CN116190967B - 一种极化跟踪器及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域，公开了一种极化跟踪器及应用，极化跟踪器包括波导壳体以及于波导壳体内开设的信号输入端，与信号输入端连接的第一定向耦合器，与第一定向耦合器耦接的第一反射式移相器和第二反射式移相器，第二定向耦合器，以及与第二定向耦合器连接的信号输出端。本发明以定向耦合器为核心、配合反射式移相器，以极化合成原理为基础，通过调控金属活塞位置，可实现任意极化角度可连续、线性调节的效果。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及通信用极化跟踪器及应用。
背景技术
极化跟踪器是一种移动通信中常见器件。当前，极化跟踪器存在着有源和无源两种实现方式。有源极化跟踪器的原理简单，跟踪时间短，功率容量低，一般只能用在天线的接收端，且系统驻波、隔离度等关键指标无法通过仪器直接测试。无源极化跟踪器，特别是波导极化跟踪器既可以用于接收端，也可用于发射端，且具备低损耗、大功率容量、可测试性等优点，已逐渐取代有源极化跟踪器。
无源极化跟踪器一般要求其回波损耗和端口隔离通常小于1.2（即-20dB），输出两端相位一致，现有的无源极化跟踪器虽然能够满足绝大多数动中通天线的使用要求，但仍然存在着结构复杂，部分关键零件加工精度高，安装不方便，以及端口驻波和相位平衡度不高等缺点。
中国发明专利CN105098360A公开了一种新型极化跟踪器，主要由正交耦合器、信号输出或输出总口、旋转转子和电机四个部分组成，主要解决了当前极化跟踪器两输出臂不平行输出的问题。然而，该极化跟踪器还存在一下几点问题：（1）工作带宽较窄且输出端口相位一致性不高，主要原因在于该极化跟踪器的关键技术是通过旋转内置于波导系统中同轴线形式的U形“旋转转子”实现线极化的跟踪，但是同轴线到波导系统的过渡匹配带宽较窄；（2）正交模耦合器的上、下两个直臂波导之间的连通需要依靠多个波导匹配块及贯穿波导腔两侧壁的耦合针的共同作用，结构复杂，加工安装麻烦；（3）其波导系统中同轴线形式的U形“旋转转子”探针需要经过三次折弯后形成，且弯折后的探针需满足很高的加工精度。
中国发明专利CN106450759A公开了一种紧凑型线极化跟踪器，该极化跟踪器主要由等相位正交模耦合器、旋转正交模耦合器、L形波导旋转关节和步进电机驱动总成构成，主要利用同轴探针耦合反极化信号，并通过同轴负载吸收，避免了平板阵列天线系统相位一致性问题对通信造成的影响，但依然存在以下几点缺点：（1）极化跟踪器内部具有多个齿轮和轴承结构，零部件多且结构复杂，装配过程繁琐，加工装配成本较高；（2）该极化跟踪器的输出双臂不同向。
鉴于上述分析，有必要设计一种应用于动中通系统（“移动中的卫星地面站通信系统”的简称）的新型极化跟踪器，以解决上述问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种结构简单、易加工的极化跟踪器，以极化合成原理为基础，实现任意极化角度调整。
本发明另一目的旨在提供上数极化跟踪器在信号极化跟踪中的应用。
为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案来实现。
本发明提供的极化跟踪器，其包括波导壳体以及于波导壳体内开设的信号输入端，与信号输入端连接的第一定向耦合器，与第一定向耦合器耦接的第一反射式移相器和第二反射式移相器，第二定向耦合器，以及与第二定向耦合器连接的信号输出端；
第一定向耦合器将信号输入端接收的输入信号分成两路输出信号；
第一反射式移相器和第二反射式移相器分别对第一定向耦合器的两路输出信号进行调控得到两路移相信号；所述第一反射式移相器与第二反射式移相器结构相同，所述第一反射式移相器包括第一短路枝节、第三定向耦合器及包围至少部分第一短路枝节的第一金属活塞；所述第二反射式移相器包括第二短路枝节、第四定向耦合器及包围至少部分第二短路枝节的第二金属活塞；
第二定向耦合器用于对两路移相信号进行叠加输出得到两路叠加输出信号；
信号输出端用于将两路叠加输出信号分别转换成两路最终输出信号。
本发明的有益效果是：本发明以定向耦合器为核心、配合反射式移相器，以极化合成原理为基础，通过调控金属活塞位置，可实现任意极化角度可连续、线性调节的效果，同时经过计算可以精确的调节极化角度的输出。
进一步的，所述信号输入端包括第一信号输入端口、第一信号输出端口、以及与第一信号输入端口、第一信号输出端口耦接的第一通道；所述第一通道可以是直通式通道，也可以是L型通道，还可以是其他异形通道，如Z字形等；当采用直通式通道时，第一通道的轴线为一条直线；当采用L型通道时，第一通道的轴线呈L型。
