CN114204268A - 一种C/Ku双频共用圆极化同轴馈源网络 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种C/Ku双频共用圆极化同轴馈源网络，属于卫星通信技术领域。其包括同轴馈源喇叭、C波段同轴旋转关节、C波段同轴波导圆极化器、圆极化器驱动电机、同轴过渡波导、C波段宽带同轴正交模耦合器、Ku波段宽带正交模耦合器、C波段频率双工器、Ku波段频率双工器、Ku波段连接波导和馈源网络支架。本发明能够实现C/Ku频段的卫星信号的接收和发射，其中C发射频率5.85‑6.725GH，C接收频率3.7‑4.2GHz，Ku发射频率13.75‑14.5GHz，Ku接收频率10.95‑12.75GHz；且结构紧凑，体积小，性能优良，适于小口径天线的应用。

Description

一种C/Ku双频共用圆极化同轴馈源网络
技术领域
本发明涉及卫星通讯技术领域，特别涉及一种C/Ku双频共用圆极化同轴馈源网络。
背景技术
双频共用和多频共用卫星通信地球站天线的研制是目前卫星通信地球站天线的一个重要发展方向，多频段共用是扩大通信容量，实现一站多用，即可以使一副天馈系统同时工作于两个或多个卫星通信波段。多频段共用终端天线是目前研究的热点，其关键是多频段共用馈源的研究。
多频段馈源网络系统方案主要技术手段有：使用频率选择表面实现分频功能；利用多喇叭两种馈源喇叭进行组阵；共喷口多频公用馈源网络系统；同轴嵌套介质杆加载喇叭馈源网络系统。采用频率选择表面时，工作频带内相对带宽不宽，并且损耗较大，会使天线效率降低。
两种馈源组阵时，通常将高频段的小天线放置于中心位置，低频段天线环绕放置于外侧组阵，这种天线通常要求高频段工作频率在低频段的三倍频或者以上，需要较大的频率间隔，不适宜C/Ku共用的使用，共喷口喇叭馈源网络系统由多频馈源和多频分波器组成，其中多频馈源通常采用波纹喇叭或光壁喇叭的结构形式，可较好解决馈源的多频复用问题，然而所有频段的信号均在喇叭公共口中传播，喇叭中模式较为复杂，因此后端需要多频分波网络将不同频段、不同极化方向的信号耦合出去，馈源网络设计难度较大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种C/Ku双频共用圆极化同轴馈源网络。本发明具有具有结构紧凑，体积小、性能优良的特点。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种C/Ku双频共用圆极化同轴馈源网络，包括依次连接的同轴馈源喇叭1、第一C波段同轴旋转关节3-1、C波段同轴波导圆极化器2、第二C波段同轴旋转关节3-2、同轴过渡波导4、C波段宽带同轴正交模耦合器5和Ku波段宽带正交模耦合器6；所述Ku波段宽带正交模耦合器6的侧口通过Ku波段连接波导8与第一Ku波段频率双工器9连接；所述Ku波段宽带正交模耦合器6的直口与第二Ku波段频率双工器10；所述C波段宽带同轴正交模耦合器5的E面T型合成器的合成端口与C波段频率双工器(7)连接；
所述C波段同轴波导圆极化器(2)通过圆极化器驱动电机11驱动。
进一步的，所述C波段同轴波导圆极化器2包括第一同轴波导外波导和第一同轴波导内波导；所述第一同轴波导内波导位于第一同轴波导外波导中，且两者的轴线重合构成第一同轴波导；所述第一同轴波导外波导内设有对置的两个脊结构；所述脊结构包括金属脊和介质脊，其中正对第一同轴内波导的金属脊脊面上设有金属脊孔，与金属脊贴合的介质脊面上设有与金属脊孔匹配的介质脊柱；所述脊结构两端至脊结构中间与第一同轴波导轴线的距离依次减小。
