CN112886173A - 一种双波段正交模耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双波段正交模耦合器。包括：高频波段正交模耦合器和低频波段正交模耦合器；低频波段正交模耦合器中的两个功率合成器波导口方向设置为同向，将低频波段正交模耦合器的同轴波导口内导体作为高频波段正交模耦合器的公共圆波导口，将高频波段正交模耦合器和低频波段正交模耦合器连接在一起，高频波段正交模耦合器嵌套在低频波段正交模耦合器中中垂直极化波通道的的功率合成器的下方。本发明的双波段正交模耦合器，可实现模型一体化和减重等难题，利用同轴线将两波段整合到一起，减小模型体积。结构紧凑占用体积小易于打印实现。具有良好的传输带宽和低损耗特性，隔离度高。

Description

一种双波段正交模耦合器

技术领域

本发明涉及正交模耦合器技术领域，尤其涉及一种双波段正交模耦合器。

背景技术

随着现代通信技术的飞速发展，通信频谱资源日渐紧张。为缓解这一问题，同一频波段频谱资源的复用方法成为了研究的重点。正交模耦合器 (Orthomode Transducer，简称OMT)是极化复用的通信方式中系统的关键器件之一，利用了电磁波具有的极化特性，采用正交极化的两路电磁波信号分别进行信号传输，在不增加频带宽度的前提下实现通信信道容量的提升。而在毫米波频波段正交模耦合器的研究和设计还存在一系列挑战，主要问题在于毫米波器件结构尺寸小，采用机械加工等传统技术不易实现原有低频的正交模耦合器结构，且传统机械加工较重不能实现一体化。为解决这一问题，采用三维打印(3D)打印来实现具有高性能的正交模耦合器结构。3D打印是一种快速成形技术，把模型设计好后，利用切片工具对模型逐层平面切片，再由打印机把材料按切片图形一层层进行叠加，最终堆积成需要的实体。相较于传统机械加工方法，3D打印技术具有损材少、易实现复杂模型结构一体化成型等多种优势。

采用传统机械加工方法实现的OMT虽然完全满足工程需要，但是大多只适用单一波段且模型质量重不易加工、难以实现结构一体化。采用3D打印技术实现传统OMT结构极易在结构内部产生支撑且无法去除。因此采用3D打印加工双频OMT结构技术的难点在于在整体结构满足3D打印加工条件同时避免OMT内部出现支撑。OMT主要应用于双工器、雷达探测、提高电磁稳定性等方面对模型重量要求严格，模型减重也是传统机械加工难题之一。

总之，有必要设计出一种可满足3D打印且高性能的双波段正交模耦合器，解决模型结构一体化和减重等技术难题。

发明内容

本发明的实施例提供了一种双波段正交模耦合器，以克服现有技术的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种双波段正交模耦合器，包括：高频波段正交模耦合器和低频波段正交模耦合器；

所述低频波段正交模耦合器采用同轴波导作为公共波端口端，利用十字双对称分支波导与功率合成器进行连接，两个功率合成器波导口方向均沿Z轴正方向且相互垂直，所述高频波段正交模耦合器采用渐变型双脊、利用对称分支波导与功率合成器进行连接，两波导口方向为异向分别沿X轴正方向与X 轴负方向。将所述低频波段正交模耦合器的同轴波导口内导体作为所述高频波段正交模耦合器的公共圆波导口，将所述高频波段正交模耦合器和所述低频波段正交模耦合器连接在一起，所述高频波段正交模耦合器嵌套在所述低频波段正交模耦合器中E面转弯波导通道的功率合成器的下方。所述低频波段正交模耦合器对称分支结构，垂直极化波通道先沿Y轴方向弯折90度后沿Z 方向再弯折90度后沿Y轴方向后接功率合成器，水平极化波通道结构先沿X轴弯折90度后沿Y方向再弯折90度沿X轴方向后接功率合成器。

优选地，所述高频波段正交模耦合器和低频波段正交模耦合器中的转弯波导采用直角型。

优选地，所述低频波段正交模耦合器在低频波段实现正交极化的信号的分离和合成，所述高频波段正交模耦合器在高频频波段实现正交极化的信号的分离和合成。

优选地，所述低频波段正交模耦合器的公共波导口采用同轴波导传输，高频波段正交模耦合器的公共波导口采用圆柱形波导传输，低频波段正交模耦合器的同轴内导体中空，且内导体直径大于高频波段正交模耦合器的的圆柱形波导直径。