进一步的，所述第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器和第四定向耦合器均选择为3dB耦合器；当然，也可以选择其他公分比的定向耦合器。
进一步的，所述第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器和第四耦合器均为四端口器件；第一定向耦合器的第一端口、第二端口分别与信号输入端和负载端连通，第三端口、第四端口分别通过通道与第三定向耦合器的第一端口、第四定向耦合器的第三端口连通，以实现第一定向耦合器与第一反射式移相器和第二反射式移相器耦合；第三定向耦合器的第二端口通过通道与第二定向耦合器的第一端口连通，第四定向耦合器的第四端口通过通道与第二定向耦合器的第二端口连通，以实现第一反射式移相器和第二反射式移相器与第二定向耦合器耦合；第二定向耦合器的第三端口、第四端口与信号输出端连通。
进一步的，所述负载端腔体内可以放置吸波材料，以避免第一定向耦合器向负载传输的信号反射至第四端口。
进一步的，所述第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器或/和第四定向耦合器腔体内设置有至少两个分离块；示例性地，第一定向耦合器采用两个分离块，即第一分离块、第二分离块；沿信号传输方向，第一分离块与第二分离块之间的距离大于第一分离块与第一定向耦合器腔体内壁之间的距离；同时，第一分离块与第二分离块之间的距离大于第二分离块与第一定向耦合器腔体内壁之间的距离；第一定向耦合器利用第一分离块与第二分离块之间的距离、第一分离块与第一定向耦合器腔体内壁之间的距离、第二分离块与第一定向耦合器腔体内壁之间的距离、第一分离块和第二分离块的宽度和长度以及第一定向耦合器腔体内壁宽度来实现电磁波的耦合。改变上述参数，可以用来改变电磁波从输入端口传输到输出端口的传输距离，从而改变输出端口幅度和相位。通过优化上述参数，调整第一定向耦合器的性能至最佳，可以实现较宽宽带内输出幅度平坦和相位稳定。
类似的，第二定向耦合器、第三定向耦合器、第四定向耦合器可采用与第一定向耦合器相同的结构设置。
另外，分离块的数量不限于两个，一般而言，分离块的数量越多，定向耦合器的方向性越好，定向耦合器的各端口输出功率比值也相应地发生改变，本领域技术人员可根据实际需求来选择合适数量的分离块以获得期望的各端口功分比和期望的方向性。
进一步的，所述极化跟踪器还包括将第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器和第四定向耦合器耦接在一起的耦合件；所述耦合件呈“I”或“工”字形，包括上连接部、下连接部以及位于上连接部和下连接部之间的中间连接部。
上连接部和下连接部两端朝向相应定向耦合器的各垂向端面（即上连接部和下连接部两端垂直于耦合件所在平面的端面）分别作为第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器、第四定向耦合器的腔体内壁；中间连接部具有左右两侧对称的弧形或折线型弯曲表面，通过两个弯曲表面可用来分别保证从第一定向耦合器的第四端口到第四定向耦合器的第三端口的信号、从第三定向耦合器的第二端口到第二定向耦合器的第一端口的信号具有极低的传输损耗和良好的电学性能。
进一步的，所述第一反射式移相器的第一金属活塞与第一短路枝节同中心轴。当移动第一金属活塞的位置时，可以改变第一短路枝节被第一金属活塞遮挡的距离，进而可以改变第一反射式移相器输出信号的相位。
进一步的，所述第二反射式移相器的第二金属活塞与第二短路枝节同中心轴；当移动第二金属活塞的位置时，可以改变第二短路枝节被第二金属活塞遮挡的距离，进而可以改变第二反射式移相器输出信号的相位。
进一步的，第一金属活塞与第二金属活塞结构相似，整体结构呈U字形且为镜面对称结构。第一金属活塞与第二金属活塞均包括呈U型结构的第一连接件，与第一连接件U型结构开口端两端连接的第二连接件，以及通过连接臂与第二连接件连接的第三连接件；第三连接件呈U型结构，U型结构开口端朝向第二连接件，连接臂的一端与第二连接件的中部连接，连接臂的另一端伸入第三连接件，并连接于U型结构底部中间位置。
此外，第一连接件具有沿壳体上安装槽深度方向的第一宽度，第二连接件和第三连接件具有沿壳体上安装槽深度方向的第二宽度，第二宽度大于第一宽度；第二连接件和第三连接件具有相同的宽度，很好的保障了金属活塞与所述波导壳体安装槽金属壁的接触，减少能量泄漏；第一连接件的第一宽度小于第二连接部的第二宽度，缩小裸露在波导壳体外的金属活塞的尺寸，方便与其他装置组装。如此设置，可在保证活塞尺寸较短的情况下同时具有良好的扼流效果。
