CN107959098A - 一种截顶圆锥匹配的同轴波导正交模耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种截顶圆锥匹配的同轴波导正交模耦合器，属于无线通信技术领域。其包括十字转门接头和两组功率合成/分配管路，十字转门接头的阻抗匹配结构为位于同轴波导结构内导体末端的金属圆台结构，金属圆台结构与同轴波导结构共轴且金属圆台结构的顶面直径大于同轴波导结构内导体金属的直径，金属圆台结构的底面与四个矩形耦合波导的底面相连。本发明电性能优异，加工简单，可以在将近一个倍频内实现等相极化分离，驻波、隔离、插损等指标优异，可以使用在L/S/C、C/X/Ku、K/Ka/Q等频段三频共用天线系统，是对现有技术的一种重要改进。

Description

一种截顶圆锥匹配的同轴波导正交模耦合器

技术领域

本发明涉及无线通信、导航测控及射电天文技术领域，特别是指一种截顶圆锥匹配的同轴波导正交模耦合器。

背景技术

在导航测控、卫星通信等领域收发共用已经普遍使用，而且随着卫星频谱资源的增多，双频共用或多频共用天线可以在仅增加少量成本的情况下实现一个天线使用于两个甚至多个频段，尤其是天线口径较大时，这种方式能显著降低天线系统成本，同时减少土地使用面积，方便用户站址的布设。

此外，随着电磁仿真软件的日渐成熟以及同轴十字转门耦合器技术的发展，同轴十字转门耦合器耦合波导端口的可用带宽越来越宽，已经可以满足双频段使用的带宽要求，此外，由于同轴十字转门耦合器的同轴内导体中空，可以形成圆波导用于传输更高频段的信号，因此，可以方便地用于构筑三频共用馈源系统，并且结构简单、不须调试。

但是，现有技术中的三频共用馈源系统在带宽较宽时还存在电气性能不佳等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种截顶圆锥匹配的同轴波导正交模耦合器，其能够改善同轴波导正交模耦合器频带高端的匹配特性，从而扩展现有同轴波导正交模耦合器的可用带宽。

基于上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种截顶圆锥匹配的同轴波导正交模耦合器，其包括十字转门接头，所述十字转门接头包括同轴波导结构、阻抗匹配结构以及四个围绕所述同轴波导结构均匀分布的矩形耦合波导结构，所述同轴波导结构的内导体金属的中央具有用于形成圆波导的圆柱形通孔，每两个相间的矩形耦合波导结构之间设有一组位于所述十字转门接头下方的功率合成/分配管路，所述功率合成/分配管路包括一个三端口的功率合成/分配器和两条位于同一平面内且围成矩形的连接管路，所述功率合成/分配器包括一个直波导结构、一个耦合腔体以及两个镜面对称的90°E面弯波导结构，所述功率合成/分配器的直波导结构与所述十字转门接头的同轴波导结构的端口朝向相反，所述功率合成/分配器的直波导结构与所述十字转门接头的同轴波导结构的所在直线相互平行且相对于矩形管路的中心点对称，两组功率合成/分配管路中功率合成/分配器的耦合腔体到十字转门接头的同轴波导结构的垂直距离相等，所述连接管路的一端连接一个所述矩形耦合波导结构，另一端连接所述功率合成/分配器的一个弯波导结构，每条连接管路均由三条截面相同的直波导结构以及两个90°E面弯波导结构组成，两组功率合成/分配管路以十字转门接头的轴线为轴呈相差90°的旋转对称关系，且两组功率合成/分配管路在轴向管路段上具有长度差异从而使它们的径向管路段在交叉位置处错开；

所述阻抗匹配结构为位于同轴波导结构内导体末端的金属圆台结构，所述金属圆台结构与同轴波导结构共轴且金属圆台结构的顶面直径大于同轴波导结构内导体金属的直径，所述金属圆台结构的底面与四个矩形耦合波导的底面相连。

可选的，所述矩形耦合波导结构中波导的窄边长度与所述连接管路中波导的窄边长度相等，所述矩形耦合波导结构中波导的宽边长度等于或小于所述连接管路中波导的宽边长度。

可选的，所述连接管路为E面U型切角弯波导元件。

从上面的叙述可以看出，本发明的有益效果在于：

1、本发明在同轴波导的底部采用了一种特殊结构的阻抗匹配结构，这种阻抗匹配结构为一种顶面直径大于同轴波导结构内导体金属直径的金属圆台结构，为了区别于顶面直径等于同轴波导结构内导体金属直径的圆台结构，可以将这种结构称为截顶圆锥结构，相应的顶面直径等于同轴波导结构内导体金属直径的圆台结构则称作圆锥结构（或未截顶的圆锥结构），实质上，这两种阻抗匹配结构从外形上来看都是圆台形状，区别仅在于圆台顶面的大小，从这个角度看，本发明的“截顶圆锥结构”可看作是在普通的圆台结构基础上进行再截顶而得到的一种更优化的阻抗匹配结构。这种截顶圆锥的阻抗匹配结构扩展了同轴波导接头高频端带宽，这种结构虽然会使低频带宽有所缩减，但相比高频区展宽的带宽要小，而且可以通过优化其他参数进而展宽同轴波导正交模耦合器的高低端带宽，具有结构简单、效果显著的特点。

