CN108808262A - 一种宽带四脊波导圆极化器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带四脊波导圆极化器，属于卫星通信技术领域。其包括方波导腔、两个垂直脊和两个水平脊，两个垂直脊分别设置在两个相对的波导壁上，两个水平脊分别设置在另外两个波导壁上。本发明利用四脊波导的宽带特性，使两对正交脊的高度和宽度的各不相同，以改变两个正交极化波的传播常数，根据圆极化器的原理，当等幅同相的两个极化波通过圆极化器后，两个极化波的幅度相等，相位差为90°，形成圆极化。同时，脊上没有加载移相单元，没有齿槽结构，克服了现有圆极化器无法用于1mm波段的缺点，具有在L波段至W波段均能够应用、工作频带宽、电性能优良、结构简单、免调试、可靠性高、适合批量生产的特点。
Description
技术领域
本发明公开了一种宽带四脊波导圆极化器，它涉及卫星通信和射电天文天线领域，适用于卫星通信和射电天文天线的馈电网络系统。
背景技术
在卫星通信、射电天文等领域，圆极化天线得到了广泛的应用。圆极化器用来将线极化信号转化为圆极化信号，是圆极化天线中的重要部件。随着卫星通信技术和下一代射电天文望远镜技术的发展，宽频带工作的需求越来越迫切。因此，宽频带圆极化器技术是宽带圆极化反射面天线馈源的关键技术之一。
圆极化器是决定天线圆极化性能的主要部件，波导圆极化器在圆极化反射面天线馈源系统中被广泛采用。常用的波导圆极化器型式有螺钉调节型、介质插片型、波纹型、隔板型和脊波导型等。圆波导螺钉极化器是在圆波导管壁内对称插入两排螺钉，螺钉圆极化器的成本低、形式简单、插入损耗小、但调试工作量大，带宽在15%以内。介质插片型极化器是在圆波导内插入介质片，介质插片极化器调试简单，但介质损耗较大，带宽在25%以内。波纹型圆极化器是在圆波导或方波导内加载金属膜片作为移相单元，相对带宽可达到35%，难点主要是对波纹的加工精度和对称度要求高，需要增加调试螺钉微调相位。
申请号为201110198487.5的中国专利公开了一种紧凑型超宽带圆极化器，从该专利的附图中可以看出，其水平脊片上具有齿槽结构。该圆极化器只能采用拼接的方法加工，其精度受拼装影响大，并且齿槽结构的微小尺寸具有无法加工的缺点，因而难以应用于1mm的毫米波段。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种宽带四脊波导圆极化器，其结构简单，免调试，可用于L至W波段，相对工作带宽能够达到46%，可以满足卫星通信、射电天文和宽带侦察接收等天线宽频带的应用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种宽带四脊波导圆极化器，包括方波导腔，所述方波导腔内设有两个形状相同的彼此正对的垂直脊以及两个形状相同的彼此正对的水平脊，垂直脊的两端和水平脊的两端均具有用于阻抗匹配的阶梯过渡结构；所述垂直脊的厚度大于所述水平脊的厚度，所述垂直脊的长度小于所述水平脊的长度，两垂直脊之间以及两水平脊之间均相对于方波导腔的中心呈中心对称，垂直脊和水平脊的脊片表面均光滑平整。
可选的，所述垂直脊与所述水平脊的长度之比为0.6～0.65:1，所述垂直脊的长度大于中心频率自由空间波长的3倍。
可选的，所述垂直脊的厚度与所述水平脊的厚度之比为1.2～1.25:1，垂直脊和水平脊的厚度均大于中心频率自由空间波长的0.1倍。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明中两对正交脊的高度和厚度均不相同，由此构成的四脊波导可以改变两个正交极化波的传播常数，通过优化脊的长度和厚度，可以使两个极化的相位差为90°，同时幅度相等，从而实现圆极化。
2、本发明的带宽超过目前大多数圆极化器带宽，并且结构简单，脊片本身没有精细的齿槽结构，整个圆极化器能够一体加工成型，适合批量生产。
3、本发明移相功能的实现，主要是使垂直脊与水平脊的尺寸不同，并且在脊上没有加载移相单元，除脊的阶梯过渡外，脊的形状为长方形，不含有齿槽结构，克服了现有圆极化器无法用于1mm波段的缺点，在L波段至W波段均能够应用，具有良好的适用性。
附图说明
图1是本发明实施例中由垂直脊剖开的结构示意图。
图2是本发明实施例中由水平脊剖开的结构示意图。
图3是本发明实施例的垂直极化的驻波。
图4是本发明实施例的水平极化的驻波。
图5是本发明实施例的两个极化的传输相位差。
图6是本发明实施例的圆极化轴比。