第三连接件U型结构的两自由臂厚度和连接臂厚度相同，且大于U型结构与连接臂之间的间距。两自由臂厚度和连接臂厚度以及长度影响金属活塞的扼流效果，通过优化三者厚度以及长度可以调整金属活塞损耗、稳定性以及扼流效果，如此设置可在保证活塞尺寸较短的情况下同时具有良好的扼流效果，在保证稳定性的同时使损耗减至最小，以及获得极好的驻波比。
第一连接件的中部位置开设有螺孔，用于连接外部支撑杆。
进一步的，所述信号输出端包括第二信号输入端口、第三信号输入端口、第二信号输出端口、第三信号输出端口，以及与第二信号输入端口、第二信号输出端口耦接的第二通道，与第三信号输入端口、第三信号输出端口耦接的第三通道。第二通道和第二通道结构相同且对称布置，可以是直通式通道，也可以是L型通道，还可以是其他异形通道，如Z字形等；当采用直通式通道时，第二通道或第三通道的轴线为一条直线；当采用L型通道时，第二通道或第三通道的轴线呈L型；当采用Z型通道时，第二通道或第三通道的轴线呈Z型。
进一步的，所述信号输入端、第一定向耦合器、第二耦合器、第一反射式移相器的第一短路枝节、第三定向耦合器、第二反射式移相器的第二短路枝节、第四耦合器和信号输出端于波导壳体内一体式成型。
上述进一步方案的有益效果是：结构简单，易于加工装配，零部件少，加工只需要从中一分二剖开通过机械加工实现，且对机加工的精度要求不高；其结构相较于现有技术背景中的产品减少了同轴探针的使用，有利于降低加工难度和装配难度。
本发明还提供了上述极化跟踪器在微波或者射频通信中的应用，用于信号极化跟踪。通过控制第一反射式移相器的第一金属活塞与第二反射式移相器的第二金属活塞同时、同向移动且移动距离相同，可实现极化跟踪器极化角随金属活塞移动距离呈线性变化。所述极化角为0~180°。第二信号输出端口的总输出信号幅值只与-sin（ΔΦ）有关，第三信号输出端口总输出信号幅值只与cos（ΔΦ）有关，其中ΔΦ＝(Φ(b2)-Φ(d1))-(Φ(a2)-Φ(c1))。
附图说明
图1为极化跟踪器结构示意图。
图2为极化跟踪器波导壳体内部示意图。
图3为图2中极化跟踪器波导壳体内部投影示意图。
图4为极化跟踪器极化角度旋转原理图。
图5为第一定向耦合器局部放大示意图。
图6为第一金属活塞结构示意图。
图7为图6中第一金属活塞主视图。
图8为第一反射式移相器中第一金属活塞移动距离为P1=0mm时的第一金属活塞位置。
图9为第一反射式移相器中第一金属活塞移动距离为P1=5mm时的第一金属活塞位置。
图10为第一反射式移相器中第一金属活塞移动距离为P1=10mm时的第一金属活塞位置。
图11为第二反射式移相器中第二金属活塞移动距离为P1=0mm时的第二金属活塞位置。
图12为第二反射式移相器中第二金属活塞移动距离为P1=5mm时的第二金属活塞位置。
图13为第二反射式移相器中第二金属活塞移动距离为P1=10mm时的第二金属活塞位置。
图14为极化跟踪器的传输系数S21、S31及相位变化随金属活塞移动距离的变化关系；其中，传输系数S21表示信号输入端到第二信号输出端口的传输系数，传输系数S31表示信号输入端到第三信号输出端口的传输系数。
图15为极化跟踪器的极化角度变化随金属活塞移动距离的变化关系。
图16为极化跟踪器的信号输入端的驻波比（S11）及第二信号输出端口和第三信号输出端口的端口隔离度（S32）。
图中，1、波导壳体；2、信号输入端；2-1第一信号输入端口；2-2第一信号输出端口；2-3、第一通道；3、第一定向耦合器；3-1、第一分离块；3-2、第二分离块；4、第一反射式移相器；4-1、第一短路枝节；4-2、第三定向耦合器；4-3、第一金属活塞；4-3-1、第一连接件；4-3-2、第二连接件；4-3-3、连接臂；4-3-4、第三连接件；4-3-4-1、自由臂；5、第二反射式移相器；5-1、第二短路枝节；5-2、第四定向耦合器；5-3、第二金属活塞；6、第二定向耦合器；7、信号输出端；7-1、第二信号输入端口；7-2、第三信号输入端口；7-3、第二信号输出端口；7-4、第三信号输出端口；7-5、第二通道；7-6、第三通道；8-负载端；9-耦合件；9-1、上连接部；9-2、下连接部；9-3、中间连接部。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
