CN106450638B - 一种紧凑型正交模耦合器 - Google Patents

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    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port

Abstract

本发明公开了一种紧凑型正交模耦合器，由三端口波导腔体和圆柱阶梯匹配块构成，所述三端口波导腔体由公共圆柱波导，圆柱形耦合腔和两个正交的矩形波导组成。所述圆柱阶梯匹配块包括三级阶梯，位于三端口波导腔体内部，最底层台阶与圆柱形耦合腔连接，所述公共圆柱波导、圆柱形耦合腔和圆柱阶梯匹配块三者同心。本发明所述紧凑型正交模耦合器的有益效果在于，结构简单，便于加工，在13.75GHz～14.5GHz的频带内，端口驻波均小于1.2，两个正交端口隔离度大于28dB。有别于传统正交模耦合器的最大特点是，本发明所述紧凑型正交模耦合器实现了微波信号在工作频带内由公共圆波导端口到两个正交矩形波导端口的等相位传输，适合应用于对相位有严格要求的微波网络工程中。

Description

一种紧凑型正交模耦合器
技术领域
本发明涉及卫星通信天线技术领域中的一种正交模耦合器，具体涉及一种结构紧凑、用于实现微波信号在工作频带内由公共圆波导端口到两个正交矩形波导端口的等相位传输的正交模耦合器。
背景技术
正交模耦合器，简称OMT，又称极化双工器，是卫星通信天线系统中常用的一种基本元器件。正交模耦合器的作用是鉴别公共端口上两个正交主模的独立信号并将它们提供给单一信号端口的基模，使所有电气端口匹配良好并且在两个独立信号端口之间具有高的交叉极化鉴别能力，所以对于正交模耦合器来说，工作带宽、端口驻波和隔离度是关键技术指标。经过五六十年的发展，对于正交模耦合器的研究已相当深入，发表的相关文献、公开的专利也恒河沙数，总结相关研究结果可以发现，过往设计师关注的重点和创新点主要集中在以下几个方面：更高的频段、更宽的工作带宽、免调试能力等，而对于如何实现微波信号在工作频带内由公共端口到两个独立正交信号端口之间的等相位传输问题却鲜有研究。
中国专利申请号为201210051767.8，名称为《一种毫米波段宽带正交模耦合器》，以及中国专利申请号为201310246948.0，名称为《一种正交模耦合器》，两份专利分别公布了两种正交模耦合器，虽然结构形式上存在差异，但是本质上都是传统设计理念上，实现了“更高的频段、更宽的工作带宽、免调试能力”，而公共端口和两个独立正交信号端口之间的传输相位差值较大，显然无法实现等相位能力。中国专利申请号为201510651291.5，名称为《Ka宽频带正交模耦合器》的专利，公布了一种工作于Ka频段的宽频带正交模耦合器，虽然作者没有关注等相位传输问题，但是基于结构上的对称性，这一正交模耦合器理论上能够实现微波信号在工作频带内由公共端口到两个独立正交信号端口之间的等相位传输，但是这一种正交模耦合器包含元器件太多，结构复杂，体积较大且加工制造有一定难度，不适合应用于特定小尺寸场合。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术的不足，提供一种紧凑型正交模耦合器，在13.75GHz～14.5GHz的工作带宽内，结构紧凑，体积小，端口驻波、隔离度等电气性能良好，关键实现微波信号在工作频带内由公共端口到两个独立正交信号端口之间的等相位传输这一特殊功能。同时，本发明所涉及紧凑型正交模耦合器可通过等比缩放，应用于其他频段。
本发明的目的是这样实现的：