优选地，所述低频波段正交模耦合器的整体结构采用同轴波导作为公共波端口端，利用十字双对称分支波导与功率合成器进行连接，两个功率合成器波导口方向均沿Z轴正方向且相互垂直，功率合成器采用T型功率合成器。

优选地，所述高频波段正交模耦合器采用渐变型双脊、利用对称分支波导与功率合成器进行连接，两波导口方向为异向分别沿X轴正方向与X轴负方向，功率合成器采用T型功率合成器。

优选地，所述高频波段正交模耦合器的结构尺寸小于所述所述低频波段正交模耦合器的结构尺寸，所述高频波段正交模耦合器的阶梯处采用阶梯渐变结构。

优选地，所述低频波段正交模耦合器的波导口采用矩形法兰，所述高频波段正交模耦合器的波导口采用圆形法兰。

优选地，高频波段垂直极化通道用于传输高频波段垂直极化波，包括依次连通的公共圆波导端口、双脊型波导、转弯波导、功率合成器、转弯波导和波导口，高频波段水平极化通道用于传输高频波段水平极化波，包括依次连通的公共圆波导端口、双脊渐变结构、转弯波导、阶梯过渡和波导口。

优选地，低频波段垂直极化通道用于传输低频波段垂直极化波，包括依次连通的公共同轴波导端口、转弯波导、转弯波导、功率合成器和波导口，低频波段水平极化通道用于传输低频波段水平极化波，包括依次连通的公共同轴波导端口、转弯波导、功率合成器和波导口。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例设计出了一种可满足3D打印且高性能的双波段正交模耦合器，可实现模型一体化和减重等难题，利用同轴线将两波段整合到一起，减小模型体积。结构紧凑占用体积小易于打印实现。具有良好的传输带宽和低损耗特性，隔离度高。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种双波段正交模耦合器的结构图，图1a和图1b为整体结构图、图1c为低频波段结构图、图1d为高频阶段结构图；

图2是本发明实施例提供的一种双波段正交模耦合器的正视图；

图3是本发明实施例提供的一种双波段正交模耦合器的俯视图；

图4是本发明实施例提供的一种双波段正交模耦合器的侧视图；

图5是本发明实施例提供的一种双波段正交模耦合器的剖面图；

图6是本发明实施例提供的一种双波段正交模耦合器中功率合成器剖面图 (a)为低频波段功率合成器剖面图(b)为高频波段功率合成器剖面图

图7是本发明实施例提供的一种双波段正交模耦合器在14.4～15.35GHz波段仿真结果图(a)为回波损耗、(b)为插入损耗、(c)为隔离度

图8是本发明实施例提供的一种双波段正交模耦合器在71～86GHz波段仿真结果图(a)为回波损耗、(b)为插入损耗、(c)为隔离度。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语 (包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明提供了一种适用于通过3D打印制作的双波段正交模耦合器，包括：高频波段正交模耦合器和低频波段正交模耦合器，低频波段正交模耦合器在14.4～15.35GHz频波段实现正交极化的信号的分离和合成，高频波段正交模耦合器在71～86GHz频波段实现正交极化的信号的分离和合成。从而解决频率复用问题。

利用低频波段OMT的同轴波导口内导体作为高频波段OMT的公共圆波导口，将两波段OMT连接在一起，低频波段OMT的两个功率合成器波导口方向设置为同向，高频波段OMT嵌套在低频波段OMT中的功率合成器的下方。高频波段正交模耦合器和低频波段正交模耦合器中的转弯波导采用直角切角型。

本发明采用如下方案：

1、双波段OMT模型结构方案

(1)双波段OMT模型的整体结构

低频波段公共波导口采用同轴线方式进行传输，模型利用十字双对称分支波导与功率合成器进行连接，两个功率合成器波导口方向均沿Z轴正方向且相互垂直，高频波段采用渐变型双脊、利用对称分支波导与功率合成器进行连接，两波导口方向为异向分别沿X轴正方向与X轴负方向。