本实施例提供的极化跟踪器，如图1-3所示，其包括波导壳体1，以及于波导壳体内开设的信号输入端2、第一定向耦合器3、第一反射式移相器4、第二反射式移相器5、第二定向耦合器6以及信号输出端7。第一定向耦合器将信号输入端接收的输入信号分成两路输出信号；第一反射式移相器和第二反射式移相器分别对第一定向耦合器的两路输出信号进行调控得到两路移相信号；第二定向耦合器用于对两路移相信号进行叠加输出得到两路叠加输出信号；信号输出端用于将两路叠加输出信号转换分别转换成两路最终输出信号。
如图1-3所示，信号输入端2包括第一信号输入端口2-1、第一信号输出端口2-2、以及与第一信号输入端口、第一信号输出端口耦接的第一通道2-3。作为示例，第一通道可以是直通式通道，也可以是L型通道，还可以是其他异形通道，如Z字形等。当采用直通式通道时，第一通道的轴线为一条直线；当采用L型通道时，第一通道的轴线呈L型。本实施例中，信号输入端2采用的是L型通道。
如图1-3所示，信号输出端7包括第二信号输入端口7-1、第三信号输入端口7-2、第二信号输出端口7-3以及第三信号输出端口7-4，还包括与第二信号输入端口7-1、第二信号输出端口7-3耦接的第二通道7-5，与第三信号输入端口7-2、第三信号输出端口7-4耦接的第三通道7-6。作为示例，第二通道或第三通道可以是直通式通道，也可以是L型通道，还可以是其他异形通道，如Z字形等。当采用直通式通道时，第二通道或第三通道的轴线为一条直线；当采用L型通道时，第二通道或第三通道的轴线呈L型；当采用Z型通道时，第二通道或第三通道的轴线呈Z型。本实施例中，第二通道和第三通道对称布置，均采用的是Z型通道，且与第二信号输出端口和第三信号输出端口对应部分，采用阶梯式结构，通道宽度逐渐增加，以与位于极化跟踪器后的电磁场模场匹配。
如图3所示，第一定向耦合器3和第二定向耦合器6均选择为3dB耦合器；当然，也可以选择其他功分比的定向耦合器。第一定向耦合器3和第二定向耦合器6的结构相同，均为四端口器件。第一定向耦合器3的四个端口分别为第一端口a1、第二端口b1、第三端口c1、第四端口d1；第二定向耦合器6的四个端口分别为第一端口a2、第二端口b2、第三端口c2、第四端口d2。第一定向耦合器的第一端口a1、第二端口b1分别与信号输入端的第一信号输出端口2-2和负载端8连通。第二定向耦合器的第三端口c2、第四端口d2分别与信号输出端的第二信号输入端口7-1和第三信号输入端口7-2连通。
如图1-2所示，第一反射式移相器4与第二反射式移相器5结构相同。第一反射式移相器4包括第一短路枝节4-1、第三定向耦合器4-2及包围至少部分第一短路枝节4-1的第一金属活塞4-3，第一金属活塞4-3也可以包围整个第一短路枝节。第二反射式移相器5包括第二短路枝节5-1、第四定向耦合器5-2及包围至少部分第二短路枝节5-1的第二金属活塞5-3，第二金属活塞5-3也可以包围整个第二短路枝节。第一金属活塞4-3和第二金属活塞5-3分别安装于波动壳体设置的安装槽内，且安装槽分别与相应的定向耦合器连通。
第一金属活塞4-3与第一短路枝节4-1同中心轴，当移动第一金属活塞的位置时，可以改变第一短路枝节被第一金属活塞遮挡的距离，进而可以改变第一反射式移相器输出信号的相位。
同理，第二金属活塞5-3与第二短路枝节5-1同中心轴，当移动第二金属活塞的位置时，可以改变第二短路枝节被第二金属活塞遮挡的距离，进而可以改变第二反射式移相器输出信号的相位。
上述第三定向耦合器4-2和第四定向耦合器5-2均选择为3dB耦合器；当然，也可以选择其他功分比的定向耦合器。第三定向耦合器4-2、第四定向耦合器5-2的结构与前面给出的第一定向耦合器和第二定向耦合器结构相同，均为四端口器件。第三定向耦合器4-2的四个端口分别为第一端口a3、第二端口b3、第三端口c3、第四端口d3；第四定向耦合器5-2的四个端口分别为第一端口a4、第二端口b4、第三端口c4、第四端口d4。第三定向耦合器4-2的第一端口a3、第二端口b3分别通过通道与第一定向耦合器的第三端口c1、第二耦合器的第一端口a2连通。第四定向耦合器的第三端口c4、第四端口d4分别通过通道与第一定向耦合器的第四端口d1、第二耦合器的第二端口b2连通。
波导壳体1由两块对称分布的两部分构成，每部分上均开设有形成信号输入端2、第一定向耦合器3、第一反射式移相器4、第二反射式移相器5、第二定向耦合器6以及信号输出端7各部分的凹槽；两部分对接后即可形成信号输入端2、第一定向耦合器3、第一反射式移相器4、第二反射式移相器5、第二定向耦合器6以及信号输出端7。
