CN110931931A - 一种K和Ka双频段正交模耦合器 - Google Patents

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王晓青
李颖
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    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
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    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port

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Abstract

本发明公开了一种K和Ka双频段正交模耦合器，应用于通信技术领域，旨在解决通信系统中的频率复用问题，增加了通信的信道数量和系统容量。通过垂直极化通道和水平极化通道垂直连接，用垂直极化波传输发射信号，用水平极化波传输接收信号，利用两个极化波的正交去耦来实现信号间的隔离。垂直极化通道包括依次连通的公共圆波导端口、矩圆阶梯过渡、方波导、阶梯阻抗匹配段、发射端口，水平极化通道包括依次连通的接收端口和耦合谐振窗。本发明具有结构简单、体积小、便于加工、极化隔离度高、驻波与插损小等优良的电气性能。

Description

一种K和Ka双频段正交模耦合器
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种K和Ka双频段正交模耦合器。
背景技术
正交模耦合器（OMT）是用来分离和混合两个相互正交的极化波的微波元件，一般表现为三个物理端口，其广泛应用于双极化天线馈电网络。一方面能够分离或组合相同频段内的正交模式，使得两个极化通道在同频段内同时工作，解决频率复用的问题。另一方面可将两个基模端口分别作为信号的接收和发射端，实现双工器的功能。
2018年，李东超，何绍林，刘玉龙在电波科学学报上发表了“一种紧凑型Ku频段正交模耦合器的设计”，两个频段内端口驻波均小于1.6，回波损耗小于-12.74dB，隔离度小于-50dB，这个设计方案可实现结构紧凑，体积小，但是频段不够高，并且仅限于Ku这个频段。
2017年，张海福，吴蓉蓉，张庆伟在无线电工程上发表“新型双频段正交模耦合器的分析和设计”，发射频段范围43.5~45.5GHz，接收频段范围20.2~21.2GHz，发射端口驻波小于1.4，接收端口驻波小于1.22，回波损耗小于-20dB，完全满足工程需要，但是不易加工，成本高。
总之，有必要设计出一种高频段，结构简单，易于加工的正交模耦合器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锥变窄带型的K和Ka双频段正交模耦合器，解决了通信系统中的频率复用问题，增加了通信的信道数量和系统容量。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种K和Ka双频段正交模耦合器，通过垂直极化通道和水平极化通道垂直连接，用垂直极化波传输发射信号，用水平极化波传输接收信号，利用两个极化波的正交去耦来实现信号间的隔离。
所述垂直极化通道包括依次连通的公共圆波导端口、矩圆阶梯过渡、方波导、阶梯阻抗匹配段、发射端口，它们沿传输方向的中心线重合。
所述水平极化通道包括依次连通的接收端口和耦合谐振窗，耦合谐振窗与方波导连通，且耦合谐振窗中与发射端口同侧的端面和方波导中与发射端口同侧的端面重合，同时在俯视方向上，方波导沿传输方向的中心线与耦合谐振窗沿同一方向的中心线重合。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）本发明采用圆波导作为公共端口，与矩形波导相比，具有加工方便、损耗低、易实现双极化的优点。
（2）本发明在阶梯过渡段引入耦合窗，使得发射端口回波损耗小于-29dB，接收端口回波损耗小于-27dB，极化隔离度大于50dB，因此电气性能更好。
（3）本发明中的高频为Ka频段，低频为K频段，可以实现双频收发共用。
（4）本发明用紧凑型结构替代膜片和电感棒等复杂结构，简单，便于加工。
（5）本发明可以分解为两个对称分层结构，采用螺钉对各层进行连接，免去了传统的焊接工艺，结构简单，易于加工。
附图说明
图1是本发明一种K和Ka双频段正交模耦合器的整体结构三维图。
图2是本发明一种K和Ka双频段正交模耦合器的整体结构正面视图。
图3是本发明一种K和Ka双频段正交模耦合器的阶梯阻抗匹配端的细节图。
图4是本发明一种K和Ka双频段正交模耦合器的结构内部细节图。
图5是本发明一种K和Ka双频段正交模耦合器的俯视图。
图6是本发明一种K和Ka双频段正交模耦合器的整体结构内部细节三维图。
图7是本发明一种K和Ka双频段正交模耦合器的低频回波损耗特性曲线图。
图8是本发明一种K和Ka双频段正交模耦合器的高频回波损耗特性曲线图。
图9是本发明一种K和Ka双频段正交模耦合器接收端口与发射端口的隔离度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图6，一种K和Ka双频段正交模耦合器，通过垂直极化通道和水平极化通道垂直连接，用垂直极化波传输发射信号，用水平极化波传输接收信号，利用两个极化波的正交去耦来实现信号间的隔离。垂直极化通道包括依次连通的公共圆波导端口（1）、矩圆阶梯过渡（4）、方波导（7）、阶梯阻抗匹配段（6）、发射端口（2），它们沿传输方向的中心线重合。
公共圆波导端口（1）采用的是BY190标准圆波导法兰，与矩形波导相比，具有加工方便、损耗低、易实现双极化的优点。根据发射通道的频段属于Ka频段，发射端口（2）采用的是WR-28标准矩形波导法兰。矩圆阶梯过渡（4）为方波导，边长D4为9.5mm，长度L4为3.4mm，方波导（7）的边长D7为8.5mm，长度L7为13.6mm。
图3中阶梯阻抗匹配段（6）为切比雪夫型二阶阻抗变换，直径大的段与方波导（7）相连，边长D6a为8.1mm，长度L6a为3.1mm，高度H6a为6.92mm，直径小的段与发射端口（2）相连，边长D6b为7.6mm，长度L6b为3mm，高度H6b为4.6mm，这样的结构使得发射端口回波损耗小于-29dB。
水平极化通道包括依次连通的接收端口（3）和耦合谐振窗（5），耦合谐振窗（5）与方波导（7）连通，且耦合谐振窗（5）中与发射端口（2）同侧的端面和方波导（7）中与发射端口（2）同侧的端面重合，同时在俯视方向上，方波导（7）沿传输方向的中心线与耦合谐振窗（5）沿同一方向的中心线重合。根据接收通道的频段属于K频段，接收端口（3）采用的是WR-42标准矩形波导法兰。
耦合谐振窗（5）垂直处于方波导（7）上方，如图5所示，长度L5为7.73mm，宽度D5为1.8mm，高度H5为1mm。此结构使得接收端口回波损耗小于-27dB，极化隔离度大于50dB，因此电气性能更好。
图7示出了本发明接收端口（3）与公共圆波导端口（1）的低频段19GHz~21GHz的回波损耗小于-27dB。图8示出了本发明发射端口（2）的高频段29GHz~32.5GHz的回波损耗小于-29dB。图9示出了本发明接收端口（3）与发射端口（2）在整个频段19GHz~32.5GHz的隔离度都大于-50dB。各个端口驻波都优于1.1，优于上述文献中的相应指标。
本发明采取机铣工艺易于加工，用紧凑型结构代替了膜片与电感棒等复杂结构，实现了结构简单、体积小、便于加工，极化隔离度高、驻波与插损小的优良电气性能。