一种紧凑型正交模耦合器，由三端口波导腔体1和圆柱阶梯匹配块2构成；所述的三端口波导腔体1由公共圆柱波导11、圆柱形耦合腔12、第一矩形波导13和第二矩形波导14组成；圆柱形耦合腔12、第一矩形波导13和第二矩形波导14的高度相同且下表面共面，第一矩形波导13的一个端口与圆柱形耦合腔12的一个端口相连接，第二矩形波导14的一个端口与圆柱形耦合腔12的另一个端口相连接，第一矩形波导13和第二矩形波导14相垂直；公共圆柱波导11的一个端口与圆柱形耦合腔12、第一矩形波导13和第二矩形波导14形成的结构的上表面相连接且在表面内，公共圆柱波导11的直径小于圆柱形耦合腔12的直径；所述的圆柱阶梯匹配块2的阶梯至少为两级且为同心圆柱，设置于三端口波导腔体1内，最底层阶梯与三端口波导腔体1的底面相连接；公共圆柱波导11、圆柱形耦合腔12和圆柱阶梯匹配块2三者同心。
其中，紧凑型正交模耦合器的工作频带为：13.75GHz～14.5GHz，通过等比缩放适用于其他频带。
其中，圆柱阶梯匹配块2的阶梯直径从最底层往上依次减小。
其中，三端口波导腔体1和圆柱阶梯匹配块2的材质为金属。
其中，第一矩形波导13和第二矩形波导14均为执行标准GB 11450.2-89的标准矩形波导。
其中，三端口波导腔体1的公共圆柱波导11的端口A为公共端口，第一矩形波导13的端口B和第二矩形波导14C的端口为独立正交信号端口。
本发明与背景技术相比的优点为：
本发明具有结构简单、加工方便、尺寸小、精度高、电气性能优异等优点，并且实现了微波信号在工作频带内由公共端口到两个独立正交信号端口之间的等相位传输这一特殊功能这一特殊设计要求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的公共端口A方向的结构示意图。
图3是本发明的端口B方向的结构示意图。
图4是本发明的三端口波导腔体1的结构示意图。
图5是本发明的驻波图。
图6是本发明的端口隔离度图。
图7是本发明的传输相位图。
具体实施方式
现结合图1到图7对本发明作具体说明。如图1所示，一种紧凑型正交模耦合器，由三端口波导腔体1和圆柱阶梯匹配块2构成；如图4所示，三端口波导腔体1由公共圆柱波导11、圆柱形耦合腔12、第一矩形波导13和第二矩形波导14组成；圆柱形耦合腔12、第一矩形波导13和第二矩形波导14的高度相同且下表面共面，第一矩形波导13的一个端口与圆柱形耦合腔12的一个端口相连接，第二矩形波导14的一个端口与圆柱形耦合腔12的另一个端口相连接，第一矩形波导13和第二矩形波导14相垂直；公共圆柱波导11的一个端口与圆柱形耦合腔12、第一矩形波导13和第二矩形波导14形成的结构的上表面相连接且在表面内，公共圆柱波导11的直径小于圆柱形耦合腔12的直径；所述的圆柱阶梯匹配块2的阶梯至少为两级且为同心圆柱，设置于三端口波导腔体1内。
如图2和图3，从公共端口A方向和端口B方向看去，圆柱阶梯匹配块2的阶梯直径从最底层往上依次减小；最底层阶梯与三端口波导腔体1的底面相连接；公共圆柱波导11、圆柱形耦合腔12和圆柱阶梯匹配块2三者同心。
本发明的工作频带为：13.75GHz～14.5GHz，也可通过等比缩放，适用于其他频带。三端口波导腔体1和圆柱阶梯匹配块2的材质为金属。两个正交的矩形波导13均为执行标准GB 11450.2-89的标准矩形波导。三端口波导腔体1的端口A为公共端口，端口B和端口C为独立正交信号端口。
根据上述一种紧凑型正交模耦合器的设计方法，设计了工作于卫星通信扩展Ku发射频段13.75GHz～14.5GHz的正交模耦合器，其中，三端口波导腔体1的公共圆波导11的直径为15mm，圆柱形耦合腔12的直径为18.96mm，高度为7.9mm，两个正交的矩形波导13均为执行标准GB 11450.2-89的标准BJ140矩形波导，波导口径为15.8mm×7.9mm。圆柱阶梯匹配块2为3级阶梯结构，第一级阶梯、第二级阶梯和第三级阶梯的直径和高度尺寸分别为：13.62mm×1.87mm，10.24mm×2.52mm和3.04mm×6.43mm。按照上述设计尺寸进行计算机仿真，在13.75GHz～14.5GHz工作带宽内，公共端口驻波优于1.20，隔离度大于28dB，传输相位差小于0.1°，满足工程应用需求。