进一步的，所述金属脊和介质脊均为台阶结构，金属脊和介质脊的相邻台阶面的高度差从脊两端至中间依次减小。
进一步的，所述C波段宽带同轴正交模耦合器包括第二同轴波导内波导、第二同轴波导外波导、低频段耦合波导、短路片、十字转门、E面T型合成器和波导负载；所述第二同轴外波导上沿波导信号的传输方向依次开有用于传输低频信号的耦合孔和用于放置短路片的槽缝，其中，耦合孔与低频段耦合波导连接；
所述第二同轴波导外波导的圆波导端口与十字转门的圆波导端口连接；所述第二同轴波导内波导位于第二同轴波导外波导和十字转门的内部，并且轴线重合；所述十字转门中的两个相对端口分别与E面T型合成器的两个H面弯波导端口连接，十字转门的另外两个端口与波导负载连接；
所述槽缝设有两个；所述两个槽缝的连线过第二同轴波导内波导的轴线，且垂直于第二同轴波导内波导的轴线；两个短路片分别位于对应的槽缝内，并与第二同轴波导内波导有接触。
进一步的，所述耦合孔与第二同轴波导内波导轴心的连线和槽缝与同轴波导内波导的连线呈90°夹角。
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，所述第二同轴波导内波导包括圆波导和与圆波导端部连接的锥台，且锥台的大端面上设有法兰盘。
进一步的，所述十字转门的圆波导端口设置有过渡波导，过渡波导为台阶结构或曲线结构。
进一步的，所述E面T型合成器包括第一H面弯波导、第二H面弯波导和T型合成器。
进一步的，所述第二同轴波导外波导上还设有用于匹配调节的螺纹孔；所述螺纹孔波导信号的进口端处，且螺纹孔与同一侧的槽缝的连线平行于第二同轴波导内波导的轴线。
本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
与现有技术相比，本发明结构采用同轴波导馈电系统，C波段信号由同轴波导通道传输，馈电部件主要由宽带同轴波导圆极化器、同轴波导正交模耦合器和C波段频率双工器组成，具有两个接收端口和1个发射端口，Ku波段信号由同轴内芯圆波导系统传输，馈电主要由Ku波段宽带正交模耦合器和两个Ku波段频率双工器组成，具有2个接收端口和2个发射端口，具有结构紧凑，体积小，免调试，性能优良的特点，能够满足C/Ku卫星通信天线领域的应用。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图及侧视图
图2是本发明实施例中C波段同轴波导圆极化器结构示意图。
图3是本发明实施例中C波段同轴波导圆极化器端视图和剖面视图。
图4是本发明实施例中C波段宽带同轴正交模耦合器结构示意图。
图5是本发明实施例中C波段宽带同轴正交模耦合器的同轴内波导结构示意图。
图6是本发明实施例中C波段宽带同轴正交模耦合器的同轴外波导结构示意图。
图7是本发明实施例中C波段宽带同轴正交模耦合器的低频段耦合波导剖面图。
图8是本发明实施例中C波段宽带同轴正交模耦合器的十字转门示意图和剖面图。
图9是本发明实施例中C波段宽带同轴正交模耦合器的波导负载示意图。
图中：同轴馈源喇叭—1，C波段同轴波导圆极化器—2，第一C波段同轴旋转关节—3-1、第二C波段同轴旋转关节—3-2、同轴过渡波导—4，C波段宽带同轴正交模耦合器—5，Ku波段宽带正交模耦合器—6，C波段频率双工器—7，Ku波段连接波导—8，第一Ku波段频率双工器—9，第二Ku波段频率双工器—10，圆极化器驱动电机—11，馈源网络支架—12，极化器外导体—13，极化器内导体—14，第一脊—15-1，第二脊—15-2，第一金属脊—16-1，第二金属脊—16-2，第一介质脊—17-1，第二介质脊—17-2，双工器外波导—18，低频段耦合波导—19，双工器内波导—20，短路片—21，十字转门—22，E面T型合成器—23，波导负载—24，耦合孔—25，槽缝—26，螺纹孔—27，调谐腔体—28，圆波导—29，锥台—30，过渡波导—31，吸波材料—32。
