CN109616729A - 包括四个相同的正交模转换器的用于天线的功率分配器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括四个相同的正交模转换器的用于天线的功率分配器。本发明的一般领域是用于射频功率源的紧凑型双极化功率分配器。根据本发明的分配器包括：‑四个相同的正交模转换器(10)，八个相同的波导(15)，每个波导包括两个弯角(16、17)，四个相同的T形结(20)，四个相同的扭转元件(30)和两个功率分布器(41、42)；‑四个正交模转换器是具有方形底座的平行六面体形状，每个转换器在两个相邻侧面的每一个侧面上包括连接到转换器下表面的波导；‑四个转换器定位为形成正方形，每个转换器连接到彼此垂直的两个结，四个结的组形成希腊十字形；‑位于同一平面的每对结经由两个扭转元件连接到包括单个输入端的功率分布器的两个输出端。

Description

包括四个相同的正交模转换器的用于天线的功率分配器
技术领域
本发明的领域是紧凑型双极化功率分配器。这种类型的分配器用于从射频域中的发射源向辐射元件阵列提供功率。该分配器还可以作为相同频域中的接收器工作。在这种情况下，分配器将由阵列接收的多个信号组合成单个信号。
背景技术
本发明更具体地适用于以下领域：
-X波段、Ku波段和Ka波段的有源天线；
-在低频带工作，更具体地，在C波段、L波段和S波段的电信领域工作的多波束焦平面阵列天线；
-阵列天线的辐射元件；
-具有全球覆盖范围，特别是在C波段的空间天线。
针对的主要任务是X波段、Ku波段和Ka波段的有源天线，其体积和表面效率的概念至关重要。
用于这些任务的辐射元件的孔径约为发射波长的2.5到3.5倍。这意味着，考虑到在这些辐射孔径尺寸下锥体的体积，对这些应用应该避免使用具有高表面效率的锥体。
一种替代解决方案是创建具有较小孔径的金属辐射元件阵列，以便利用它们的较小高度和非常高的表面效率。为此，就有必要生产一种功率分配器，该功率分配器为这些金属元件的接入点同相并且低损耗地提供功率。该分配器必须是紧凑的，以便不改变通过使用具有较小孔径的源而带来的紧凑性的获益。
而且，根据需要，这种分配器还必须能够在以下条件下工作：
-双极化，两个极化之间的隔离度大于20dB；
-在相对较大的频率范围内；
-圆极化；
-中等功率水平或高功率水平。
在PCB(印刷电路板的首字母缩写)上使用微带或带状线型的传播线是获得高度紧凑的分配器的有吸引力的选择。然而，这种方法因其引起的传输损耗以及所允许的低功率水平而受到妨碍。
就其本身而言，使用金属导带的选择能够使传输损耗最小并支持高功率水平。然而，就其本身而言，金属导带的体积对其不利。已经提出利用该技术获得紧凑型分配器的分配器架构。题为“Répartiteur de puissance compact bipolarisation,réseau deplusieurs répartiteurs,élément rayonnant compact et antenne plane comportantun tel répartiteur”(紧凑型双极化功率分配器，多个分配器阵列，紧凑型辐射元件和包括这种分配器的平面天线)的法国专利FR 3 012 917描述了一种双极化平面功率分配器，其包括至少四个不对称的正交模转换器(称为OMT)，所述正交模转换器以阵列方式连接并且能够通过彼此垂直连接的两个功率分布器同相耦合到双正交极化功率源。在另一种配置中，激励组件由连接到两个分配器的单个对称OMT形成，每个分配器具有两个输出端口，这两个输出端口被布置成使得两个输出之间的电长度的差等于发射信号的半波长。
尽管使用了金属导带，但是这些各种解决方案能够实现以双极化工作的紧凑型装置。然而，所述紧凑型装置的带宽不足以满足Ku波段和Ka波段中电信卫星的有源天线应用所需的宽带宽。