第二信号输入端口7-1、第三信号输入端口7-2的幅值的比值可以通过第一反射式移相器和/或第二反射式移相器的金属活塞调节，例如，第二信号输入端口7-1、第三信号输入端口7-2的具体比值为N，其中N与相位差ΔΦ相关，其中ΔΦ＝(Φ(b2)-Φ(d1))-(Φ(a2)-Φ(c1))，其中：Φ(a2)为第二定向耦合器的第一端口a2端口处的相位值，Φ(c1)为第一定向耦合器的第三端口c1处的相位值，Φ(b2)为第二定向耦合器的第二端口b2处的相位值，Φ(d1)为第一定向耦合器的第四端口d1处的相位值。第一定向耦合器的第三端口c1、第三定向耦合器的第一端口a3、第三定向耦合器的第二端口b3、第二定向耦合器的第一端口a2依次相连，第一定向耦合器的第四端口d1、第四定向耦合器的第三端口c4、第四定向耦合器的第四端口d4、第二定向耦合器的第二端口b2依次相连，使得第一定向耦合器、第二定向耦合器和第一反射式移相器、第二反射式移相器连成一个整体，构成极化跟踪器。
本实施例提供的极化跟踪器的工作原理是：
一个幅值为A，频率为w，初始相位为Φ1的电磁波信号Asin（wt+Φ1）从信号输入端2进入，经过用于信号输入的第一定向耦合器3，其第三端口c1输出信号为/2Asin（wt+Φ1），第四端口d1输出信号为/>/2Acos（wt+Φ1）；第一定向耦合器的第三端口c1输出信号从第三定向耦合器的第一端口a3进入第一反射式移相器，从第二端口b3输出到达第二定向耦合器2的第一端口a2时的信号为/>/2Asin（wt+Φ1+Φ(a2)-Φ(c1)）；第一定向耦合器的第四端口d1输出信号从第四定向耦合器5-2的第三端口c4进入第二反射式移相器，从第四端口d4输出到达第二定向耦合器的第二端口b2时的信号为/>/2Acos（wt+Φ1+Φ(b2)-Φ(d1)）；第二定向耦合器的第一端口a2输入信号经过用于输出信号的第二定向耦合器，第三端口c2输出信号为1/2Asin（wt+Φ1+Φ(a2)-Φ(c1)），第四端口d2输出信号为1/2Acos（wt+Φ1+Φ(a2)-Φ(c1)）；第二定向耦合器的第二端口b2输入信号经过用于输出信号的第二定向耦合器，第三端口c2输出信号为-1/2Asin（wt+Φ1+Φ(b2)-Φ(d1)），第四端口d2输出信号为1/2Acos（wt+Φ1+Φ(b2)-Φ(d1)）。综上，第三端口c2总输出信号为1/2Asin（wt+Φ1+Φ(a2)-Φ(c1)）-1/2Asin（wt+Φ1+Φ(b2)-Φ(d1)），第四端口d2总输出信号为1/2Acos（wt+Φ1+Φ(a2)-Φ(c1)）+1/2Acos（wt+Φ1+Φ(b2)-Φ(d1)），通过三角函数和差化积公式化简，得到第三端口c2总输出信号幅值只与-sin（ΔΦ）有关，第四端口d2总输出信号幅值只与cos（ΔΦ）有关，其中相位差ΔΦ＝(Φ(b2)-Φ(d1))-(Φ(a2)-Φ(c1))。
极化角度调整原理如下：
极化合成的理论基础是空间中任意极化的电磁波均可由一对正交的线极化波以不同的幅度比和相位差合成。空间中的任意角度的线极化都可以分解为水平极化分量和垂直极化分量，相反水平极化分量和垂直极化分量的也能合成任意角度的线极化，只需要改变水平极化分量和垂直极化分量的幅值和相位。当采用双线极化天线来合成任意线极化时，可以通过控制两个正交线极化通道的相位差来实现，具体原理图可见图4。本发明中的极化跟踪器是通过改变金属活塞的位置改变反射式移相器输出的相位，从而影响第二信号输入端口7-1、第三信号输入端口7-2总输出信号幅值的比值，根据极化合成原理，进一步调整极化角旋转，从而实现极化跟踪功能。
实施例2
本实施例是在实施例1基础上的进一步改进。
第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器或/和第四定向耦合器腔体内设置有至少两个分离块。
本实施例以第一定向耦合器为例，对分离块的作用进行解释。第一定向耦合器3采用两个分离块，即第一分离块3-1、第二分离块3-2。沿信号传输方向，第一分离块与第二分离块之间的距离大于第一分离块3-1、第二分离块3-2与第一定向耦合器腔体相邻内壁之间的距离。第一分离块3-1与第二分离块3-2具有相同的尺寸，两者的宽度小于第一定向耦合器腔体相邻内壁的宽度。
这里，如图5所示，第一分离块3-1与第二分离块3-2之间的距离为4.86mm。沿信号传输方向，第一分离块3-1、第二分离块3-2与第一定向耦合器腔体相邻内壁之间的距离均为2.29mm；同时，第一分离块与第二分离块的长度均为4.43mm，宽度均为6.15mm，第一定向耦合器腔体相邻内壁的宽度均为6.58mm。此外，第一定向耦合器3的第一端口a1、第二端口b1、第三端口c1、第四端口d1各端口宽度为4.86mm。此外，第一定向耦合器腔体内上通道的内壁和下通道的内壁，与第一端口a1、第二端口b1、第三端口c1、第四端口d1连接处设置有弧形倒角，以满足加工要求。
