CN110676552A - 一种双频段高隔离正交模耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双频段高隔离正交模耦合器，通过垂直极化发射通道与水平极化接收通道垂直连接，垂直极化发射通道包括依次连通的公共圆波导端口、圆矩过渡匹配网络、方波导、二阶阶梯阻抗匹配网络、垂直极化端口，方波导内设有三个金属圆柱，水平极化接收通道包括依次连通的开口耦合窗和水平极化端口，其中开口耦合窗与方波导相连通，且位于金属圆柱前方。本发明的发射频段为13.75‑14.5GHz，接收频段为10.7‑12.75GHz。在工作频段内极化隔离度优于55dB，各端口回波损耗‑20dB以下，通带插损小于0.5dB。结构简单紧凑，稳定，便于加工，能够广泛应用于相应频段的雷达系统中。
Description
技术领域
本发明属于耦合器领域，具体涉及一种双频段高隔离正交模耦合器。
背景技术
正交模耦合器，简称OMT，作为实现双极化天馈系统的重要部件，广泛应用于雷达系统和卫星通讯中。在雷达系统中，它不但可以增强雷达的灵敏度，而且能够使雷达获得更多的目标结构信息，对提高雷达探测系统的智能化信息处理能力具有深远意义。卫星通讯中，使用不同极化方式且相互隔离的两个信道，在同一频率上可以实现容纳更多信道数量；在不同频率上，可以增加收发信道的隔离。
目前双频段双极化的正交模耦合器主要形式是：由膜片、阻抗匹配结构和波导输入口、波导输出口组成正交模耦合器，再有滤波器分成需要的两个频段，提高隔离度。如专利文献1（CN205029020U）公开的一种双频段正交模耦合器，这种形式的正交模耦合器尺寸较大，加工并不便利；另一方面本身频率间隔离度不高，需要额外引入滤波器，成本及插入损耗也将提高。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种双频段高隔离正交模耦合器，解决了现有的双频段正交模耦合器频段间隔离度不高，需要额外引入滤波器，导致尺寸大，插损较大的问题。
本发明是通过以下技术实现的：一种双频段高隔离正交模耦合器，通过垂直极化发射通道与水平极化接收通道垂直连接，垂直极化发射通道包括依次连通的公共圆波导端口、圆矩过渡匹配网络、方波导、二阶阶梯阻抗匹配网络、垂直极化端口，方波导内设有三个金属圆柱，水平极化接收通道包括依次连通的开口耦合窗和水平极化端口，其中开口耦合窗与方波导相连通，且位于金属圆柱前方。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）采用紧凑型结构，稳定简单，易于加工。
（2）接收频段为10.7-12.75GHz，发射频段为13.75-14.5GHz，收发间隔离度优于55dB，不需额外引入滤波器，尺寸小。
（3）公共端口采用圆波导，对比矩形波导，具有损耗低、加工方便、易实现双极化等优点。
附图说明
图1是本发明的双频段高隔离正交模耦合器整体结构全图。
图2是本发明的双频段高隔离正交模耦合器整体结构正面视图。
图3是本发明的双频段高隔离正交模耦合器整体结构俯视图。
图4是本发明的双频段高隔离正交模耦合器整体结构剖面三维图。
图5是本发明的双频段高隔离正交模耦合器整体结构剖面正视图。
图6是本发明的双频段高隔离正交模耦合器整体结构内部细节图。
图7是本发明的双频段高隔离正交模耦合器接收频段回波损耗特性曲线图。
图8是本发明的双频段高隔离正交模耦合器发射频段回波损耗特性曲线图。
图9是本发明的双频段高隔离正交模耦合器接收频段端口隔离度曲线图。
图10是本发明的双频段高隔离正交模耦合器发射频段端口隔离度曲线图。
