口网络就变成完整的线极化四端口网络。

4、由于各器件的结构对称性和工作机理，本发明可以实现收发频率四端口信号同时收发共用功能；

5、本发明电气指标优良，具有低轴比，超宽带特性，低驻波，低插入损耗、高隔离的特性；

6、本发明原理简单、结构美观、设计简便、易于加工，能够满足几乎所有Ka通信圆极化天线的设计需求。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明中宽频带正交模耦合器的结构示意图；

图3是本发明中十字分波头的结构示意图；

图4是宽频带频率双工器的正视图；

图5是图4中宽频带频率双工器A-A处截面剖示图；

图6是本发明中低频波导电桥的正视图；

图7是图6中低频波导电桥B-B处截面剖示图；

图8是本发明中微波网络支架结构示意图；

图9是本发明中微波网络加强支杆的示意图；

附图标记说明：Ka宽带正交模耦合器1、频率双工器2、低频波导电桥3、高频波导电桥4、第一直波导5、第二直波导6、微波网络支架7、十字分波头11、等相弯波导弯12、T型合成头13、45°顺扭波导14、45°逆扭波导15、圆波导16、阻抗匹配块17、前盘71、后盘72、加强支杆73。

具体实施方式

以下结合附图1～图9对本发明做进一步说明：

如图1所示，Ka宽频带圆极化四端口微波网络，包括两个频率双工器2、低频波导电桥3和高频波导电桥4、微波网络支架7和输出口平行且等相的Ka宽带正交模耦合器1，所述的微波网络支架7由相对平行设置的前盘71、后盘72和在前、后盘71、72之间设有的多根平行的支杆组成，所述的Ka宽带正交模耦合器1与前盘71相连，Ka宽带正交模耦合器1的公共口嵌入前盘71预留的圆口内，所述的低频波导电桥3和高频波导电桥4与后盘72相连，低频波导电桥3和高频波导电桥4的波导出口都嵌入在后盘72的相应的矩形口中。所述的两个频率双工器2的外表面中心螺孔各自与对应的加强支杆73小型平面中心螺孔相连，所述的低频波导电桥3和高频波导电桥4的波导出口都嵌入在后盘72相应的矩形口中，两个加强支杆73通过侧棱上的螺孔、低频波导电桥和高频波导电桥外表面中心的螺孔将3种器件固装在一起。

如图2所示，所述的Ka宽带正交模耦合器1包括十字分波头11，所述的十字分波头11的四个波导出口上都接一等相弯波导12，其中处于同一直线方向上的两个波导出口上所接的两个等相弯波导12成对称关系，每对成对称关系的两个等相弯波导12的波导口都汇聚到一T型合成头13上。而T型合成头13下接的两个45°扭波导矩形波导出口方向一致，当沿圆波导16波导口法线方向正视宽带正交模耦合器时，若两个扭波导处于圆波导的下方且波导出口宽边恰沿水平线方向放置，则圆波导左下方的扭波导为45°逆扭波导，圆波导右下方的扭波导为45°顺扭波导。

如图3所示，所述的十字分波头11由上下相叠经定位焊接而固定的圆波导16和阻抗匹配块17组成，在阻抗匹配块17的中央设有方形匹配块台阶，所述的阻抗匹配块17的方形匹配块台阶的对称轴与圆波导16的波导腔的中轴线相重合，所述的圆波导16底部的四个支路相交叉的位置处倒有切角。

如图4、图5所示，所述的频率双工器(2)由T型分波头、高频阶梯过渡、低频阶梯过渡、弯波导和低通滤波器组成，所述的T型分波头为一分二的三端口结构，T型头中心设有锥形匹配块，其中偏离锥形匹配块较远的直通口为公共口，另一直通口与低通滤波器、低频阶梯过渡形依次相接形成低频支路，T型分波头的侧壁通过开口磁耦合方式连接高频阶梯过渡及弯波导形成高频支路形成高频支路。