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C/Ku双频共用圆极化同轴馈源网络，包括同轴馈源喇叭、C波段同轴旋转关节、C波段同轴波导圆极化器、圆极化器驱动电机、同轴过渡波导、C波段宽带同轴正交模耦合器、Ku波段宽带正交模耦合器、C波段频率双工器、Ku波段频率双工器、Ku波段连接波导和馈源网络支架。
进一步的，C波段同轴波导圆极化器包括极化器外导体、极化器内导体、第一脊、第二脊、连接法兰；所述的极化器外导体和极化器内导体的轴心重合；所述的第一、第二脊置于同轴波导腔内，且与极化器的外导体相连接；所述的第一、第二脊关于同轴波导轴心对称；所述的第一、第二脊均由金属脊和覆盖在金属脊顶端的介质复合组成，在金属脊和介质片的两端设有过渡段，实现同轴脊波导段与同轴波导的匹配。
进一步的，C波段宽带同轴正交模耦合器包括双工器外波导、低频段耦合波导、双工器内波导、短路片、十字转门、E面T型合成器和波导负载；所述的双工器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，所述的双工器外波导耦合孔与低频段耦合波导连接；所述的双工器外波导的圆波导端口连接十字转门的圆波导端口；所述的双工器内波导放置在双工器外波导和十字转门的内部，并且轴心重合，所述的十字转门中的两个相对端口分别与E面T型合成器的两个H面弯波导的端口连接，十字转门中的另外两个端口连接波导负载。
进一步的，所述的第一脊、第二脊与极化器外导体要良好接触。
进一步的，所述的第一脊、第二脊的金属脊部分与介质脊部分要良好接触。
进一步的，所述的第一介质脊和第二介质脊的介电常数可设计为大于1小于10的任意值。
进一步的，所述的第一脊、第二脊与极化器外导体内壁之间变换由过渡实现。
进一步的，所述的第一脊、第二脊与极化器外导体内壁之间变换由过渡可以为渐变过渡也可以为台阶过渡。
进一步的，所述的双工器外波导上的耦合孔与槽缝成90度夹角，且双工器外波导上与槽缝在同一平面的位置开有两个相对的螺纹孔，以便于插入螺钉进行匹配调节。
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，所述的双工器内波导由圆波导和锥台组成，并且在锥台的低端设置有法兰盘。
进一步的，所述的十字转门的圆波导部分设置有过渡波导，该过渡波导可以是台阶的也可是曲线的。
进一步的，所述的双工器外导体与双工器内导体的直径比要能满足在工作频带内电磁波波截止。
下面为一更具体的实施例：
参见图1至图5，提供了一种C/Ku双频共用圆极化同轴馈源网络，包括同轴馈源喇叭1、C波段同轴波导圆极化器2、C波段同轴旋转关节、圆极化器驱动电机、同轴过渡波导、C波段宽带同轴正交模耦合器、Ku波段宽带正交模耦合器、C波段频率双工器、Ku波段频率双工器、Ku波段连接波导和馈源网络支架12。C波段同轴旋转关节包括第一C波段同轴旋转关节和第二C波段同轴旋转关节，两者分别连接在C波段同轴波导圆极化器的两端。
其中同轴馈源喇叭1、第一C波段同轴旋转关节3-1、C波段同轴波导圆极化器2、第二C波段同轴旋转关节3-2、同轴过渡波导4、C波段宽带同轴正交模耦合器5和Ku波段宽带正交模耦合器6依次连接，所述Ku波段宽带正交模耦合器6的侧口通过Ku波段连接波导8与第一Ku波段频率双工器9连接；所述Ku波段宽带正交模耦合器6的直口与第二Ku波段频率双工器10；所述C波段宽带同轴正交模耦合器5的E面T型合成器的合成端口与C波段频率双工器(7)连接；
