CN114188688B - 一种小型化同轴波导正交模耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化同轴波导正交模耦合器，属于微波天线技术领域。其包括同轴波导外波导、低频段耦合波导、同轴波导内波导、短路片、高频段耦合波导、波导吸收负载和波导谐振腔；同轴波导外波导与同轴波导内波导同轴连接组成同轴波导；同轴波导外波导开低频耦合孔连接低频段耦合波导，实现低频信号的传输；同轴波导外波导开高频耦合孔连接高频段耦合波导，实现高频信号的传输；低频耦合孔与高频耦合孔成在同轴波导外波导上成90度夹角；短路片由同轴波导上的槽缝插入与同轴波导内波导良好接触，且位置在低频耦合孔与高频耦合孔之间。本发明具有结构紧凑，小型化的特点，能够满足小口径收发共用天线的应用。

Description

一种小型化同轴波导正交模耦合器

技术领域

本发明涉及到微波天线技术领域，特别涉及一种小型化同轴波导正交模耦合器。

背景技术

随着科技的快速发展，卫星通信的应用变得越来越广泛，由于频率资源的极度紧张，通过利用各种复用技术使得卫星通信反射面天线的使用带宽得以扩大，卫星通信就能够实现多个频段的共同使用，这些功能主要由馈电系统来完成。目前，卫星通信天线向着多极化、多频段、宽带化等方向发展，同时还要满足小型化、重量轻、造价低等要求。

正交模耦合器(OMT)被广泛的应用于双极化天线馈电网络中。它可以将双极化信号进行合成以及分离，天线的双极化特性主要取决于正交模耦合器。其性能优劣对整个系统的通信质量都有重要影响，当两个相互隔离的正交信号工作同一频率时，可以增大信道的通信容量，如果工作频率不同，则可以提高信道间的隔离度。正交模耦合器在通信领域、射电天文以及雷达探测等系统中都有极其广泛的应用。

传统的波导正交模耦合器按照工作频带范围可以分为宽带OMT和窄带OMT，对于不同的OMT设计的侧重点有所不同。窄带OMT对工作带宽要求不高，设计目的通常是在窄的工作频带内(一般10％左右)追求高性能：如回波损耗、隔离度、交叉极化、插入损耗，以及低生产成本等工程要求。窄带OMT结构上一般不要求完全对称，设计相对简单；但是，由于结构不对称，因此难以消去高次模，从而频带宽度受到限制。典型结构有：锥变分支型、膜片分支型、短路公共波导型、锐角或纵向正交模分支型OMT。而宽带OMT在结构上往往需要对称性设计，对称性结构的设计对高次模有明显抑制作用，易于展宽带宽，但是对称结构OMT尺寸往往较大，设计复杂且加工成本较高，典型结构如：Turnstile型、Biofot型、双脊型、四脊型以及对称负反馈型OMT。

当某一频带或双频带内的收发频率在频谱上相隔较远时，双频馈源实际上应被视作三频或四频馈源，为实现高低频带间的高度隔离，多采用同轴波导混合馈电结构，其中的同轴波导通道传输低频段信号，同轴内波导实现高频段信号的传输。传统的正交模耦合器不能满足同轴系统的要求，且在低频信号通道仅能实现工作频率的极化双工，无法实现该频段的收发双工。

实现同轴波导正交模耦合器的馈电方式一般有两种：一是采用两对相互正交的探针激励，其中一对探针，对称分布于同轴波导两边，采用等幅反相馈电来激励起同轴波导中的次高模TE11模，另一对探针与第一对探针正交，激励起正交的TE11模，两对探针之间可以加隔离柱或者隔板来增加两馈电端口之间的隔离度。探针馈电一般带宽较窄,而且还需要功分器，移相器等对对称探针进行激励，后续结构较复杂。另一种是在同轴波导外通过十字转门和E面四臂矩形T型合成器，将两个正交的正交线极化分别合成，进一步的收发分离还需要采用频率双工器来实现，合成网络复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种小型化同轴波导正交模耦合器。该耦合器在同轴波导中具有收发隔离大，结构紧凑小型化的特点，能够满足小口径收发共用天线的应用。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种小型化同轴波导正交模耦合器，包括同轴波导外波导和同轴波导内波导，所述同轴波导内波导位于同轴波导外波导内部，两者轴线重合构成同轴波导；还包括低频段耦合波导、高频段耦合波导和短路片；所述同轴波导外波导上沿波导信号的传输方向依次开设有低频耦合孔和高频耦合孔，其中，低频耦合孔与同轴波导轴心的连线和高频耦合孔与同轴波导轴心的连线呈90°夹角；所述低频耦合孔与低频段耦合波导连接，高频耦合孔与高频段耦合波导连接；