如图6、图7所示，所述的低频波导电桥3的两个输入口的间距和高频波导电桥4的两个输入口的间距相等，二者的波导电桥中心耦合区域均为阶梯渐变耦合对称结构。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，所述的Ka宽带正交模耦合器1的45°顺扭波导14和45°逆扭波导15的波导出口各接有一频率双工器2，两个宽带频率双工器2外表面中心螺孔固定在微波网络支架7的加强支杆上，两个宽带频率双工器2关于Ka宽带正交模耦合器1的两个波导出口的对称面成镜像分布。其中一个频率双工器2的直通口通过第一直波导5接通到低频波导电桥3的波导口上，该频率双工器2的侧壁出口通过第二直波导6接通到高频波导电桥4的波导口上；另一个频率双工器2的直通口也通过第一直波导5接通到低频波导电桥3的波导口上，此频率双工器2的侧壁出口通过第二直波导6接通到高频波导电桥4的波导口上。所述的低频波导电桥3和高频波导电桥4的对称面与Ka宽带正交模耦合器1的两个波导出口的对称面相垂直。

所述的低频波导电桥3为BJ220宽带3dB90°波导电桥；所述的高频波导电桥4为BJ260宽带3dB90°波导电桥。

所述的宽带收发共用圆极化网络，相对带宽达到54％，其电气结构和物理结构完全对称，且值得注意的是当去除低频波导电桥BJ220宽带3dB波导电桥3和高频波导电桥BJ260宽带3dB波导电桥4后便为完整的线极化四端口收发共用微波网络。

所述的各个零部件通过阴阳法兰加密封圈的螺连方式保证宽带正交模耦合器的气密性设计。

以下结合图1～图9对本发明的使用机理进行说明：

当馈源接收到垂直水平极化波TE11模通过Ka宽带正交器1时，首先经十字分波头11将垂直或水平极化波能量等分为2部分，进入对应的垂直极化或水平极化支路即4个等相弯波导12，电磁波由圆波导的主模TE11模变为矩形波导中的TE10模，然后在对应的T型合成头13位置实现2部分能量的重新合二为一，最后通过45°顺扭波导14或45°逆扭波导15实现垂直极化波和水平极化波极化方向的一致。继而，两路正交极化信号各自与一宽带频率双工器2相连接将同极化的高频和低频信号分离。最终，从两个宽带频率双工器2分离出来的低频信号经过低频3dB波导电桥(3)合成左旋(右旋)圆极化信号，高频信号经过高频3dB波导电桥(4)合成左旋(右旋)圆极化信号。

具体的，重新合二为一的两路正交信号各自到达宽带频率双工器2后将同一个极化的收发频率信号实现高纯度分离。频率双工器2的直通口包含一皱折低通滤波器，该滤波器通过调整齿腔的数目保证对发射频率的抑制度要求，我们设计的结果为齿腔数为9，对高频抑制度优于60dB，出口通过3级阶梯匹配过渡到标准BJ220波导口。侧壁为高频耦合支路，为了驻波匹配良好，侧壁支路采用5级阶梯过渡使得高频耦合出口过渡到BJ260标准波导口尺寸。在该频率双工耦合T型结构部位，我们设计了锥形匹配单元，事实证明该结构的添加对于低频和高频支路的匹配有着至关重要的作用。由图5可知，该种一体化设计模型易于加工，结构美观紧凑，一致性较好。

所述的BJ220(BJ260)宽带3dB波导电桥34结构如图6、图7所示，加工方式与频率双工器2类似，易于加工，保证了波导电桥的加工一致性。由于电桥设计带宽较大，在电桥中心耦合段采用特制多级阶梯渐变耦合结构。从电气上考虑，电桥为四端口对称结构，从其中任一端口输入的微波信号，在中心区域会由于耦合部分波导腔体宽度突然加大，激励起TE20模，由设计理论可知，通过合理配置耦合段长度L，可以使得电磁波传输到耦合段末端时，TE10模和TE20模的传输相差为90°，此时输入信号对立面的两个端口输出电场强度相等，均为-3dB，且相差为90°，众所周知两路等幅相差90°的信号合成就可以形成圆极化波，同理，反过来3dB电桥也可以将馈源接收的圆极化波分解成两路正交的线极化信号。