第一定向耦合器利用沿信号传输方向的第一分离块与第二分离块之间的距离、第一分离块与第一定向耦合器腔体内壁之间的距离、第二分离块与第一定向耦合器腔体内壁之间的距离、第一分离块和第二分离块的宽度和长度以及第一定向耦合器腔体内壁宽度来实现电磁波的耦合。改变上述参数，可以用来改变电磁波从输入端口传输到输出端口的传输距离，从而改变输出端口幅度和相位。通过优化上述参数，调整第一定向耦合器的性能至最佳，可以实现较宽宽带内输出幅度平坦和相位稳定。
类似的，第二定向耦合器、第三定向耦合器、第四定向耦合器可采用与第一定向耦合器相同的结构设置。
另外，分离块的数量不限于两个，一般而言，分离块的数量越多，定向耦合器的方向性越好，定向耦合器的各端口输出功率比值也相应地发生改变，本领域技术人员可根据实际需求来选择合适数量的分离块以获得期望的各端口功分比和期望的方向性。
实施例3
本实施例是在实施例1或/和实施例2基础上的进一步改进，主要是对第一金属活塞、第二金属活塞结构进行改进。
如图1、图6、图7所示，第一金属活塞4-3与第二金属活塞5-3结构相同，整体结构呈U字形且为镜面对称结构。下面以第一金属活塞4-3为例，对其结构进行详细解释。
第一金属活塞4-3包括呈U型结构的第一连接件4-3-1，与第一连接件U型结构开口端两端连接的第二连接件4-3-2，以及通过连接臂4-3-3与第二连接件4-3-2连接的第三连接件4-3-4。第三连接件4-3-4呈U型结构，U型结构开口端朝向第二连接件，连接臂4-3-3的一端与第二连接件的中部连接，连接臂的另一端伸入第三连接件4-3-4，并连接于U型结构底部中间位置。
此外，第一连接件具有沿波导壳体上安装槽深度方向的第一宽度，第二连接件和第三连接件具有沿壳体上安装槽深度方向的第二宽度，第二宽度大于第一宽度。第二连接件和第三连接件具有相同的宽度，很好地保障了金属活塞与所述波导壳体安装槽金属壁的接触，减少能量泄漏。第一连接件的第一宽度小于第二连接件的第二宽度，缩小裸露在波导壳体外的金属活塞的尺寸，方便与其他装置组装。如此设置，可在保证活塞尺寸较短的情况下同时具有良好的扼流效果。
第三连接件U型结构的两自由臂厚度和连接臂厚度相同，且大于U型结构与连接臂之间的间距。两自由臂厚度和连接臂厚度以及长度影响金属活塞的扼流效果，通过优化三者厚度以及长度可以调整金属活塞损耗、稳定性以及扼流效果，如此设置可在保证活塞尺寸较短的情况下同时具有良好的扼流效果，在保证稳定性的同时使损耗减至最小，以及获得极好的驻波比。
第一连接件的中部位置开设有螺孔，用于连接外部支撑杆，支撑杆可以进一步与电机驱动机构连接，由电机驱动第一金属活塞沿壳体上安装槽直线移动，从而改变第一金属活塞的位置。
实施例4
本实施例是在实施例1、实施例2或/和实施例3基础上的进一步改进。
本实施例中，如图3所示，极化跟踪器还包括将第一定向耦合器3、第二定向耦合器6、第三定向耦合器4-2和第四定向耦合器5-2耦接在一起的耦合件9。耦合件9呈“I”或“工”字形，包括上连接部9-1、下连接部9-2以及位于上连接部和下连接部之间的中间连接部9-3。
上连接部和下连接部两端朝向相应定向耦合器的各垂向端面（即上连接部和下连接部两端垂直于耦合件所在平面的端面）分别作为第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器、第四定向耦合器的腔体内壁。
中间连接部9-3具有左右两侧对称的弧形或折线型弯曲表面，通过两个弯曲表面可用来分别保证从第一定向耦合器3的第四端口d1到第四定向耦合器5-2的第三端口c4的信号、从第三定向耦合器4-2的第二端口b3到第二定向耦合器的第一端口a2的信号具有极低的传输损耗和良好的电学性能。
实施例5
为了表明本发明所提供的极化跟踪器的性能，在实施例4的基础上，进行了一系列仿真。
本实施例中，控制第一反射式移相器4的第一金属活塞4-3与第二反射式移相器5的第二金属活塞5-3同时、同向移动，且移动距离相同，设为P1；并设定，当P1的数值（例如从0mm到10mm的范围）逐渐增加时，第一反射式移相器4中的第一金属活塞4-3逐渐往外（即远离第三定向耦合器的方向）移动，第二反射式移相器5中的第二金属活塞5-3逐渐往里（即靠近第四定向耦合器的方向）移动；且，P1=0时，第一金属活塞4-3的第三连接件末端与第三定向耦合器之间的距离为设定距离阈值下限；第二金属活塞5-3的第三连接件末端与第四定向耦合器之间的距离为设定距离阈值上限；本实施例给出的距离阈值为[2.86mm,12.86mm]。