2、本发明提出了一种同轴十字转门接头宽带结构，该结构在频带内的回波损耗小于-15dB，比现有结构展宽50 MHz左右，同时，该十字转门耦合器驻波、插入损耗较小，端口隔离良好。

3、本发明正交模耦合器可以用于L/S/C频段的三频共用系统，同轴波导输出矩形波导端口回波损耗小于-15dB的带宽大于1.24 GHz～2.25GHz。

总之，本发明电性能优异，加工简单，可以在将近一个倍频内实现等相极化分离，驻波、隔离、插损等指标优异，可以使用在L/S/C、C/X/Ku、K/Ka/Q 等频段三频共用天线系统，是对现有技术的一种重要改进。

附图说明

为了更加清楚地描述本专利，下面提供一幅或多幅附图，这些附图旨在对本专利的背景技术、技术原理和/或某些具体实施方案做出辅助说明。需要注意的是，这些附图可以给出也可以不给出一些在本专利文字部分已有描述且属于本领域普通技术人员公知常识的具体细节；并且，因为本领域的普通技术人员完全可以结合本专利已公开的文字内容和/或附图内容，在不付出任何创造性劳动的情况下设计出更多的附图，因此下面这些附图可以涵盖也可以不涵盖本专利文字部分所叙述的所有技术方案。此外，这些附图的具体内涵需要结合本专利的文字内容予以确定，当本专利的文字内容与这些附图中的某个明显结构不相符时，需要结合本领域的公知常识以及本专利其他部分的叙述来综合判断到底是本专利的文字部分存在笔误，还是附图中存在绘制错误。特别地，以下附图均为示例性质的图片，并非旨在暗示本专利的保护范围，本领域的普通技术人员通过参考本专利所公开的文字内容和/或附图内容，可以在不付出任何创造性劳动的情况下设计出更多的附图，这些新附图所代表的技术方案依然在本专利的保护范围之内。

图1是本发明实施例中截顶圆锥匹配的同轴波导正交模耦合器的一种结构示意图；

图2是图1的右视图；

图3是图1的前视图；

图4是本发明实施例中截顶圆锥匹配的同轴波导正交模耦合器的一种仿真模型示意图，图中所示为波导腔的结构；

图5是图4的一种截面图，图5中的填充部分表示波导腔区域；

图6是本发明实施例中截顶圆锥匹配的同轴波导正交模耦合器一个矩形波导端口的驻波仿真比较图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员对本专利技术方案的理解，同时，为了使本专利的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，并使权利要求书的保护范围得到充分支持，下面以具体案例的形式对本专利的技术方案做出进一步的、更详细的说明。

如图1～5所示，一种截顶圆锥匹配的同轴波导正交模耦合器，包括同轴十字转门接头1、U形弯波导元件一2、U形弯波导元件二3、U形弯波导元件三4、U形弯波导元件四5、功率合成/分配器一6与功率合成/分配器二7，U形弯波导元件一2、U形弯波导元件二3、U形弯波导元件三4、U形弯波导元件四5均作为十字转门接头与功率合成/分配器之间的连接管路，U形弯波导元件一2、U形弯波导元件二3与功率合成/分配器一6连接，U形弯波导元件三4、U形弯波导元件四5与功率合成/分配器二7连接，两个U形弯波导元件围成一个矩形，而功率合成/分配器和同轴十字转门耦合器1的同轴波导结构1-1以相互错开的方式相对于矩形管路的中心点呈对称关系，功率合成/分配器一6与功率合成/分配器二7的耦合腔体到同轴十字转门接头1的垂直距离相等。

具体来说， U形弯波导元件一2、U形弯波导元件二3、U形弯波导元件三4、U形弯波导元件四5的内截面相同，且拐角处均为90°E面弯波导，U形弯波导元件一2垂直波导段2-2的中心到十字转门接头1同轴波导结构1-1的中心距离与U形弯波导元件二3垂直波导段3-2的中心到功率合成/分配器一6的中心距离相等，U形弯波导元件三4上波导段4-1的长度等于U形弯波导元件一2上波导段2-1的长度，U形弯波导元件三4下波导段4-3长度等于U形弯波导元件一2下波导段2-3长度，U形弯波导元件四5上波导段5-1长度等于U形弯波导元件二3上波导段3-1长度，U形弯波导元件四5下波导段5-3长度等于U形弯波导元件二3下波导段3-3长度，U形弯波导元件三4垂直波导段4-2中心到十字转门接头1同轴波导结构1-1中心的距离与U形弯波导元件四5垂直波导段5-2中心到功率合成/分配器二7中心的距离相等。

此外，功率合成/分配器一6由输出/输入直波导结构6-1、两个弯波导结构6-2以及耦合腔体6-3构成，功率合成/分配器二7由输出/输入直波导结构7-1、两个弯波导结构7-2以及耦合腔体7-3构成，输出/输入直波导结构6-1与输出/输入直波导结构7-1的截面尺寸和长度均相同，耦合腔体6-3与耦合腔体7-3的结构相同，弯波导结构6-2、弯波导结构7-2与U形弯波导元件的截面尺寸相同。