(2)满足3D打印条件结构调整

转弯波导结构中圆角型变化率会过大，因此，本发明采用直角切角型避免变化率过快出现内部支撑。在设计高频波段正交模耦合器时，高频波段尺寸较小，在打印时容易造成打印误差。在设计模型时要避免较小尺寸出现，因此将功率合成器阶梯结构调整为阶梯渐变结构，高频波段结构中的双脊同上采用渐变双脊避免过小尺寸出现。

(3)两频波段OMT连接

在低频波段OMT公共波导口采用同轴波导传输，因此，上述低频波段 OMT公共波导口就是低频波段OMT的同轴波导口。高频波段OMT公共波导口采用圆柱形波导传输，低频波段OMT的同轴内导体中空且内导体直径大于高频波段圆柱形波导直径，波导形状任意，如椭圆或带有倒角的矩形波导等。利用低频波段内导体中空部分做高频波段公共波导口，从而实现两波段OMT 连接，有效节约空间减小模型体积，且结构简单、不须调试。

2、3D打印技术方案

3D打印模型中基本思想是一层一层地建立三维几何图形。每一层都是在水平面上打印的，因此与相邻层的形状不能发生快速变化。否则必须使用额外的支撑结构来保证打印模型的完整性。因此，在设计和打印摆放时考虑整体结构满足3D打印要求，避免模型内部出现支撑影响性能。

本发明模型结构相对与其他打印模型有结构尺寸小和对称等特点。在高频波段结构结构尺寸相对较小，在尺寸过小的阶梯处采用阶梯渐变结构，避免较小结构出现，其他结构均符合打印要求。在低频波段(14.4～15.35GHz频波)利用十字双对称分支波导与功率合成器进行连接，两个功率合成器波导口方向均沿Z轴正方向且相互垂直，结构呈现十字形对称，且结构尺寸较大，在沿着X轴或Y轴进行一次倾斜后，与倾斜角度方向垂直的结构棱边便会与打印平台平行引起内部支撑。因此为使模型内部不产生支撑对模型进行二次倾斜，需要将整体双频段正交模耦合器模型绕Z轴旋转，再绕X轴旋转。

图1是本发明实施例提供的一种双波段正交模耦合器的结构图，图1a和图 1b为整体结构图、图1c为低频波段结构图、图1d为高频阶段结构图；图2、图 3、图4和图5分别是双波段正交模耦合器的正视图、俯视图、侧视图和剖面图。

如图1所示，低频波段正交模耦合器的整体结构，公共波导口采用同轴波导(1)，功率合成器采用E面T型，为避免模型在打印过程中变化率过快，波导口(2)和波导口(3)方向朝向同一方向，转弯波导结构中圆角型变化率会过大，因此采用直角切角型转弯波导(6)和(7)避免变化率过快出现内部支撑。高频波段正交模耦合器的整体结构，功率合成器采用E面T型，转弯波导同样采用直角切角型(10)。低频耦合器的同轴内导体中空且内导体直径D₅大于高频波段圆柱形波导直径D₁，利用低频波段内导体中空部分做高频波段公共波导口，从而实现低频波段与高频波段结合。

低频波段垂直极化通道用于传输低频波段垂直极化波，包括依次连通的公共同轴波导端口(1)、转弯波导(6)、转弯波导(6)、功率合成器 (8)和波导口(2)。低频波段水平极化通道用于传输低频波段水平极化波，包括依次连通的公共同轴波导端口(1)、转弯波导(7)、功率合成器 (8)和波导口(3)。波导口(2)和波导口(3)采用矩形法兰。

高频波段垂直极化通道用于传输高频波段垂直极化波，包括依次连通的公共圆波导端口(9)、双脊型波导(11)、转弯波导(10)、功率合成器 (14)、转弯波导(15)和波导口(5)。高频波段水平极化通道用于传输高频波段水平极化波，包括依次连通的公共圆波导端口(9)、双脊渐变结构 (11)、转弯波导(12)、阶梯过渡(13)和波导口(4)，波导口(4)和波导口(5)采用圆形法兰。