图中：1-公共圆波导端口、2-圆矩过渡匹配网络、3-方波导、4-开口耦合窗、5-垂直极化端口、6-阶梯阻抗匹配网络、7-金属圆柱、8-水平极化端口。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合附图对本发明双频段高隔离正交模耦合器作详细阐释。
结合图1至图6，一种双频段高隔离正交模耦合器，通过垂直极化发射通道与水平极化接收通道垂直连接，垂直极化发射通道传输发射信号，水平极化接收通道传输接收信号，垂直极化发射通道包括依次连通的公共圆波导端口1、圆矩过渡匹配网络2、方波导3、二阶阶梯阻抗匹配网络6、垂直极化端口5，方波导3内设有三个金属圆柱7，用于提高隔离度。公共圆波导端口1、圆矩过渡匹配网络2、方波导3、金属圆柱7、垂直极化矩形波导端口5沿传输方向中心线共面。
公共圆波导端口1，采用BY-101，半径为10.12mm，长度L1为3mm的标准波导端口，作为极化波的公共输入端口，与圆矩过渡匹配网络2相连接。
圆矩过渡匹配网络2，采用二阶切比雪夫阻抗变化，将公共圆波导端口1与方波导3相连接，自公共圆波导端口1向方波导3依次分为为第一阶和第二阶，第一阶高度H2a为18.2mm，第二阶高度H2b为19.5mm，第一阶长度L2a为2.2mm，第二阶长度L2b为2.2mm，第一阶宽度D2a为22.8mm，第二阶宽度D2b为17mm，作用为防止磁场变换过快，产生不需要的高次模。
方波导3，为长方体，高度 H3为15mm，宽度D3为15mm，长度L3为39.9mm。
垂直极化端口5，采用WR-75，宽边为19.05mm，窄边为9.53mm，长度L5为3mm的标准波导端口作为垂直极化波的输出端口。
阶梯阻抗匹配网络6，基于切比雪夫阻抗变化，将方波导3与垂直极化矩形波导端口5相连接，自方波导3向垂直极化端口5方向依次为第一阶梯、第二阶梯，其中第一阶梯高度H6a为21.55mm，第二阶梯高度H6b为17.2mm，第一阶梯长度L6a为6.6mm，第二阶梯长度L6b为6.6mm，第一阶梯宽度D6a为20mm，第二阶梯宽度D6b为22mm.
金属圆柱7，圆柱面半径为1.25mm，高H7为7.5mm，材质为铝，阻隔水平极化波，将垂直极化波等分后合成，可以提高垂直极化端口6与水平极化端口8的隔离度。
垂直极化发射通道中，发射信号自公共圆波导端口1激励起的TE10模通过圆矩过渡匹配网络2过渡传输到方波导3，在方波导3中的三个金属圆柱7将TE10模等分为相等的两部分，通过金属圆柱7后，这两路信号又重新合成到一起，最后通过方波导3到阶梯阻抗匹配网络6由TE10模转化为垂直极化TE11模，传输至垂直极化端口5。
水平极化接收通道包括依次连通的开口耦合窗4和水平极化端口8，其中开口耦合窗4与方波导3相连通，且位于金属圆柱7前方。在俯视方向上，开口耦合窗4与水平极化接收端口8沿传输方向中心线重合。
开口耦合窗4，耦合窗尺寸是长度L4为13.1mm，宽度D4为4.5mm，高度H4为0.6mm与方波导3及水平极化端口8相连接。
水平极化端口8，采用WR-75，宽边L8为19.05mm，窄边D8为9.53mm，高度H8为7mm的标准波导端口作为水平极化端口。
水平极化接收通道中，当天线接收到水平极化信号，接收信号在公共圆波导端口1中激励的水平极化TE11模通过圆矩过渡匹配网络2转换成方波导3中的TE01模，对于方波导3中的TE01模，由于其电场分量与金属圆柱7相切，因此金属圆柱7起短路器的作用，将其能量反射，最终水平极化信号通过开口耦合窗4传输至水平极化端口8。
图7表示本发明水平极化端口8与公共圆波导端口1在10.7-12.75GHz的回波损耗小于-24dB。图8表示本发明垂直极化端口5与公共圆波导端口1在13.75-14. 5GHz的回波损耗小于-27dB。图9表示本发明垂直极化端口5与水平极化端口8在10.7-12.75GHz的隔离度优于56dB。图10表示本发明垂直极化端口5与水平极化端口8在13.75-14.5GHz的隔离度优于55dB。由图所示，本发明的双频段高隔离度正交模耦合器各端口驻波优异，隔离度较高，并且具备结构紧凑，易于加工，具有很好的工程应用价值。