发明内容
根据本发明的功率分配器没有表现出这些缺点并且能够实现更大的带宽。根据本发明的功率分配器包括连接到两个功率分布器(power distributor)的四个完全相同的OMT。更准确地说，本发明的主题是一种紧凑型双极化功率分配器，其用于以有用波长发射的双正交极化射频功率源，所述分配器包括四个正交模转换器，其特征在于，所述分配器包括：
-八个完全相同的波导和四个完全相同的T形结，每个波导包括两个弯角(bend)，四个正交模转换器都完全相同并且为具有方形底座的大致平行六面体形状，每个转换器包括下表面和上发射面以及四个侧面，每个转换器在两个相邻侧面的每一个侧面上都包括连接到转换器的下表面的波导；
-四个转换器被定位为形成正方形，每个转换器连接到彼此垂直的两个结，每个结通过其T的两个分支连接到两个波导的顶部，四个结的组形成希腊十字置中于转换器形成的正方形中。
有利地，所述分配器包括四个完全相同的扭转元件(twist)和两个功率分布器，位于同一平面中的每对结通过所述结的底部、经由两个扭转元件连接到包括单个输入端的功率分布器的两个输出端。
有利地，所述分配器包括耦合器，所述耦合器的输入端用于连接到射频功率源，并且彼此垂直的两个输出端连接到所述两个功率分布器的输入端，由此形成的所述分配器能够产生圆极化信号。
有利地，所述耦合器是顶壁耦合器或Riblet耦合器。
有利地，每个功率分布器都包括输入端，所述输入端弯曲180度，连接到两个完全相同的横向分支，每个分支由连接到输出端的90度弯角终结，使得沿给定方向传播的输入信号被分成沿两个方向传播的两个相同的输出信号，所述两个方向彼此平行并垂直于给定方向。
有利地，所述分配器包括至少一个带阻滤波器。
有利地，每个扭转元件包括呈扁平四分之一圆柱形状的外壳、以90度弯曲的输入端和以90度弯曲的输出端，两个弯角头尾相接设置。
有利地，每个正交模转换器的方形底座的侧面约为有用波长的0.75倍，并且每个正交模转换器的高度约为有用波长的0.37倍。
有利地，所述分配器的方形底座的侧面约为有用波长的2.24倍，并且分配器的总高度约为有用波长的0.8倍。
有利地，与所述有用波长相关的频率在1GHz到40GHz之间。更准确地说，与所述有用波长相关的频率在10.7GHz和12.75GHz之间或者在17.2GHz和20.2GHz之间。
附图说明
通过阅读以下以非限制性示例给出的描述并且借助附图，将更好地理解本发明并且其他的优点将变得明显，所有这些附图都在参考坐标系(x，y，z)中示出，其中：
图1示出了根据本发明的分配器的第一配置的分解的三维视图；
图2示出了两个相邻的正交模转换器和连接它们的T形结的截面图；
图3示出了分配器的四个正交模转换器的平面图；
图4示出了根据本发明的分配器的截面图；
图5示出了根据本发明的扭转元件的三维视图；
图6示出了四个转换器中信号的极化传播的平面图；
图7示出了分配器内的信号传播到未示出的正交模转换器的分解的三维视图；
图8示出了根据本发明的分配器的第二配置的分解的三维视图；
图9示出了根据本发明的分配器的第三配置的分解的三维视图。
具体实施方式
在下文中，转换器以发射模式工作。当然，同一转换器可以以接收模式工作。
图1示出了根据本发明的分配器的第一配置的分解的三维视图。该第一配置包括顶壁型耦合器。该视图定位于平面(x，y，z)。该分配器包括多个堆叠的段。
最后一段是发射段。该发射段包括具有方形底座的大致平行六面体形状的四个完全相同的金属正交模转换器10，每个转换器都包括下表面12和上发射面11以及四个侧面13，所有这些限定了腔体。举例来说，每个正交模转换器的方形底座的侧面是有用波长的约0.75倍，并且每个正交模转换器的高度是有用波长的约0.37倍。每个转换器可以包括锥形或金字塔形的中央匹配元件，或者是各种直径的堆叠圆柱形状，或者是具有各种表面积的方形底座的堆叠的平行六面体。这些元件的功能是改善转换器与给定工作频带的匹配并改善两个极化之间的隔离度。