所述同轴波导外波导上还开设有槽缝；在同轴波导的延伸方向上，槽缝位于低频耦合孔和高频耦合孔之间，且其中一槽缝与高频耦合孔的连线与同轴波导的轴线平行；所述短路片位于槽缝中，且与同轴波导内波导有接触。

进一步的，还包括波导反射腔，所述同轴波导外波导上还设有波导反射腔连接孔；所述波导反射腔通过波导反射腔连接孔与同轴波导连接；所述波导反射腔和高频段耦合波导位于同轴波导外波导的相对位置，波导反射腔和高频段耦合波导的连线垂直于同轴波导的轴线。

进一步的，还包括波导吸收负载；所述同轴波导外波导上还开有波导负载连接孔；在同轴波导的延伸方向上，所述波导负载连接孔位于槽缝和高频耦合孔之间；所述波导吸收负载通过波导负载连接孔与同轴波导连接。

进一步的，所述波导吸收负载设有两个，两个波导吸收负载的连线垂直于同轴波导的轴线。

进一步的，所述波导吸收负载包括矩形波导腔和位于矩形波导腔内的吸收材料；所述矩形波导腔的入口端设有用于与波导负载连接孔匹配的膜片。

进一步的，所述高频耦合孔和波导反射腔连接孔均设置有用于改善高频信号的匹配台阶。

进一步的，所述低频段耦合波导中加载有用于阻抗匹配和抑制高频信号的调谐腔体。

进一步的，所述的槽缝设有两个，两个槽缝对置，两者的连线垂直于同轴波导的轴线。

本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本发明收发共用功能的实现，主要是通过在同轴波导的不同位置耦合出收发频段，收发频段的隔离由两个端口之间的短路片实现，低频段信号耦合波导和高频段信号耦合波导成90度夹角，克服了现有同轴正交模耦合器两个极化工作在同一频率，无法实现收发共用的缺点，具有结构简单紧凑，小型化，电性能优良，能够适用于更小口径反射面天线应用的优点。

2、本发明通过同轴波导中的短路片实现两个正交极化信号的隔离，其中一个极化为低频传输信号，由位于短路片前的外波导壁上的耦合孔传输，耦合孔连接的耦合波导具有滤波结构，实现对高频信号的抑制；另外一个极化为覆盖低频和高频的全带宽信号，由短路片之后的同轴十字转门结构传输，且与该极化匹配的两个耦合波导由E面T型合成器合成。

3、本发明的功能与传统形式的相比，实现了收发共用功能，且具有滤波结构的低频段耦合波导使得收发两个频段的隔离进一步增大，用于发射信号的端口具有宽带工作特性，可覆盖接收频段。

4、本发明的低频信号与高频信号之间的极化隔离采用短路片实现，从而实现了极化和收发分离，能够满足卫星通信、雷达和射电天文等反射面天线领域收发共用系统的应用。与现有技术相比，本发明解决了原有同轴馈源系统中在同轴波导中无法实现收发共用的问题，且该发明具有收发隔离大，结构紧凑小型化的特点，能够满足小口径收发共用天线的应用。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图

图2是本发明实施例的同轴波导外波导示意图。

图3是本发明实施例的同轴波导外波导剖面图。

图4是图1中xz面的剖面图。

图5是图1中xy面的剖面图。

图6是本发明实施例的接收端口反射系数。

图7是本发明实施例的发射端口反射系数。

图8是本发明实施例的收发端口隔离度。

图中：同轴波导外波导—1，低频段耦合波导—2，同轴波导内波导—3，第一短路片—4-1，高频段耦合波导—5，第一吸收负载—6-1，第二吸收负载—6-2，波导反射腔—7，低频耦合孔—8，高频耦合孔—9，波导反射腔连接孔—10，第一吸收负载连接孔—11-1，第二吸收负载连接孔—11-2，第一槽缝—12-1，第二槽缝—12-2，第一圆孔—13-1，第二圆孔—13-2，第一方孔—14-1，第二方孔—14-2，圆台过渡—15，矩形波导腔—16，吸波材料—17，膜片—18，高频匹配台阶—19，波导反射腔匹配台阶—20，谐振腔—21。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