所述C波段同轴波导圆极化器(2)通过圆极化器驱动电机11驱动。
C波段同轴波导圆极化器(2包括极化器外导体13、极化器内导体14、第一脊15-1、第二脊15-2；所述的极化器外导体和极化器内导体的轴心重合；所述的第一、第二脊置于同轴波导腔内，且与极化器外导体相连接；所述的第一、第二脊关于同轴波导轴心对称；所述的第一、第二脊均由金属脊和覆盖在金属脊顶端的介质片复合组成，在金属脊和介质脊的两端设有过渡段，实现同轴脊波导段与同轴波导的匹配。
其中，第一金属脊16-1、第二金属脊16-2与极化器外导体要良好接触。
所述的第一脊、第二脊的金属脊部分与介质脊部分要良好接触。
所述的第一介质脊17-1和第二介质脊17-2的介电常数可设计为大于1小于10的任意值。
所述的第一、二脊与极化器外导体内壁之间变换由过渡实现。
所述的第一、二脊与极化器外导体内壁之间变换由过渡可以为渐变过渡也可以为台阶过渡。
C波段宽带同轴正交模耦合器为一种宽带收发共用型同轴波导双工器，其包括双工器外波导18、低频段耦合波导19、双工器内波导20、短路片21、十字转门22、E面T型合成器23和波导负载24；所述的同轴波导外波导上开有传输低频信号的耦合孔25和放置短路片的两个槽缝26，所述的双工器外波导耦合孔与低频段耦合波导连接；所述的双工器外波导的圆波导端口连接十字转门的圆波导端口；所述的双工器内波导放置在同轴波导外波导和十字转门的内部，并且轴心重合，所述的十字转门中的两个相对端口分别与E面T型合成器的两个H面弯波导的端口连接，十字转门中的另外两个端口连接波导负载。
所述的双工器外波导上的耦合孔与槽缝成90度夹角，且同轴波导外波导上与槽缝在同一平面的位置开有两个相对的螺纹孔27，以便于插入螺钉进行匹配调节。
所述的低频段耦合波导中加载有调谐腔体28，同时起到阻抗匹配和抑制高频信号的作用。
所述的双工器内波导由圆波导29和锥台30组成，并且在锥台的底端设置有法兰盘。
所述的十字转门的圆波导部分设置有过渡波导31，该过渡波导可以是台阶的也可是曲线的。
所述的波导负载波导内设置有吸波材料32。
所述的双工器外导体与双工器内导体的直径比要能满足在工作频带内电磁波波截止。
与现有技术相比，本发明能够实现C/Ku频段的卫星信号的接收和发射，其中C发射频率5.85-6.725GH，C接收频率3.7-4.2GHz，Ku发射频率13.75-14.5GHz，Ku接收频率10.95-12.75GHz。C波段圆极化工作，具有1个发射端口，2个接收端口，并能实现线极化和圆极化的极化切换；Ku波段线极化工作，2个发射端口，2个接收端口能，且结构紧凑，体积小，性能优良，适于小口径天线的应用。
本发明的简要工作原理：
本发明采用同轴组合馈源喇叭的工作体制，原理是利用同轴波导中内部圆波导传输Ku信号，同轴波导传输C波段信号，形成满足要求的C/Ku初级辐射方向图，并实现C、Ku信号的分离。对于C频段信号，由同轴馈源喇叭接收到的信号，在外围同轴波导中由同轴波导圆极化器实现线圆极化信号的转换后，为了实现天线在C波段超宽频带内的频率复用功能，设计了宽带同轴正交模耦合器，先侧壁耦合一个极化的接收信号，再由宽带正交模耦合器同时提取另一个极化的接收和发射信号，再由频率双工器分量接收和发射，这样在保持馈源网络系统小型化的同时，实现接收信号的频率复用。对于Ku频段信号，由同轴馈源喇叭接收到的信号，在内部圆波导中传播，由宽带正交模耦合器和频率双工器实现两个正交极化的分离及收发信号的分离。

Claims (10)