如在平面(x，y)中形成的图2的截面图所示，每个转换器在两个相邻侧面的每一个侧面上都包括连接到转换器下表面的金属波导15，所述波导的输出由转换器的顶部产生。因此，每个波导包括由平面波导(plane guide)分开的两个弯角：连接到转换器下表面的第一90度弯角16，位于转换器顶部的第二90度弯角17。波导的高度接近转换器的高度。
如图3所示，四个转换器定位为形成正方形。每个转换器通过两个彼此垂直的T形结20连接到其两个相邻的转换器，每个结通过T的两个分支连接到两个波导的顶部，四个结的组形成希腊十字置中于转换器形成的正方形中，如图3所示。在该图中，两个结沿x轴定位，两个结沿y轴定位。这些结就是所谓的“E平面”结。结的底部与正交模转换器的底座齐平，如图2所示。
位于分配器上段的下方的段在图4的截面图中示出。其功能是便于将发射信号注入四个结。特别是，当所述结定位在十字形中时，将同相发射信号注入结中是不方便的。该段包括四个相同的扭转元件30，两个功率分布器41和42以及耦合器50。这些不同的元件在图4中以不同的阴影显示。
图5示出了根据本发明的扭转元件30的三维视图。每个扭转元件30包括呈扁平四分之一圆柱形状的外壳31、以90度弯曲的输入端32和以90度弯曲的输出端33，两个弯角定位为头尾相接。因此，利用这种配置，在扭转元件输入端处的发射信号的四个输入端位于由四个正交模转换器形成的大正方形的侧面，以便形成两对彼此正交的两个输入端。
这两个输入端对连接到两个功率分布器41和42。每个功率分布器都包括输入端，所述输入端弯曲180度，连接到两个完全相同的横向分支，每个分支由连接到输出端的90度弯角终结，使得沿给定方向传播的输入信号被分成沿两个方向传播的两个相同的输出信号，这两个方向彼此平行并垂直于给定方向。
从功率分布器的输入端到四个正交模转换器的八个输出端，发射信号所采用的路径完全相同。因此，如果信号被发送到其中一个分布器的输入端，则四个正交模转换器发射出具有相同极化的四个同相信号。在第二分布器的相对输入端，可以看到相同的性能，不同之处在于输出信号具有相对于前一个分布器呈90度的线性极化。所有这些信号也是同相的。图6示出了四个转换器10中信号的线性极化传播的平面图。来自第一分布器的信号用白色箭头表示，来自第二分布器的信号用黑色箭头表示。
因此，如果分配器包括平顶壁耦合器50，该平顶壁耦合器50的输入端连接到射频功率源，并且彼此垂直的两个输出端连接到两个功率分布器的输入端，则由此形成的所述分配器能够产生圆极化信号。
图7示出了这种分配器在参考坐标系(x，y，z)中的分解的局部视图。在该视图中，未示出正交模转换器。穿过分配器的各个部件20、30、41、42和50的信号的传播由灰色人字形表示。
通过非限制性示例，根据本发明的分配器具有以下尺寸：
-分配器的方形底座的侧面：约为有用波长的2.24倍；
-分配器的总高度：约为有用波长的0.8倍。
图8示出了根据本发明的分配器的第二配置。在该第二配置中，顶壁耦合器由Riblet耦合器51代替。如图8所示，该耦合器包括两个输入端和两个输出端。注入到两个输入端的其中一个的信号在两个输出端处被分成相同电平但相位偏移90°的两个分量。
图9示出了根据本发明的分配器的第三配置。在该配置中，根据本发明的功率分配器包括带阻滤波器53，使得发射信号不会干扰接收信号。这些滤波器呈金属槽的形状，所述金属槽规则地间隔开并垂直于信号的传播方向设置。
根据本发明的分配器可以在1GHz到40GHz之间的频带中工作，这对应于7.5毫米到300毫米之间的有用波长。更确切地说，频率可以属于用于卫星传输的称为“Ku-Tx”或“Ka-Tx”的传输频带。Ku-Tx频带在10.7GHz和12.75GHz之间，这对应于23毫米到28毫米之间的有用波长。第二Ka-Tx频带在17.2GHz和20.2GHz之间，这对应于15毫米到17毫米之间的有用波长。