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。

一种小型化同轴波导正交模耦合器，包括同轴波导外波导、低频段耦合波导、同轴波导内波导、短路片、高频段耦合波导、波导吸收负载和波导反射腔；所述的同轴波导外波导与同轴波导内波导同轴连接，组成同轴波导；所述的同轴波导外波导开低频耦合孔，连接低频段耦合波导，实现低频信号的传输；所述的同轴波导外波导开高频耦合孔，连接高频段耦合波导，实现高频信号的传输；所述的低频耦合孔与高频耦合孔成在同轴波导外波导上成90度夹角；所述的短路片由同轴波导上的槽缝插入与同轴波导内波导良好接触，且位置在低频耦合孔与高频耦合孔之间。

通过同轴波导中的短路片实现实现低频信号与高频信号之间的极化隔离，其中一个极化为低频传输信号，由位于短路片前的同轴外波导壁上的低频耦合孔传输，耦合孔连接的耦合波导具有滤波结构，实现对高频信号的抑制；另外一个极化为高频信号，经短路片之后的高频耦合孔后由高频耦合波导传输。

进一步的，所述的同轴波导外波导设置有波导反射腔连接孔，与波导反射腔相连接，以使的高频信号完全由高频耦合孔传输。

进一步的，所述的同轴波导外波导设置有相对的两个波导负载连接孔，与吸收负载相连接，吸收高频信号的反极化分量，改善高频信号的传输性能。

进一步的，所述的同轴波导外波导上在低频耦合孔前设置圆形调配孔，可插入调配螺钉，改善低频信号的传输性能，且圆形调配孔与低频耦合孔成90度夹角。

进一步的，所述的同轴波导外波导上在高频耦合孔后设置方形调配孔，可插入方形金属调配柱，改善高频信号的传输性能，且方形调配孔与高频耦合孔成90度夹角。

进一步的，所述的同轴波导外波导的高频耦合孔后设置圆台过渡，连接同轴波导内波导后，形成同轴波导短路面。

进一步的，所述的吸收负载由矩形波导腔、吸收材料组成，在矩形波导腔的入口处设置有膜片，用来与吸收负载连接孔匹配。

进一步的，所述的高频耦合孔和波导反射腔连接孔均设置匹配台阶，改善高频信号的传输性能。

进一步的，所述的低频段耦合波导中加载有调谐腔体，同时起到阻抗匹配和抑制高频信号的作用。

进一步的，所述的同轴波导外波导与同轴波导内波导组成的同轴圆波导能使工作频率良好传输。

下面为一更具体的实施例：

参见图1至图5，本实施例提供了一种小型化同轴波导正交模耦合器，包括同轴波导外波导1、低频段耦合波导2、同轴波导内波导3、短路片4、高频段耦合波导5、波导吸收负载6、波导反射腔7。

所述的同轴波导外波导与同轴波导内波导同轴连接，组成同轴波导，同轴波导的内外径之比一般应满足最低工作频率要大于1.1倍的截止频率。

所述的同轴波导外波导开低频耦合孔8，连接低频段耦合波导，实现低频信号的传输。

所述的同轴波导外波导开高频耦合孔9，连接高频段耦合波导，实现高频信号的传输。

所述的低频耦合孔与高频耦合孔成在同轴波导外波导上成90度夹角。

所述的同轴波导外波导上开有传输低频信号的耦合孔和放置短路片的两个槽缝，耦合孔的尺寸由优化得到，槽缝宽度一般大于1mm，长度大于低频工作频率的0.25λ。

所述的短路片由同轴波导上的槽缝插入与同轴波导内波导良好接触，且位置在低频耦合孔与高频耦合孔之间。短路片包括第一短路片4-1和第二短路片。槽缝包括第一槽缝12-1和第二槽缝12-2。

所述的同轴波导外波导设置有相对的两个波导负载连接孔，包括第一吸收负载连接孔11-1和第二吸收负载连接孔11-2；与吸收负载相连接，吸收高频信号的反极化分量，改善高频信号的传输性能。

所述的同轴波导外波导上在低频耦合孔前设置圆形调配孔，可插入调配螺钉，改善低频信号的传输性能，且圆形调配孔与低频耦合孔成90度夹角。圆形调配孔包括第一圆孔13-1和第二圆孔13-2。

所述的同轴波导外波导上在高频耦合孔后设置方形调配孔，可插入方形金属调配柱，改善高频信号的传输性能，且方形调配孔与高频耦合孔成90度夹角。方形调配孔包括第一方孔14-1和第二方孔14-2。