双波段正交模耦合器的结构已在图1-图5中标出，下表1中详细展示了图中所标各结构尺寸的参数值(单位mm)：

表1

上述表1中，

W₁表示低频公共波导部分低频波段结构中十字圆台结构的长方体结构的宽度。

W₂表示低频E面T型功率合成器阶梯阻抗变换段第一阶梯宽度

W₃表示低频E面T型功率合成器阶梯阻抗变换段第二阶梯宽度

W₄表示低频E面T型功率合成器阶梯阻抗变换段第三阶梯宽度

W₅表示低频E面T型功率合成器阶梯阻抗变换段第四阶梯宽度

W₆表示低频E面T型功率合成器两分支的中心处较小宽度

W₇表示低频E面T型功率合成器两分支的中心处较大宽度

W₈表示低频E面T型功率合成器端口的宽度

W₉表示高频E面T型功率合成器渐变型阶梯阻抗变换段第一阶梯宽度

W₁₀表示高频E面T型功率合成器渐变型阶梯阻抗变换段第二阶梯宽度

W₁₁表示高频E面T型功率合成器渐变型阶梯阻抗变换段第三阶梯宽度

W₁₂表示高频E面T型功率合成器渐变型阶梯阻抗变换段第四阶梯宽度

W₁₃表示高频E面T型功率合成器两分支的中心处较小宽度

W₁₄表示高频E面T型功率合成器两分支的中心处较大宽度

W₁₅表示高频E面T型功率合成器端口的宽度

L₁表示低频公共波导部分低频波段结构中十字圆台结构的长方体结构的长度。

L₂表示低频E面T型功率合成器阶梯阻抗变换段第二阶梯长度

L₃表示低频E面T型功率合成器阶梯阻抗变换段第三阶梯长度

L₄表示低频E面T型功率合成器阶梯阻抗变换段第四阶梯长度

L₅表示高频E面T型功率合成器阶梯阻抗变换段第二阶梯长度

L₆表示高频E面T型功率合成器阶梯阻抗变换段第三阶梯长度

L₇表示高频E面T型功率合成器阶梯阻抗变换段第四阶梯长度

L₈表示高频E面T型功率合成器阶梯阻抗变换段第五阶梯长度

D₁表示低频波段正交模耦合器同轴公共波导口内导体挖空部分直径

D₂表示低频波段正交模耦合器同轴公共波导口直经

D₃表示高频波段正交模耦合器中圆台结构上底直径

D₄表示高频波段正交模耦合器中圆台结构下底直径

D₅表示低频波段正交模耦合器同轴公共波导口内导体直径

H₁表示低频波段正交模耦合器同轴公共波导口内导体延伸挖空部分高度

H₂表示低频波段正交模耦合器同轴公共波导口高度

H₃表示高频波段正交模耦合器中圆台结构高度

H₄表示高频波段正交模耦合器双脊结构高度

R₁表示高频波段正交模耦合器圆角型转弯波导结构的内径

R₂表示高频波段正交模耦合器圆角型转弯波导结构的外径

S₁表示低频E面T型功率合成器直角切角型转弯波导内直角边长

S₂表示高频E面T型功率合成器直角切角型转弯波导内直角边长

S₃表示低频波段正交模耦合器H面直角切角型转弯波导中直角边长

图6是本发明实施例提供的一种双波段正交模耦合器中功率合成器剖面图，图6a为低频波段功率合成器剖面图，图6b为高频波段功率合成器剖面图。图7是本发明实施例提供的一种双波段正交模耦合器在14.4～15.35GHz波段仿真结果图，其中，图7a为回波损耗、图7b为插入损耗、图7c为隔离度。图8是本发明实施例提供的一种双波段正交模耦合器在71～86GHz波段仿真结果，其中，图8a为回波损耗、图8b为插入损耗、图8c为隔离度。

如图7所示，在14.4～15.35GHz波段，各通道内插入损耗小于0.1dB，回波损耗优于20dB，电压驻波比小于1.3dB，端口隔离度达到了57dB。如图8所示，在71～86GHz波段，各端口插入损耗均低于0.1dB，回波损耗同样优于 19dB，端口隔离度达到了56dB，电压驻波比小于1.25。