如图8-10所示，对于第一反射式移相器4，第一金属活塞4-3没有移动（即P1=0mm）时，第一金属活塞4-3的第三连接件末端与第三定向耦合器之间的距离（即第一金属活塞4-3的第三连接件4-3-4末端与第一短路枝节4-1远离第一连接件4-3-1底部的端部之间距离）为2.86mm；当第一金属活塞4-3移动距离为P1=5mm时，第一金属活塞4-3的第三连接件末端与第三定向耦合器之间的距离为7.86mm；当第一金属活塞4-3移动距离为P1=10mm时，第一金属活塞4-3的第三连接件末端与第三定向耦合器之间的距离为12.86mm。
如图11-13所示，对于第二反射式移相器5，第二金属活塞5-3没有移动（即P1=0mm）时，第二金属活塞5-3的第三连接件末端与第四定向耦合器之间的距离（第二金属活塞5-3的第三连接件末端与第二短路枝节5-1远离第一连接件底部的端部之间距离）为12.86mm；当第二金属活塞5-3移动距离为P1=5mm时，第二金属活塞5-3的第三连接件末端与第四定向耦合器之间的距离为7.86mm；当第二金属活塞5-3移动距离为P1=10mm时，第二金属活塞5-3的第三连接件末端与第四定向耦合器之间的距离为2.86mm。
图14给出了在不同频率下，信号输入端2到第二信号输出端口7-3的传输系数S21、信号输入端2到第三信号输出端口7-4的传输系数S31以及两个信号输出端口相位随金属活塞移动距离P1的变化关系。
（1）信号输入端2到第二信号输出端口7-3的传输系数S21随金属活塞移动距离P1的变化关系
随着P1的数值在0mm到10mm逐渐增加，13.75GHz-14.5GHz频率范围内的S21呈现出以下趋势：
①P1=0mm到P1=1.4mm时，S21逐渐下降；
②P1=1.4mm到P1=5mm时，S21逐渐上升；
③P1=5mm到P1=8.6mm时，S21逐渐下降；
④P1=8.6mm到P1=10mm时，S21逐渐上升。
（2）信号输入端2到第三信号输出端口7-4的传输系数S31随金属活塞移动距离P1的变化关系
随着P1的数值在0mm到10mm逐渐增加，13.75GHz-14.5GHz频率范围内的S31呈现出以下趋势：
①P1=0mm到P1=1.4mm时，S31逐渐上升；
②P1=1.4mm到P1=5mm时，S31逐渐下降；
③P1=5mm到P1=8.6mm时，S31逐渐上升；
④P1=8.6mm到P1=10mm时，S31逐渐下降。
（3）第二信号输出端口和第三信号输出端口的相位变化呈现出以下特点
在P1=1.4mm时，第三信号输出端口7-4相位保持不变，第二信号输出端口7-3相位发生180°跳变；在P=5mm时，第三信号输出端口7-4相位发生180°跳变，第二信号输出端口7-3相位保持不变；在P1=8.6mm时，第三信号输出端口7-4相位保持不变，第二信号输出端口7-3相位发生180°跳变。
根据极化合成原理分析第二信号输出端口7-3和第三信号输出端口7-4的幅度和相位发生改变对极化角度的影响，极化角度，V 21表示第二信号输出端口7-3的幅值，V 31表示第三信号输出端口7-4的幅值。图15描述了随着金属活塞移动距离P1的数值从P1=0mm到P1=10mm范围逐渐增加的过程中，极化角度与P1呈线性关系，且在13.75GHz-14.5GHz频率范围以及极化角度0°-180°范围内，得到的曲线基本重合，极化角度覆盖了180°。
图14说明第二信号输出端口7-3和第三信号输出端口7-4总信号输出幅值和相位与金属活塞位置之间的关系，图15说明本发明中极化跟踪器极化角度旋转和金属活塞位置之间的关系。可以看出，极化角度的变化随着金属活塞位置的移动呈线性关系，满足工程应用需求。需要说明的是，尽管本发明提供的极化跟踪器的工作频率为13.75GHz-14.5GHz，但极化跟踪器通过等比放缩的方式适用于其他频段。
在第一反射式移相器4和第二反射式移相器5处于初始状态（即P1=0mm）情况下，对极化跟踪器的信号输入端2驻波比，以及第二信号输出端口7-3与第三信号输出端口7-4之间的端口隔离度进行仿真，结果如图16所示。如图16所示，在13.5GHz-14.9GHz的工作频率范围内，极化跟踪器信号输入端2的驻波比（S11，实线表示）小于-20dB，在13.85GHz-14.6GHz的工作频率范围内，极化跟踪器的第二信号输出端口7-3与第三信号输出端口7-4之间的端口隔离度（S32，虚线表示）小于-25dB。
综上所述，本发明提供的极化跟踪器具有以下优势：
（1）本发明以3dB耦合器为核心，配合反射式可变移相器，以极化合成原理为基础，实现任意极化角度调整。从理论推导，到计算机仿真，再到加工实测，均证明该极化跟踪器的可行性，并给出极化跟踪器实现原理图和模型图，通过改变金属活塞移动的距离，得到三者的极化合成角度曲线基本一致。