所述的同轴波导外波导的高频耦合孔后设置圆台过渡15，连接同轴波导内波导后，形成同轴波导短路面。

所述的吸收负载由矩形波导腔16、吸收材料17组成，在矩形波导腔的入口处设置有膜片18，用来与吸收负载连接孔匹配。

所述的高频耦合孔和波导反射腔连接孔10分别设置高频匹配台阶19和波导反射腔匹配台阶20，改善高频信号的传输性能。

所述的低频段耦合波导中加载有调谐腔21体，同时起到阻抗匹配和抑制高频信号的作用。

所述的同轴波导外波导与同轴波导内波导组成的同轴圆波导能使工作频率良好传输。

对其电气的传输性能进行了验证，具体如下：

图6给出了接收工作频带的反射系数，可看出在3.7-4.2GHz的带宽内，反射系数优于20dB。

图7给出了发射工作频带的反射系数，可看出在5.85-6.425GHz的带宽内，反射系数优于20dB。

图8给出了接收对发射信号的抑制度，可看出在设计的带宽内，收发隔离度大于85dB。

本发明的简要工作原理：

本发明首先由同轴波导外波导与同轴波导内波导同轴连接，组成同轴波导，通过同轴波导中的短路片实现低频信号与高频信号之间的极化隔离，其中一个极化为低频传输信号，由位于短路片前的同轴外波导壁上的低频耦合孔，连接低频段耦合波导，实现低频信号的传输传输，耦合孔连接的耦合波导具有滤波结构，实现对高频信号的抑制，另外一个极化为高频信号，经短路片之后的高频耦合孔，连接高频段耦合波导，实现高频信号的传输。通过在同轴外波导上增加调配孔，吸收负载和阶梯匹配等措施使正交模耦合器的性能满足指标要求。

Claims (8)

1.一种小型化同轴波导正交耦合器，包括同轴波导外波导和同轴波导内波导，所述同轴波导内波导位于同轴波导外波导内部，两者轴线重合构成同轴波导；其特征在于，还包括低频段耦合波导、高频段耦合波导和短路片；所述同轴波导外波导上沿波导信号的传输方向依次开设有低频耦合孔和高频耦合孔，其中，低频耦合孔与同轴波导轴心的连线和高频耦合孔与同轴波导轴心的连线呈90°夹角；所述低频耦合孔与低频段耦合波导连接，高频耦合孔与高频段耦合波导连接；

所述同轴波导外波导上还开设有槽缝；在同轴波导的延伸方向上，槽缝位于低频耦合孔和高频耦合孔之间，且其中一槽缝与高频耦合孔的连线与同轴波导的轴线平行；所述短路片位于槽缝中，且与同轴波导内波导有接触。

2.根据权利要求1所述的一种小型化同轴波导正交耦合器，其特征在于，还包括波导反射腔，所述同轴波导外波导上还设有波导反射腔连接孔；所述波导反射腔通过波导反射腔连接孔与同轴波导连接；所述波导反射腔和高频段耦合波导位于同轴波导外波导的相对位置，波导反射腔和高频段耦合波导的连线垂直于同轴波导的轴线。

3.根据权利要求1所述的一种小型化同轴波导正交耦合器，其特征在于，还包括波导吸收负载；所述同轴波导外波导上还开有波导负载连接孔；在同轴波导的延伸方向上，所述波导负载连接孔位于槽缝和高频耦合孔之间；所述波导吸收负载通过波导负载连接孔与同轴波导连接。

4.根据权利要求3所述的一种小型化同轴波导正交耦合器，其特征在于，所述波导吸收负载设有两个，两个波导吸收负载的连线垂直于同轴波导的轴线。

5.根据权利要求3所述的一种小型化同轴波导正交耦合器，其特征在于，所述波导吸收负载包括矩形波导腔和位于矩形波导腔内的吸收材料；所述矩形波导腔的入口端设有用于与波导负载连接孔匹配的膜片。

6.根据权利要求2所述的一种小型化同轴波导正交耦合器，其特征在于，所述高频耦合孔和波导反射腔连接孔均设置有用于改善高频信号的匹配台阶。

7.根据权利要求1所述的一种小型化同轴波导正交耦合器，其特征在于，所述低频段耦合波导中加载有用于阻抗匹配和抑制高频信号的调谐腔体。

8.根据权利要求1所述的一种小型化同轴波导正交耦合器，其特征在于，所述的槽缝设有两个，两个槽缝对置，两者的连线垂直于同轴波导的轴线。

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