四个矩形耦合波导结构的窄边长度与U形弯波导元件的窄边长度相同，而宽边长度等于或小于U形弯波导元件的宽边长度。

具体地，同轴波导结构内导体末端还具有呈金属圆台结构的阻抗匹配结构10，该金属圆台结构与同轴波导结构共轴且金属圆台结构的顶面直径大于同轴波导结构内导体金属的直径，金属圆台结构的底面与四个矩形耦合波导的底面相连。

图6是上述截顶圆锥匹配的同轴波导正交模耦合器在1.2GHz~2.3GHz内一个矩形波导端口的在椎体截顶再优化及未截顶两种情况的驻波仿真曲线图，其中，点线为现有结构没有截顶时同轴波导正交模耦合器一个矩形端口的回波损耗仿真曲线，实线为截顶优化后同轴波导正交模耦合器矩形耦合器一个矩形端口的回波损耗仿真曲线。曲线上的标记1为截顶优化后一个矩形端口的回波损耗仿真结果为-15dB时的频带最低端，曲线上的标记2为截顶优化后一个矩形端口的回波损耗仿真结果为-15dB时的频带最高端，曲线上的标记3为现有结构一个矩形端口的回波损耗仿真结果为-15dB时的频带最低端，曲线上的标记4为一个矩形端口的回波损耗仿真结果为-15dB时的频带最高端，可见增加截顶圆锥的阻抗匹配结构后回波损耗-15dB时带宽增加约50MHz。

需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利的技术方案而列举的示例性描述，并非旨在暗示本专利的保护范围仅仅限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式均在本专利的保护范围之内。

此外，出于简化叙述的目的，本专利也可能没有列举一些寻常的具体实施方案，这些方案是本领域普通技术人员在理解了本专利技术方案后能够自然而然想到的，显然，这些方案也应该包含在本专利的保护范围之内。

出于简化叙述的目的，上述各具体实施方式对于细节的公开程度可能仅仅达到本领域技术人员可以自行决断的程度，即，对于上述各具体实施方式没有公开的技术细节，本领域普通技术人员完全可以在不付出任何创造性劳动的情况下，在本专利技术方案的充分提示下，借助教科书、工具书、论文、专利、音像制品等等已公开文献予以完成，或者，这些细节是在本领域普通技术人员的通常理解下，可以根据实际情况自行作出决定的内容。可见，即使不公开这些技术细节，也不会对本专利技术方案的公开充分性造成影响。

总之，在结合了本专利说明书对权利要求书保护范围的解释作用的基础上，任何落入本专利要求书涵盖范围的具体实施方案，均在本专利的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种截顶圆锥匹配的同轴波导正交模耦合器，其特征在于，包括十字转门接头，所述十字转门接头包括同轴波导结构、阻抗匹配结构以及四个围绕所述同轴波导结构均匀分布的矩形耦合波导结构，所述同轴波导结构的内导体金属的中央具有用于形成圆波导的圆柱形通孔，每两个相间的矩形耦合波导结构之间设有一组位于所述十字转门接头下方的功率合成/分配管路，所述功率合成/分配管路包括一个三端口的功率合成/分配器和两条位于同一平面内且围成矩形的连接管路，所述功率合成/分配器包括一个直波导结构、一个耦合腔体以及两个镜面对称的90°E面弯波导结构，所述功率合成/分配器的直波导结构与所述十字转门接头的同轴波导结构的端口朝向相反，所述功率合成/分配器的直波导结构与所述十字转门接头的同轴波导结构的所在直线相互平行且相对于矩形管路的中心点对称，两组功率合成/分配管路中功率合成/分配器的耦合腔体到十字转门接头的同轴波导结构的垂直距离相等，所述连接管路的一端连接一个所述矩形耦合波导结构，另一端连接所述功率合成/分配器的一个弯波导结构，每条连接管路均由三条截面相同的直波导结构以及两个90°E面弯波导结构组成，两组功率合成/分配管路以十字转门接头的轴线为轴呈相差90°的旋转对称关系，且两组功率合成/分配管路在轴向管路段上具有长度差异从而使它们的径向管路段在交叉位置处错开；

所述阻抗匹配结构为位于同轴波导结构内导体末端的金属圆台结构，所述金属圆台结构与同轴波导结构共轴且金属圆台结构的顶面直径大于同轴波导结构内导体金属的直径，所述金属圆台结构的底面与四个矩形耦合波导的底面相连。

2.根据权利要求1所述的截顶圆锥匹配的同轴波导正交模耦合器，其特征在于，所述矩形耦合波导结构中波导的窄边长度与所述连接管路中波导的窄边长度相等，所述矩形耦合波导结构中波导的宽边长度等于或小于所述连接管路中波导的宽边长度。

3.根据权利要求1所述的截顶圆锥匹配的同轴波导正交模耦合器，其特征在于，所述连接管路为E面U型切角弯波导元件。