综上所述，本发明实施例设计出了一种可满足3D打印且高性能的双波段正交模耦合器，可实现模型一体化和减重等难题，利用同轴线将两波段整合到一起，减小模型体积。结构紧凑占用体积小易于打印实现。具有良好的传输带宽和低损耗特性，隔离度高。

本发明实施例的双波段正交模耦合器可实现在14.4～15.35GHz、71～86 GHz两频段实现正交极化的信号进行分离和合成，解决频率复用问题。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种双波段正交模耦合器，其特征在于，包括：高频波段正交模耦合器和低频波段正交模耦合器；

所述低频波段正交模耦合器采用同轴波导作为公共波端口端，利用十字双对称分支波导与功率合成器进行连接，两个功率合成器波导口方向均沿Z轴正方向且相互垂直，所述高频波段正交模耦合器采用渐变型双脊、利用对称分支波导与功率合成器进行连接，两波导口方向为异向分别沿X轴正方向与X轴负方向。将所述低频波段正交模耦合器的同轴波导口内导体作为所述高频波段正交模耦合器的公共圆波导口，将所述高频波段正交模耦合器和所述低频波段正交模耦合器连接在一起，所述高频波段正交模耦合器嵌套在所述低频波段正交模耦合器中E面转弯波导通道的功率合成器的下方。所述低频波段正交模耦合器对称分支结构，垂直极化波通道先沿Y轴方向弯折90度后沿Z方向再弯折90度后沿Y轴方向后接功率合成器，水平极化波通道结构先沿X轴弯折90度后沿Y方向再弯折90度沿X轴方向后接功率合成器。

2.根据权利要求1所述的双波段正交模耦合器，其特征在于，所述高频波段正交模耦合器和低频波段正交模耦合器中的转弯波导采用直角切角型。

3.根据权利要求1所述的双波段正交模耦合器，其特征在于，所述低频波段正交模耦合器在低频波段实现正交极化的信号的分离和合成，所述高频波段正交模耦合器在高频波段实现正交极化的信号的分离和合成。

4.根据权利要求1所述的双波段正交模耦合器，其特征在于，所述低频波段正交模耦合器的公共波导口采用同轴波导传输，高频波段正交模耦合器的公共波导口采用圆柱形波导传输，低频波段正交模耦合器的同轴内导体中空，且内导体直径大于高频波段正交模耦合器的圆柱形波导直径。

5.根据权利要求1所述的双波段正交模耦合器，其特征在于，所述低频波段正交模耦合器的结构采用同轴波导作为公共波端口端，利用十字双对称分支波导与功率合成器进行连接，两个功率合成器波导口方向均沿Z轴正方向且相互垂直，功率合成器采用T型功率合成器。

6.根据权利要求1所述的双波段正交模耦合器，其特征在于，所述高频波段正交模耦合器采用渐变型双脊、利用对称分支波导与功率合成器进行连接，两波导口方向为异向分别沿X轴正方向与X轴负方向，功率合成器采用T型功率合成器。

7.根据权利要求1至6任一项所述的双波段正交模耦合器，其特征在于，所述高频波段正交模耦合器的结构尺寸小于所述低频波段正交模耦合器的结构尺寸，所述高频波段正交模耦合器的阶梯处采用阶梯渐变结构。

8.根据权利要求7所述的双波段正交模耦合器，其特征在于，所述低频波段正交模耦合器的波导口采用矩形法兰，所述高频波段正交模耦合器的波导口采用圆形法兰。

9.根据权利要求7所述的双波段正交模耦合器，其特征在于，高频波段垂直极化通道用于传输高频波段垂直极化波，包括依次连通的公共圆波导端口、双脊型波导、转弯波导、功率合成器、转弯波导和波导口，高频波段水平极化通道用于传输高频波段水平极化波，包括依次连通的公共圆波导端口、双脊渐变结构、转弯波导、阶梯过渡和波导口。

10.根据权利要求7所述的双波段正交模耦合器，其特征在于，低频波段垂直极化通道用于传输低频波段垂直极化波，包括依次连通的公共同轴波导端口、转弯波导、转弯波导、功率合成器和波导口，低频波段水平极化通道用于传输低频波段水平极化波，包括依次连通的公共同轴波导端口、转弯波导、功率合成器和波导口。

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