1.一种C/Ku双频共用圆极化同轴馈源网络，包括依次连接的同轴馈源喇叭(1)、第一C波段同轴旋转关节(3-1)、C波段同轴波导圆极化器(2)、第二C波段同轴旋转关节(3-2)、同轴过渡波导(4)、C波段宽带同轴正交模耦合器(5)和Ku波段宽带正交模耦合器(6)；其特征在于，所述Ku波段宽带正交模耦合器(6)的侧口通过Ku波段连接波导(8)与第一Ku波段频率双工器(9)连接；所述Ku波段宽带正交模耦合器(6)的直口与第二Ku波段频率双工器(10)；所述C波段宽带同轴正交模耦合器(5)的E面T型合成器的合成端口与C波段频率双工器(7)连接；
所述C波段同轴波导圆极化器(2)通过圆极化器驱动电机(11)驱动。
2.根据权利要求1所述的一种C/Ku双频共用圆极化同轴馈源网络，其特征在于，所述C波段同轴波导圆极化器(2)包括第一同轴波导外波导和第一同轴波导内波导；所述第一同轴波导内波导位于第一同轴波导外波导中，且两者的轴线重合构成第一同轴波导；所述第一同轴波导外波导内设有对置的两个脊结构；所述脊结构包括金属脊和介质脊，其中正对第一同轴内波导的金属脊脊面上设有金属脊孔，与金属脊贴合的介质脊面上设有与金属脊孔匹配的介质脊柱；所述脊结构两端至脊结构中间与第一同轴波导轴线的距离依次减小。
3.根据权利要求2所述的一种C/Ku双频共用圆极化同轴馈源网络，其特征在于，所述金属脊和介质脊均为台阶结构，金属脊和介质脊的相邻台阶面的高度差从脊两端至中间依次减小。
4.根据权利要求1所述的一种C/Ku双频共用圆极化同轴馈源网络，其特征在于，所述C波段宽带同轴正交模耦合器包括第二同轴波导内波导、第二同轴波导外波导、低频段耦合波导、短路片、十字转门、E面T型合成器和波导负载；所述第二同轴外波导上沿波导信号的传输方向依次开有用于传输低频信号的耦合孔和用于放置短路片的槽缝，其中，耦合孔与低频段耦合波导连接；
所述第二同轴波导外波导的圆波导端口与十字转门的圆波导端口连接；所述第二同轴波导内波导位于第二同轴波导外波导和十字转门的内部，并且轴线重合；所述十字转门中的两个相对端口分别与E面T型合成器的两个H面弯波导端口连接，十字转门的另外两个端口与波导负载连接；
所述槽缝设有两个；所述两个槽缝的连线过第二同轴波导内波导的轴线，且垂直于第二同轴波导内波导的轴线；两个短路片分别位于对应的槽缝内，并与第二同轴波导内波导有接触。
5.根据权利要求4所述的一种C/Ku双频共用圆极化同轴馈源网络，其特征在于，所述耦合孔与第二同轴波导内波导轴心的连线和槽缝与同轴波导内波导的连线呈90°夹角。
6.根据权利要求4所述的一种C/Ku双频共用圆极化同轴馈源网络，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。
7.根据权利要求4所述的一种C/Ku双频共用圆极化同轴馈源网络，其特征在于，所述第二同轴波导内波导包括圆波导和与圆波导端部连接的锥台，且锥台的大端面上设有法兰盘。
8.根据权利要求4所述的一种C/Ku双频共用圆极化同轴馈源网络，其特征在于，所述十字转门的圆波导端口设置有过渡波导，过渡波导为台阶结构或曲线结构。
9.根据权利要求4所述的一种C/Ku双频共用圆极化同轴馈源网络，其特征在于，所述E面T型合成器包括第一H面弯波导、第二H面弯波导和T型合成器。
10.根据权利要求4所述的一种C/Ku双频共用圆极化同轴馈源网络，其特征在于，所述第二同轴波导外波导上还设有用于匹配调节的螺纹孔；所述螺纹孔波导信号的进口端处，且螺纹孔与同一侧的槽缝的连线平行于第二同轴波导内波导的轴线。
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