CN111697305B - 一种s波段十六孔te21模耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达天线系统中的自跟踪馈源技术领域，具体涉及一种S波段十六孔TE21模耦合器。本发明包括圆波导与至少四路矩形副波导，各矩形副波导长度方向平行圆波导轴线；矩形副波导的窄边与圆波导外壁相固接，且在固接面处沿圆波导轴向布置直线阵列状的耦合孔从而连通圆波导与相应矩形副波导；各矩形副波导处耦合孔数目均为16个且外形均呈长圆孔状，每路矩形副波导处耦合孔的孔间距S采用等间距布局。本发明的每路矩形副波导只需16个耦合孔就可以实现对当前TE21模的完全耦合，同时又能对TE11模和其他高次模有大于40dB以上的抑制，且结构更为紧凑，极为符合自跟踪馈源的小型化的发展趋势和工程需求。

Description

一种S波段十六孔TE21模耦合器

技术领域

本发明属于雷达天线系统中的自跟踪馈源技术领域，具体涉及一种S波段十六孔TE21模耦合器。

背景技术

TE21模耦合器是将矩形副波导中的TE10模耦合成圆波导中的TE21高次模，继而产生跟踪用的差方向图的器件。TE21模跟踪精度高，耦合器结构紧凑，因而在卫星通信与星载雷达中得到越来越多的应用。实际工作时，从反射面天线入射的TE11通信信号，会通过TE21耦合器的主通道，小损耗地以和信号形式输出。当天线电轴与来波方向重合时，没有误差信号输出；而当天线电轴偏离来波方向时，差波束将接收到信号，喇叭中将激励起TE21高次模。经过主通道的TE21高次模，经耦合孔耦合到差通道，模式转化为矩形副波导中的TE10模；TE10模再通过后面的合成网络合成一路信号。合成网络可分为线极化网络与圆极化网络。线极化网络对应于四个耦合臂的耦合器，该耦合器只耦合了TE21两个模式中的一个，没有将简并模式耦合出来。圆极化网络对应于八个耦合臂的耦合器，此类耦合器将TE21与其简并模都耦合出来，通过魔T和90°电桥形成圆极化。传统TE21模耦合器的缺陷在于：由于TE21模耦合器只耦合TE21模,而不耦合(或抑制)其它模式,因此要求对主模TE11模的抑制度要达到40dB以上，这样TE21模和TE11模才能互不干扰工作；同时，耦合采用圆形孔阵列布局方式，不同的孔径尺寸和耦合孔孔间距等对耦合波型以外其它模式的抑制度和耦合带宽影响也较大。目前常用的耦合函数为常数加权Bessel分布，因此圆形孔状的耦合孔数目常取48或32；对于频段更低的S波段的TE21模耦合器，由于要满足对其他模式40dB以上抑制，因此耦合孔数目一般取48，这时整体器件长度达到2米以上，尺寸庞大，显然不符合自跟踪馈源的小型化的发展趋势和工程需求。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理而使用可靠便捷的工作在S波段2.05～2.3GHz的S波段十六孔TE21模耦合器；本耦合器相对工作带宽13％左右，每路矩形副波导只要16个耦合孔就可以实现对当前TE21模的完全耦合，同时又能对TE11模和其他高次模有大于40dB以上的抑制，且结构更为紧凑，极为符合自跟踪馈源的小型化的发展趋势和工程需求。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种S波段十六孔TE21模耦合器，包括圆波导与至少四路矩形副波导，各矩形副波导长度方向平行圆波导轴线；矩形副波导的窄边与圆波导外壁相固接，且在固接面处沿圆波导轴向布置直线阵列状的耦合孔以连通圆波导与相应矩形副波导；其特征在于：各矩形副波导处耦合孔数目均为16个且外形均呈长圆孔状，长圆孔状的耦合孔的孔型长度方向平行圆波导轴线，各耦合孔的孔型宽度h等宽，且h取值范围为18mm≤h≤25mm，并根据表1所示耦合分布表来获得耦合孔的孔型长度l：