（2）本发明结构简单，易加工装配，零部件少，加工只需要从中一分二剖开通过机加工实现，且对机加工的精度要求不高。其结构相较于现有技术背景中的产品减少了同轴探针的使用，有利于降低加工难度和装配难度。
（3）本发明的极化跟踪器的带宽、驻波比、端口隔离等性能不低于现有技术背景中的产品，插入损耗、大功率容量，稳定性则优于现有产品。
（4）本发明的极化跟踪器可以通过电机驱动装置改变金属活塞的位置，从而达到任意极化角度可连续、线性调节的效果，同时经过计算可以精确的调节极化角度的输出，且金属活塞采用山字形扼流活塞，可以很好抑制能量泄露。
Claims (10)
1.一种极化跟踪器，其特征在于，包括波导壳体以及于波导壳体内开设的信号输入端，与信号输入端连接的第一定向耦合器，与第一定向耦合器耦接的第一反射式移相器和第二反射式移相器，第二定向耦合器，以及与第二定向耦合器连接的信号输出端；
第一定向耦合器将输入信号分成两路输出信号；
第一反射式移相器和第二反射式移相器分别对第一定向耦合器的两路输出信号进行调控得到两路移相信号；所述第一反射式移相器与第二反射式移相器结构相同，所述第一反射式移相器包括第一短路枝节、第三定向耦合器及包围至少部分第一短路枝节的第一金属活塞；所述第二反射式移相器包括第二短路枝节、第四定向耦合器及包围至少部分第二短路枝节的第二金属活塞；
第二定向耦合器用于对两路移相信号进行叠加输出得到两路叠加输出信号；
信号输出端用于将两路叠加输出信号分别转换成两路最终输出信号。
2.根据权利要求1所述的极化跟踪器，其特征在于，所述信号输入端包括第一信号输入端口、第一信号输出端口、以及与第一信号输入端口、第一信号输出端口耦接的第一通道。
3.根据权利要求1所述的极化跟踪器，其特征在于，所述第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器和第四定向耦合器均选择为3dB耦合器。
4.根据权利要求1或3所述的极化跟踪器，其特征在于，所述第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器和第四耦合器均为四端口器件；第一定向耦合器的第一端口、第二端口分别与信号输入端和负载端连通，第三端口、第四端口分别通过通道与第三定向耦合器的第一端口、第四定向耦合器的第三端口连通，以实现第一定向耦合器与第一反射式移相器和第二反射式移相器耦合；第三定向耦合器第二端口通过通道与第二定向耦合器第一端口连通，第四定向耦合器第四端口通过通道与第二定向耦合器的第二端口连通，以实现第一反射式移相器和第二反射式移相器与第二定向耦合器耦合；第二定向耦合器的第三端口、第四端口与信号输出端连通。
5.根据权利要求4所述的极化跟踪器，其特征在于，所述第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器或/和第四定向耦合器腔体内设置有至少两个分离块。
6.根据权利要求1所述的极化跟踪器，其特征在于，所述极化跟踪器还包括将第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器和第四定向耦合器耦接在一起的耦合件；所述耦合件呈“I”或“工”字形，包括上连接部、下连接部以及位于上连接部和下连接部之间的中间连接部。
7.根据权利要求1所述的极化跟踪器，其特征在于，所述第一金属活塞与第二金属活塞结构相似，整体结构呈U字形且为镜面对称结构；第一金属活塞与第二金属活塞均包括呈U型结构的第一连接件，与第一连接件U型结构开口端两端连接的第二连接件，以及通过连接臂与第二连接件连接的第三连接件；第三连接件呈U型结构，U型结构开口端朝向第二连接件，连接臂的一端与第二连接件的中部连接，连接臂的另一端伸入第三连接件，并连接于U型结构底部中间位置。
8.根据权利要求7所述的极化跟踪器，其特征在于，第一连接件具有沿壳体上安装槽深度方向的第一宽度，第二连接件和第三连接件具有沿壳体上安装槽深度方向的第二宽度，第二宽度大于第一宽度。
9.根据权利要求7所述的极化跟踪器，其特征在于，第三连接件U型结构的两自由臂厚度和连接臂厚度相同，且大于U型结构与连接臂之间的间距。
10.根据权利要求1所述的极化跟踪器，其特征在于，所述信号输出端包括第二信号输入端口、第三信号输入端口、第二信号输出端口、第三信号输出端口，以及与第二信号输入端口、第二信号输出端口耦接的第二通道，与第三信号输入端口、第三信号输出端口耦接的第三通道。
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