所述的2个BJ220标准直波导5和2个BJ260标准直波导6为经过打孔的可调波导，如图1所示，他们的存在可以尽可能的提升该四端口微波网络的综合电测结果。

所述的Ka圆极化四端口微波网络支架7如图8所示，在传统微波网络支架设计的基础之上，我们增添了2根支杆73的设计。值得注意的是，这两根支杆73能够将2个3dB波导电桥34和2个频率双工器2很好的固定在一起，保证了联试初期，尤其是四端口网络未装配其他网络支杆和盘子时的结构强度。

Claims (8)

1.Ka宽频带圆极化四端口微波网络，包括两个频率双工器(2)、低频波导电桥(3)和高频波导电桥(4)其特征在于：还包括输出口平行且等相的Ka宽带正交模耦合器(1)，Ka宽带正交模耦合器(1)的两个波导出口各接一频率双工器(2)，两个宽带频率双工器(2)关于Ka宽带正交模耦合器(1)的两个波导出口的对称面成镜像分布，两个频率双工器的直通口分别与低频波导电桥的两个波导口一一对应的相接通，两个频率双工器的侧壁支路的出口分别与高频波导电桥的两个波导口一一对应的相接通，所述的低频波导电桥(3)和高频波导电桥(4)的对称面与Ka宽带正交模耦合器(1)的两个波导出口的对称面相垂直。

2.根据权利要求1所述的Ka宽频带圆极化四端口微波网络，其特征在于：还包括微波网络支架(7)，该网络支架由相对平行设置的前盘(71)、后盘(72)和在前、后盘(71、72)之间设有的多根平行的支杆组成，所述的Ka宽带正交模耦合器(1)的公共口嵌入前盘(71)预留的圆口内，所述的低频波导电桥(3)和高频波导电桥(4)的波导出口都嵌入在后盘(72)相应的矩形口中，所述的两个频率双工器(2)、低频波导电桥(3)和高频波导电桥(4)通过各自外表面中心螺孔与加强支杆(73)表面和侧棱上的螺孔相连。

3.根据权利要求1所述的Ka宽频带圆极化四端口微波网络，其特征在于：所述的频率双工器(2)由T型分波头、高频阶梯过渡、低频阶梯过渡、弯波导和低通滤波器组成，所述的T型分波头为一分二的三端口结构，T型头中心设有锥形匹配块，其中偏离锥形匹配块较远的直通口为公共口，另一直通口与低通滤波器、低频阶梯过渡形依次相接形成低频支路，T型分波头的侧壁通过开口磁耦合方式连接高频阶梯过渡及弯波导形成高频支路形成高频支路。

4.根据权利要求1所述的Ka宽频带圆极化四端口微波网络，其特征在于：低频波导电桥(3)的两个输入口的间距和高频波导电桥(4)的两个输入口的间距相等，二者的波导电桥中心耦合区域均为阶梯渐变耦合对称结构。

5.根据权利要求1所述的Ka宽频带圆极化四端口微波网络，其特征在于：所述的低频波导电桥(3)为BJ220宽带3dB90°波导电桥；所述的高频波导电桥(4)为BJ260宽带3dB90°波导电桥。

6.根据权利要求1所述的Ka宽频带圆极化四端口微波网络，其特征在于：所述的Ka宽带正交模耦合器(1)包括十字分波头(11)，所述的十字分波头(11)的四个波导出口上都接一等相弯波导(12)，其中处于同一直线方向上的的两个波导出口上所接的两个等相弯波导(12)成对称关系，每对成对称关系的两个等相弯波导(12)的波导口都汇聚到一T型合成头(13)上，在其中一个T型合成头(13)上接有45°顺扭波导(15)，在另一个T型合成头(13)上接有45°逆扭波导(14)，所述的45°顺扭波导(15)和45°逆扭波导(14)的波导口位于同一平面内。

7.根据权利要求6所述的Ka宽频带圆极化四端口微波网络，其特征在于：所述的十字分波头(11)由上下相叠经定位焊接而固定的圆波导(16)和阻抗匹配块(17)组成，在阻抗匹配块(17)的中央设有方形匹配块台阶，所述的阻抗匹配块(17)的方形匹配块台阶的对称轴与圆波导(16)的波导腔的中轴线相重合。

8.根据权利要求7所述的Ka宽频带圆极化四端口微波网络，其特征在于：所述的圆波导(16)底部的四个支路相交叉的位置处倒有切角。