图5、图6、图7分别是端口驻波、隔离度和相位仿真结果图，在13.75GHz～14.5GHz的频带内，各项性能指标均相当优秀，满足工程使用要求。
本发明的工作原理是：
根据正交模耦合器的工作原理可知，当信号由三端口波导腔体1的公共端口A输入时，通过圆柱形耦合腔12的耦合和短路作用，在两个端口B、端口C完成两个正交极化信号的鉴别，圆柱阶梯匹配块2的作用是实现工作带宽内的阻抗匹配，以便端口驻波满足使用要求，因为信号从公共端口A传输到端口B所走路径与从公共端口A传输到端口C所走路径长度相同，因此可以实现微波信号在工作频带内由公共端口到两个独立正交信号端口之间的等相位传输这一特殊功能。
本领域内的技术人员可以意思到，上述具体实施方式是为方便读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的具体实施例，本领域的技术人员依据本发明公开技术的启示所做各种不脱离本发明实质的各种变形或者缩放，这些变形或缩放仍在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种紧凑型正交模耦合器，其特征在于，由三端口波导腔体(1)和圆柱阶梯匹配块(2)构成；所述的三端口波导腔体(1)由公共圆柱波导(11)、圆柱形耦合腔(12)、第一矩形波导(13)和第二矩形波导(14)组成；圆柱形耦合腔(12)、第一矩形波导(13)和第二矩形波导(14)的高度相同且上、下表面均共面，第一矩形波导(13)的一个端口与圆柱形耦合腔(12)的一个端口相连接，第二矩形波导(14)的一个端口与圆柱形耦合腔(12)的另一个端口相连接，第一矩形波导(13)和第二矩形波导(14)的波导端口长边相垂直；公共圆柱波导(11)的一个端口与圆柱形耦合腔(12)、第一矩形波导(13)和第二矩形波导(14)形成的结构的上表面相连接且在表面内，公共圆柱波导(11)的直径小于圆柱形耦合腔(12)的直径；所述的圆柱阶梯匹配块(2)的阶梯至少为两级且为同心圆柱，设置于三端口波导腔体(1)内，最底层阶梯与三端口波导腔体(1)的底面相连接；公共圆柱波导(11)、圆柱形耦合腔(12)、圆柱阶梯匹配块(2)三者同心；所述的公共圆柱波导(11)、圆柱形耦合腔(12)、圆柱阶梯匹配块(2)、第一矩形波导(13)和第二矩形波导(14)整体组成一个轴对称结构，第一矩形波导(13)和第二矩形波导(14)端口到公共圆柱波导(11)的电长度相同。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型正交模耦合器，其特征在于，紧凑型正交模耦合器的工作频带为：13.75GHz～14.5GHz，通过等比缩放适用于其他频带。
3.根据权利要求1所述的一种紧凑型正交模耦合器，其特征在于，圆柱阶梯匹配块(2)的阶梯直径从最底层往上依次减小。
4.根据权利要求1所述的一种紧凑型正交模耦合器，其特征在于，三端口波导腔体(1)和圆柱阶梯匹配块(2)的材质为金属。
5.根据权利要求1所述的一种紧凑型正交模耦合器，其特征在于，第一矩形波导(13)和第二矩形波导(14)均为执行标准GB11450.2-89的标准矩形波导。
6.根据权利要求1所述的一种紧凑型正交模耦合器，其特征在于，三端口波导腔体(1)的公共圆柱波导(11)的端口A为公共端口，第一矩形波导(13)的端口B和第二矩形波导(14)的端口C为独立正交信号端口。
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