Claims (10)
1.一种双频段高隔离正交模耦合器，其特征在于：通过垂直极化发射通道与水平极化接收通道垂直连接，垂直极化发射通道传输发射信号，水平极化接收通道传输接收信号；
垂直极化发射通道包括依次连通的公共圆波导端口（1）、圆矩过渡匹配网络（2）、方波导（3）、二阶阶梯阻抗匹配网络（6）、垂直极化端口（5），方波导（3）内设有三个金属圆柱（7），用于提高隔离度；垂直极化发射通道中，发射信号自公共圆波导端口（1）激励起的TE10模通过圆矩过渡匹配网络（2）过渡传输到方波导（3），在方波导（3）中的三个金属圆柱（7）将TE10模等分为相等的两部分，通过金属圆柱（7）后，这两路信号又重新合成到一起，最后通过方波导（3）到阶梯阻抗匹配网络（6）由TE10模转化为垂直极化TE11模，传输至垂直极化端口（5）。
2.根据权利要求1所述的双频段高隔离正交模耦合器，其特征在于：公共圆波导端口（1）、圆矩过渡匹配网络（2）、方波导（3）、金属圆柱（7）、垂直极化矩形波导端口（5）沿传输方向中心线共面。
3.根据权利要求1或2所述的双频段高隔离正交模耦合器，其特征在于：公共圆波导端口（1），采用BY-101，半径为10.12mm的标准波导端口，作为极化波的公共输入端口，与圆矩过渡匹配网络（2）相连接；
垂直极化矩形波导端口（5），采用WR-75，宽边为19.05mm，窄边为9.53mm的标准波导端口作为垂直极化波的输出端口。
4.根据权利要求1或2所述的双频段高隔离正交模耦合器，其特征在于：圆矩过渡匹配网络（2），采用切比雪夫阻抗变化，将公共圆波导端口（1）与方波导（3）相连接，总长为4.4mm，为防止磁场变换过快，产生不需要的高次模；阶梯阻抗匹配网络（6），基于切比雪夫阻抗变化，将方波导（3）与垂直极化矩形波导端口（5）相连接。
5.根据权利要求1或2所述的双频段高隔离正交模耦合器，其特征在于：方波导（3），为长方体，与圆矩过渡匹配网络（2）相接一面长宽皆为15mm，总长40mm。
6.根据权利要求1或2所述的双频段高隔离正交模耦合器，其特征在于：金属圆柱（7），圆柱面半径为1.25mm，高H7为7.5mm，材质为铝，阻隔水平极化波，将垂直极化波等分后合成，提高垂直极化端口6与水平极化端口（8）的隔离度。
7.根据权利要求1所述的双频段高隔离正交模耦合器，其特征在于：水平极化接收通道包括依次连通的开口耦合窗（4）和水平极化端口（8），其中开口耦合窗（4）与方波导（3）相连通，且位于金属圆柱（7）前方；
水平极化接收通道中，当天线接收到水平极化信号，接收信号在公共圆波导端口（1）中激励的水平极化TE11模通过圆矩过渡匹配网络（2）转换成方波导（3）中的TE01模，对于方波导（3）中的TE01模，由于其电场分量与金属圆柱（7）相切，因此金属圆柱（7）起短路器的作用，将其能量反射，最终水平极化信号通过开口耦合窗（4）传输至水平极化端口（8）。
8.根据权利要求7述的双频段高隔离正交模耦合器，其特征在于：在俯视方向上，开口耦合窗（4）与水平极化接收端口（8）沿传输方向中心线重合。
9.根据权利要求7述的双频段高隔离正交模耦合器，其特征在于：开口耦合窗（4），耦合窗尺寸是13.1*4.5mm，作为水平极化波输出端口，与方波导（3）相连接。
10.根据权利要求7述的双频段高隔离正交模耦合器，其特征在于：水平极化端口（8），采用WR-75，宽边L8为19.05mm，窄边D8为9.53mm，高度H8为7mm的标准波导端口作为水平极化端口。
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