这种类型的分配器可以利用高功率功率源工作。举例来说，功率源的功率可以大于60瓦。
此外，分配器的几何形状确保了到发射源的非常低的回波，通常低于-20dB，并且顶壁耦合器的输入和正交模转换器的接入点之间的隔离度非常好。这种隔离度大于20dB。

Claims (11)

1.一种紧凑型双极化功率分配器，其用于以有用波长发射的双正交极化射频功率源，所述分配器包括四个正交模转换器(10)，其特征在于，所述分配器包括：
-八个完全相同的波导(15)和四个完全相同的T形结(20)，每个波导包括两个弯角(16、17)，四个正交模转换器都完全相同并且为具有方形底座的大致平行六面体形状，每个转换器包括下表面(12)和上发射面(11)以及四个侧面(13)，每个转换器在两个相邻侧面的每一个侧面上都包括连接到转换器的下表面(12)的波导(15)；
-四个转换器被定位为形成正方形，每个转换器连接到彼此垂直的两个结(20)，每个结通过其T的两个分支连接到两个波导的顶部，四个结的组形成希腊十字置中于转换器形成的正方形中。
2.根据权利要求1所述的紧凑型双极化功率分配器，其特征在于，所述分配器包括四个完全相同的扭转元件(30)和两个功率分布器(41、42)，位于同一平面中的每对结通过所述结的底部、经由两个扭转元件连接到包括单个输入端的功率分布器的两个输出端。
3.根据权利要求2所述的紧凑型双极化功率分配器，其特征在于，所述分配器包括耦合器(50)，所述耦合器的输入端用于连接到射频功率源，并且彼此垂直的两个输出端连接到两个功率分布器的输入端，由此形成的所述分配器能够产生圆极化信号。
4.根据权利要求3所述的紧凑型双极化功率分配器，其特征在于，所述耦合器是顶壁耦合器或Riblet耦合器(51)。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的紧凑型双极化功率分配器，其特征在于，每个功率分布器都包括输入端，所述输入端弯曲180度，连接到两个完全相同的横向分支，每个分支由连接到输出端的90度弯角终结，使得沿给定方向传播的输入信号被分成沿两个方向传播的两个相同的输出信号，所述两个方向彼此平行并垂直于给定方向。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的紧凑型双极化功率分配器，其特征在于，所述分配器包括至少一个带阻滤波器(53)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的紧凑型双极化功率分配器，其特征在于，每个扭转元件(30)包括呈扁平四分之一圆柱形状的外壳(31)、以90度弯曲的输入端(32)以及以90度弯曲的输出端(33)，两个弯角头尾相接设置。
8.根据前述权利要求中任一项所述的紧凑型双极化功率分配器，其特征在于，每个正交模转换器的方形底座的侧面约为有用波长的0.75倍，并且每个正交模转换器的高度约为有用波长的0.37倍。
9.根据前述权利要求中任一项所述的紧凑型双极化功率分配器，其特征在于，所述分配器的方形底座的侧面约为有用波长的2.24倍，并且所述分配器的总高度约为有用波长的0.8倍。
10.根据前述权利要求中任一项所述的紧凑型双极化功率分配器，其特征在于，与所述有用波长相关的频率在1GHz和40GHz之间。
11.根据权利要求10所述的紧凑型双极化功率分配器，其特征在于，与所述有用波长相关的频率在10.7GHz和12.75GHz之间或者在17.2GHz和20.2GHz之间。
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