CN109244622A - 一种方形四脊正交模耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方形四脊正交模耦合器，属于天线馈源技术领域。其包括方波导、匹配盖板、方圆过渡波导和两个同轴探针，方波导具有顺次口径递减的第一渐变段、第二渐变段和直波导段，方波导内具有用于构成四脊波导的四个脊板，脊板的曲线具有直线段以及曲线段，匹配盖板内设有空腔，两个同轴探针以正交方式分别从方波导直波导段处的两个相邻壁面上的馈电孔中插入，脊板上具有内凹的台阶结构，四个脊板上的台阶结构与匹配盖板内的空腔共同构成匹配结构。本发明通过对四脊波导外壁的设计，脊的过渡曲线和同轴到四脊波导转换的结构，实现了正交模耦合器的较大的相对带宽，是对现有技术的一种重要改进。

Description

一种方形四脊正交模耦合器

技术领域

本发明涉及天线馈源技术领域，特别是指一种方形四脊正交模耦合器。

背景技术

正交模耦合器可解决频率复用问题，同一频率上可使用极化方式不同且相互隔离的信道，因而在各种通信天线中已经得到了广泛应用。

在射电天文望远镜天线和宽频带侦察接收天线中，通常需要设计覆盖一个倍频程甚至更宽的宽带正交模耦合器。常规设计相对带宽只有10%～30%，远远不能满足需求，这就需要采取一些特殊的结构来达到设计要求。例如，采用四脊波导可以实现一个倍频程以上带宽的正交模耦合器。

目前，有多种形式的宽带正交模耦合器，包括Turnstile型、鳍线型、对称负反馈型等等，但它们的带宽至多做到一个倍频程。四脊波导正交模耦合器是常用的宽带型正交模耦合器，该型式正交模耦合器的例子可见于以下文献和专利中：

1、 “改进型四脊波导正交模转换器的设计与测量”， 微波学报, Vol.27 No.1, Feb.2011.

2、“ 一种三倍频四脊正交模耦合器”，申请号为CN201520622263.6。

但是，现有的正交模耦合器的相对带宽均在3 : 1以内，并且在高频端的激励的高次模量较大，影响馈源和天线的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种方形四脊正交模耦合器，其具有结构简单、紧凑，电性能优良的特点，能够实现较宽的相对带宽。

基于上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种方形四脊正交模耦合器，其包括包括方波导、匹配盖板、方圆过渡波导和两个同轴探针；所述方波导具有顺次口径递减的第一渐变段、第二渐变段和直波导段，所述第二渐变段的长度小于第一渐变段的长度；所述方波导内具有用于构成四脊波导的四个脊板，所述脊板厚度均匀且贯穿整个方波导，所述脊板的曲线具有对应于直波导段的直线段以及对应于第一渐变段和第二渐变段的曲线段；所述匹配盖板设于所述方波导的直波导段一侧，所述方圆过渡波导设于所述方波导的第一渐变段一侧，所述匹配盖板内设有正对直波导段的空腔；所述方波导直波导段处的两个相邻壁面上各设有一个馈电孔，两个馈电孔相互垂直且彼此错开，所述两个同轴探针分别从两个馈电孔中插入，贯穿其所插入的壁面上的脊板，并插入对面壁面上脊板的盲孔中；所述脊板在同轴探针插入位置与匹配盖板之间的直线段上具有内凹的台阶结构，两组相互垂直的脊板上的台阶结构的宽度不等，同轴探针插入位置与匹配盖板之间的直线段较长的脊板，其上的台阶结构较宽，四个脊板上的台阶结构与匹配盖板内的空腔共同构成匹配结构。

具体的，所述脊板的边缘处具有倒角。

具体的，所述匹配盖板内的空腔为底面正对直波导段的圆锥形、圆台形、半球形或圆柱形。

具体的，所述第一渐变段和第二渐变段的渐变线为直线形或曲线形。

具体的，所述脊板的曲线为连续曲线或样条曲线。

从上面的叙述可以看出，本发明技术方案的有益效果在于：

1、本发明采用方形四脊波导结构，能够实现较宽的带宽，相对于现有技术取得了重要进步。

2、本发明采用方形四脊波导，为同轴馈电形式，具有结构简单、紧凑，易于加工的特点。

3、本发明电性能优良，通过特殊的结构设计，能够实现4:1的相对带宽，反射损耗在4:1带宽内小于-16.4dB，端口隔离大于30dB，激励的高次模幅度均小于-16dB。

总之，本发明通过对四脊波导外壁的设计，脊的过渡曲线和同轴到四脊波导转换的结构，实现了正交模耦合器的较大的相对带宽，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是本发明实施例中一种方形四脊正交模耦合器的结构示意图；