图7是申请号为201110198487.5的中国专利“紧凑型超宽带圆极化器”的驻波。
图8是申请号为201110198487.5的中国专利“紧凑型超宽带圆极化器”在K波段实施例的圆极化轴比。
图9是申请号为201110198487.5的中国专利“紧凑型超宽带圆极化器”在Ka波段实施例的圆极化轴比。
图中：方波导腔—1，第一垂直脊—2-1，第二垂直脊—2-2，第一水平脊—3-1，第二水平脊—3-2，垂直脊阶梯过渡—4，水平脊阶梯过渡—5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步更详细的说明。
参见图1至图3，一种宽带四脊波导圆极化器，其包括方波导腔1、第一垂直脊2-1、第二垂直脊2-2、第一水平脊3-1、第二水平脊3-2，垂直脊的两端具有垂直脊阶梯过渡4，水平脊的两端具有水平脊阶梯过渡5。第一和第二垂直脊分别设置在两个相对的波导壁上，第一和第二水平脊分别设置在另外两个波导壁上。
其中，垂直脊与水平脊具有不同的长度和厚度。
具体来说，垂直脊的长度小于水平脊的长度，垂直脊与水平脊长度的比值基本满足0.62:1，且垂直脊长度大于3λ(λ为中心频率自由空间波长)。
垂直脊的厚度大于水平脊的厚度，垂直脊与水平脊厚度的比值基本满足1.22:1，厚度一般取大于0.1λ。
两个垂直脊与两个水平脊均相对于方波导腔的中心呈中心对称设置。
垂直脊与水平脊两端的阶梯过渡结构用于实现阻抗匹配。
本发明的简要工作原理如下：
线极化波可分解为两个等幅同相的线极化波；圆极化波分解为两个幅度相等、相位差为90°的线极化波。当线极化波与圆极化器的两个正交的脊成45°角由输入端口输入，可分解为两个等幅同相的线极化波，由于两对脊的尺寸不同，两个线极化波的传输相位常数不同，经过一定的距离后，形成幅度相等，相位差90°，在输出端口形成圆极化。
对上述圆极化器的电气传输性能进行验证，具体如下：
图3给出了在频带内两个正交极化波的相位差，可看出在72GHz～120GHz内，相位差满足90°±2.5°。
图4给出了在频带内的相应的圆极化轴比，可看出在72GHz～120GHz内，轴比<0.4dB。
图5给出了在频带内的垂直极化的反射损耗，可看出在72GHz～120GHz内，垂直极化驻波<1.15。
图6给出了在频带内的水平极化的反射损耗，可看出在72GHz～120GHz内，水平极化驻波<1.16。
图7～9所示为申请号为201110198487.5的中国专利“紧凑型超宽带圆极化器”的电气传输性能。
通过比较可以看出，与现有技术相比，本发明的结构更加简单，可以一体加工成型，不仅在1mm波段能够加工实现，而且性能也有较大提升。
总之，本发明利用四脊波导的宽带特性，使两对正交脊的高度和宽度的各不相同，以改变两个正交极化波的传播常数，根据圆极化器的原理，当等幅同相的两个极化波通过圆极化器后，两个极化波的幅度相等，相位差为90°，形成圆极化。同时，脊上没有加载移相单元，除脊的阶梯过渡外，脊的形状为长方形，脊上没有齿槽结构，克服了现有圆极化器无法用于1mm波段的缺点，具有在L波段至W波段均能够应用、工作频带宽、电性能优良、结构简单、免调试、可靠性高、适合批量生产的特点。
需要指出的是，以上具体实施方式只是本专利实现方案的具体个例，没有也不可能覆盖本专利的所有实现方式，因此不能视作对本专利保护范围的限定；凡是与以上案例属于相同构思的实现方案，或是上述若干方案的组合方案，均在本专利的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种宽带四脊波导圆极化器，包括方波导腔，所述方波导腔内设有两个形状相同的彼此正对的垂直脊以及两个形状相同的彼此正对的水平脊，垂直脊的两端和水平脊的两端均具有用于阻抗匹配的阶梯过渡结构；其特征在于：所述垂直脊的厚度大于所述水平脊的厚度，所述垂直脊的长度小于所述水平脊的长度，两垂直脊之间以及两水平脊之间均相对于方波导腔的中心呈中心对称，垂直脊和水平脊的脊片表面均光滑平整。
2.根据权利要求1所述的一种宽带四脊波导圆极化器，其特征在于：所述垂直脊与所述水平脊的长度之比为0.6～0.65:1，所述垂直脊的长度大于中心频率自由空间波长的3倍。
3.根据权利要求1所述的一种宽带四脊波导圆极化器，其特征在于：所述垂直脊的厚度与所述水平脊的厚度之比为1.2～1.25:1，垂直脊和水平脊的厚度均大于中心频率自由空间波长的0.1倍。
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