Claims (7)

1.一种K和Ka双频段正交模耦合器，通过垂直极化通道和水平极化通道垂直连接，用垂直极化波传输发射信号，用水平极化波传输接收信号，利用两个极化波的正交去耦来实现信号间的隔离，其特征在于：
垂直极化通道包括依次连通的公共圆波导端口（1）、矩圆阶梯过渡（4）、方波导（7）、阶梯阻抗匹配段（6）、发射端口（2），它们沿传输方向的中心线重合；
水平极化通道包括依次连通的接收端口（3）和耦合谐振窗（5），耦合谐振窗（5）与方波导（7）连通，且耦合谐振窗（5）中与发射端口（2）同侧的端面和方波导（7）中与发射端口（2）同侧的端面重合，同时在俯视方向上，方波导（7）沿传输方向的中心线与耦合谐振窗（5）沿同一方向的中心线重合。
2.根据权利要求1所述的K和Ka双频段正交模耦合器，其特征在于：公共圆波导端口（1）采用的BY190标准圆波导法兰。
3.根据权利要求1所述的K和Ka双频段正交模耦合器，其特征在于：发射端口（2）采用WR-28标准矩形波导法兰。
4.根据权利要求1所述的K和Ka双频段正交模耦合器，其特征在于：矩圆阶梯过渡（4）为方波导，边长D4为9.5mm，长度L4为3.4mm，方波导（7）的边长D7为8.5mm，长度L7为13.6mm。
5.根据权利要求1所述的K和Ka双频段正交模耦合器，其特征在于：阶梯阻抗匹配段（6）为切比雪夫型二阶阻抗变换，直径大的一端与方波导（7）相连，边长D6a为8.1mm，长度L6a为3.1mm，高度H6a为6.92mm，直径小的一端与发射端口（2）相连，边长D6b为7.6mm，长度L6b为3mm，高度H6b为4.6mm，使得发射端口回波损耗小于-29dB。
6.根据权利要求1所述的K和Ka双频段正交模耦合器，其特征在于：接收端口（3）采用的是WR-42标准矩形波导法兰。
7.根据权利要求1所述的K和Ka双频段正交模耦合器，其特征在于：耦合谐振窗（5）垂直处于方波导（7）上方，耦合谐振窗（5）的长度L5为7.73mm，宽度D5为1.8mm，高度H5为1mm，使得接收端口回波损耗小于-27dB，极化隔离度大于50dB，电气性能更好。
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