表1耦合孔的耦合分布表

每路矩形副波导处耦合孔的孔间距S采用等间距布局，并通过如下公式求得：

S＝1.15L_max

其中，

S为耦合孔的孔间距；

L_max为耦合分布最强的耦合孔的孔型长度值。

本发明的有益效果在于：

1)、通过上述方案，一方面，分析TE21模主波导与矩形副波导的耦合波形可以看出，由于矩形副波导中无Hy分量，只有Hx和Hz分量，也即只有圆波导的Hz分量与矩形副波导的Hz分量进行耦合。因此，为达到增强耦合的目的，本发明在Hz方向也即沿圆波导的轴向布置的长圆孔，其耦合效率比传统圆孔状耦合孔的耦合效率更高。本发明删除了两边较弱的几个耦合分布，仅用中间较强的耦合分布，并通过更高耦合效率的具备特定孔长及孔宽尺寸的长圆孔状耦合孔来增强耦合，配合特定的孔数及孔间距，即可确保达到同样的耦合强度需要的同时，有效减少耦合孔数量，减小器件尺寸。另一方面，经过仿真对比，等孔间距分布比传统的由耦合强度而定的渐变分布(中间耦合强的孔间距大，两边耦合弱的孔间距小)和传统的1/4波长间距分布时，在两个方面有优势：其一，圆波导TE21差模对TE11主模的抑制度提高10-20dB，弥补了因为耦合孔数少，对和模和其他高次模抑制的降低，满足-40dB以上的抑制要求；其二，增加了工作带宽，增加幅度为8％以上，显然更为满足实际使用需求。

综上，本发明能可靠工作于S波段2.05～2.3GHz，相对工作带宽13％左右，且每路矩形副波导只要16个耦合孔就可以实现对当前TE21模的完全耦合，同时又能对TE11模和其他高次模有大于40dB以上的抑制，且结构更为紧凑，长度尺寸为700mm左右，缩减为原来的三分之一，极为符合自跟踪馈源的小型化的发展趋势和工程需求。

附图说明

图1为本发明的八臂TE21模耦合器实物外观图；

图2为本发明的四臂TE21模耦合器仿真模型和端口设置示意图；

图3为本发明的四臂TE21模耦合器仿真的差模耦合度曲线图；

图4为本发明的四臂TE21模耦合器仿真的各端口驻波曲线图；

图5为本发明的四臂TE21模耦合器仿真的TE21差模对TE11和模的抑制曲线图；

图6为本发明的四臂TE21模耦合器仿真的TE21差模对TM01模的抑制曲线图。

本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：

1-圆波导2-矩形副波导3-波导负载4-耦合孔

具体实施方式

为便于理解，此处结合表1，图1-5及如下具体实施例，对本发明的具体设计流程作以下进一步描述：

一个完整的TE21模，需要在圆波导上用正交的四个矩形副波导臂耦合出来，然后经过功分器合成为一路信号，但其只能实现对一种线极化信号的跟踪。为了实现对圆极化信号的跟踪，需要将两个简并的TE21模全部耦合出来，这两个模式在远场辐射中是正交的，这时需要八个矩形副波导，图1就是实现圆极化的八臂TE21模耦合器。以图1的八臂TE21模耦合器的实物外观图为例，其由作为主波导的圆波导1和八路矩形副波导2组成，圆波导1和矩形副波导2的窄边相连，且两者间由耦合孔如图2所示的阵列相连。矩形副波导的一端为TE21模耦合端口，另一端接吸收匹配负载3，以消除反射波的影响。

实际上，TE21模耦合器在建模仿真时可以简化处理，只激励TE21模的一个简并模，此时可用如图2所示的四臂TE21模耦合器仿真模型表示。为进一步描述本发明，在图2的端口定义中，p1和p2为圆波导端口,p3、p5、p7及p9为TE21模耦合端口，p4、p6、p8及p10为TE21模隔离端口。实际工作时，p1和p2分别设置五个工作模式，依次是TE11模的水平极化、TE11模的垂直极化、TM01模、TE21模及TE21模的简并模，这里的模型激励设置为端口p1的第五个模式，即TE21模的简并模作为激励。

在图2中，可看出耦合孔4的形状为长圆孔。具体进行仿真模型设计时，此处在18mm≤h≤25mm中，任取耦合孔4的孔型宽度h＝22mm。

当然，孔型宽度的极大值应小于该频段矩形波导的窄边宽度，靠近波导窄边边缘电场减弱，耦合效率会降低，故选择孔型宽度≤25mm；当孔型宽度小于18mm时，为达到同样耦合强度，耦合孔需要的孔长变长，16个孔全部需要增加孔长后，同时按比例计算的孔间距也会变大，最终导致器件整体尺寸变长，失去小型化优势，故设置孔型宽度最优取值范围为18mm≤h≤25mm。