图2是图1中方波导的剖面图，图中隐去了剖面内的上下两个脊板；

图3是方波导与匹配盖板部分的剖面图；

图4是图3中A部分的局部放大图；

图5是脊板的结构示意图；

图6是图5中B部分的局部放大图；

图7是匹配盖板的结构示意图；

图8是方圆过度波导的结构示意图；

图9是本发明实施例中方形四脊正交模耦合器的两个同轴端口的反射损耗；

图10是本发明实施例中方形四脊正交模耦合器的两个同轴端口的隔离；

图11是本发明实施例中方形四脊正交模耦合器的圆波导端口的高次模分量。

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1～8所示，一种方形四脊正交模耦合器，其包括方波导1、匹配盖板2、方圆过渡波导3和两个同轴探针4。所述方波导1具有顺次口径递减的第一渐变段11、第二渐变段12和直波导段13。此外，为了工艺需要，方波导的波导金属体上在直波导段13外侧具有一个用于嵌入匹配盖板2的插槽14。所述第二渐变段12的长度小于第一渐变段11的长度。所述方波导1内具有用于构成四脊波导的四个脊板5，所述脊板5厚度均匀且贯穿整个方波导1。出于加工需要，实际生产的四脊波导金属体中，脊板略短于第一渐变段的外端。所述脊板5的曲线具有对应于直波导段的直线段以及对应于第一渐变段和第二渐变段的曲线段。所述匹配盖板2设于所述方波导1的直波导段13一侧，所述方圆过渡波导3设于所述方波导1的第一渐变段11一侧，所述匹配盖板2内设有正对直波导段13的空腔20。所述两个同轴探针4以正交方式分别从方波导直波导段13处的两个相邻壁面上的馈电孔中插入，两个同轴探针4相互错开以避免相交，所述同轴探针4贯穿其所插入的壁面上的脊板，并插入对面壁面上脊板的盲孔中。所述脊板5在同轴探针插入位置52与匹配盖板2之间的直线段上具有内凹的台阶结构51，两组相互垂直的脊板上的台阶结构的宽度不等，同轴探针插入位置与匹配盖板之间的直线段较长的脊板，其上的台阶结构较宽，四个脊板上的台阶结构51与匹配盖板内的空腔20共同构成匹配结构。

具体的，如图6所示，所述脊板的边缘处具有倒角53。

具体的，所述匹配盖板内的空腔20为底面正对直波导段的圆锥形、圆台形、半球形或圆柱形。

具体的，所述第一渐变段和第二渐变段的渐变线为直线形或曲线形。

具体的，所述脊板的曲线为连续曲线或样条曲线。

上述实施例中，相互正交的两个同轴探针构成方形四脊正交模耦合器的两个端口，用于传输两个正交极化信号，同轴探针与馈电孔之间形成以空气介质隔开的同轴传输线结构。方圆过渡波导3的方波导端口与方波导1相连，方圆过渡波导3的圆波导端口用于与圆形喇叭口相连。

上述方形四脊正交模耦合器可实现4：1的相对带宽，具体来说：

本正交模耦合器采用方形四脊波导实现，由四脊波导理论可知，脊波导的带宽比同尺寸的圆波导要宽，要实现4：1带宽的正交模耦合器，还要控制高频工作时激励的高次模的量，因此采用四脊波导技术可以展宽波导的带宽、采用渐变脊波导技术可实现阻抗的缓慢变化提升匹配性能并减少高次模的激励，采用同轴探针到四脊波导的转换可以实现宽带正交模耦合器。其原理是，信号经由同轴探针传输至方形四脊波导，两个正交的馈电端口分别发送或接收正交的两个信号；方形四脊波导与方圆过渡波导相连，实现圆波导中的场与四脊波导中的场的相互转变；匹配盖板与方形四脊波导靠近馈电孔的一端相连，与脊板后端的台阶共同起到阻抗匹配的作用，降低同轴端口的驻波，并保证两个同轴端口性能一致；方形四脊波导的脊高利用曲线渐变，实现高阻抗方波导与低阻抗的同轴线间的匹配过度，并减小激励的高次模幅度。

上述方形四脊正交模耦合器的电性能如图9～11所示。

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方案而列举的示例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，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权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应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技术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，借助于教科书、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，任何落入本专利权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 (5)

1.一种方形四脊正交模耦合器，其特征在于，包括方波导、匹配盖板、方圆过渡波导和两个同轴探针；所述方波导具有顺次口径递减的第一渐变段、第二渐变段和直波导段，所述第二渐变段的长度小于第一渐变段的长度；所述方波导内具有用于构成四脊波导的四个脊板，所述脊板厚度均匀且贯穿整个方波导，所述脊板的曲线具有对应于直波导段的直线段以及对应于第一渐变段和第二渐变段的曲线段；所述匹配盖板设于所述方波导的直波导段一侧，所述方圆过渡波导设于所述方波导的第一渐变段一侧，所述匹配盖板内设有正对直波导段的空腔；所述方波导直波导段处的两个相邻壁面上各设有一个馈电孔，两个馈电孔相互垂直且彼此错开，所述两个同轴探针分别从两个馈电孔中插入，贯穿其所插入的壁面上的脊板，并插入对面壁面上脊板的盲孔中；所述脊板在同轴探针插入位置与匹配盖板之间的直线段上具有内凹的台阶结构，两组相互垂直的脊板上的台阶结构的宽度不等，同轴探针插入位置与匹配盖板之间的直线段较长的脊板，其上的台阶结构较宽，四个脊板上的台阶结构与匹配盖板内的空腔共同构成匹配结构。

2.根据权利要求1所述的方形四脊正交模耦合器，其特征在于，所述脊板的边缘处具有倒角。

3.根据权利要求1所述的方形四脊正交模耦合器，其特征在于，所述匹配盖板内的空腔为底面正对直波导段的圆锥形、圆台形、半球形或圆柱形。

4.根据权利要求1所述的方形四脊正交模耦合器，其特征在于，所述第一渐变段和第二渐变段的渐变线为直线形或曲线形。

5.根据权利要求1所述的方形四脊正交模耦合器，其特征在于，所述脊板的曲线为连续曲线或样条曲线。