孔型长度l依据表1所示；

表1耦合孔的耦合分布表

表1中，1/16也即同一矩形副波导2的窄边处分布在最外侧的彼此对称的第一号孔及第十六号孔，其他序号同理，2/15表示彼此对称分布的第二号孔及第食十五号孔，以此类推。将表1内数据代入常规仿真软件中，计算得出耦合孔4的孔型长度l，同时耦合孔4的孔间距S由于采用等间距分布，根据S＝1.15L_max可得孔间距S为43mm，经仿真获得本发明总长度为720mm。实际取值时，计算的孔型长度l和孔间距S取值满足对应频段尺寸的加工公差即可，精度一般取到小数点后两位，该误差对电特性几乎没有影响。

以上述参数的四臂TE21模耦合器，来通过常规仿真软件软件获取其差模耦合度曲线图，如图3所示，可知：四臂完全耦合时，每个分臂的耦合强度理论值为-6dB，该曲线显示在2.05-2.3GHz的频域内，耦合度为6.05-6.8dB，即耦合损耗为0.05-0.8dB。

图4为通过以上述参数的四臂TE21模耦合器所仿真的各端口驻波曲线图，可知：图4中显示的曲线分别为端口p1的TE11模水平极化回波损耗S(1:1,1:1),TE11模垂直极化回波损耗S(1:2,1:2),TE21模回波损耗S(1:4,1:4)，TE21简并模回波损耗S(1:5,1:5)，TE21耦合口p3回波损耗S(3:1,3:1)，TE21耦合口p5回波损耗S(5:1,5:1)，TE21耦合口p7回波损耗S(7:1,7:1)，TE21耦合口p9回波损耗S(9:1,9:1)。图4中在2.09-3.05GHz内回波损耗均在-20dB以下，对应驻波1.2左右；S(1:5,1:5)在2.07GHz驻波最差点为1.3左右。

图5为通过上述参数的四臂TE21模耦合器所仿真的TE21差模对TE11和模的抑制曲线图，可知：由于p3、p5、p7及p9为TE21模耦合口，图5中曲线S(1:1,3:1)，S(1:1,,5:1)，S(1:1,7:1)，S(1:1,9:1)分别为4个TE21模耦合口对主波导中TE11模的水平极化的抑制，曲线S(1:2,3:1)，S(1:2,,5:1)，S(1:2,7:1)，S(1:2,9:1)分别为4个TE21模耦合口对主波导中TE11模的垂直极化的抑制，从图5中可以看出，TE21模对TE11模两个简并模在2.05-2.3GHz范围内的抑制全部大于-40dB，显然满足工程中TE21差模和TE11和模间互不干扰的要求。

图6为通过以上述参数的四臂TE21模耦合器所仿真的TE21差模对TM01模的抑制曲线图，可知：在耦合器的圆波导口p1和p2分别设置五个工作模式，其中的第三个模式时TM01模，故图6的曲线S(1:5,1:3)和S(1:5,2:3)分别为TE21模对p1和p2两圆波导口TM01的抑制，从曲线中看到，该抑制度大于-60dB。

综上所述，本发明的16孔TE21模耦合器相比于传统设计的48孔TE21模耦合器，不仅孔数少，大大减小了整体的长度尺寸，同时工作带宽、TE21模的耦合度、损耗及对主模的抑制均达到指标要求，缩小了雷达馈源尺寸，满足工程应用小型化需求。

Claims (1)

1.一种S波段十六孔TE21模耦合器，包括圆波导（1）与至少四路矩形副波导（2），各矩形副波导（2）长度方向平行圆波导（1）轴线；矩形副波导（2）的窄边与圆波导（1）外壁相固接，且在固接面处沿圆波导（1）轴向布置直线阵列状的耦合孔（4）从而连通圆波导（1）与相应矩形副波导（2）；其特征在于：各矩形副波导（2）处耦合孔（4）数目均为16个且外形均呈长圆孔状，长圆孔状的耦合孔（4）的孔型长度方向平行圆波导（1）轴线，各耦合孔（4）的孔型宽度h等宽，且h取值范围为18mm≤h≤25mm；

用字母KL1、KL2…KL16表示16个耦合孔（4）的耦合分布，则KL1=KL16=5.139, KL2=KL15=6.196, KL3=KL14=8.218, KL4=KL13=9.767, KL5=KL12=11.921, KL6=KL11=13.073, KL7=KL10=14.565, KL8=KL9=15；根据以上耦合分布数据获得孔型长度l；

每路矩形副波导（2）处耦合孔（4）的孔间距S采用等间距布局，并通过如下公式求得：

S=1.15L_max

其中，

S为耦合孔（4）的孔间距；

L_max为耦合分布最强的耦合孔（4）的孔型长度值。

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