CN1759498A - 波导频带/偏振分路器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种偏振/频率分路器的优化的方法，生产后不需要调整并且可以完全通过模制生产。偏振波分路器包括各种部件，包括一个经由过渡区(2和4)连接到两个滤波器(3和5)的偏振分路器(1)。各种部件的整体尺寸是这样的，分路器的传递特性好于由构成分路器的各部件的特性总和所带来的特性。

Description

波导频带/偏振分路器
技术领域
本发明涉及到一种波导频带/偏振分路器。特别是，本发明涉及到一种线性偏振分路器，它包括波导滤波功能以分离发射波和接收波。
背景技术
双路卫星传输使用不同的发射和接收频带。使用不同的发射和接收偏振是已知的。此外，当分配频带时，为了满足高频和偏振分离限制，使用波导技术已是公知的。到目前为止，这种类型的装置还没有被大规模生产，各个部件生产相对昂贵。
现在，还没有可以低成本大规模生产的紧凑的高性能分路器。
发明内容
本发明提出一种偏振/频率分路器的最优化的方案，生产后不需要调整并且可以完全通过模制生产。
本发明是一个包括各种部件的偏振波分路器。至少一个公共波导具有一个适合让至少两种不同偏振传播的截面，公共波导具有第一和第二端，第一端构成公共输入/输出。第一狭槽被设置在公共波导的第二端，第一狭槽让具有第一种偏振的波传播。第二狭槽被设置在公共波导的侧向部分，第二狭槽让具有第二种偏振的波传播。第一过渡区在波导横截面上提供了一个变化。第二过渡区在波导横截面上提供了一个变化。第一波导滤波器具有：第一端，它经由第一过渡区连接到第一狭槽；和第二端，它构成第一单独的输入/输出。第二波导滤波器具有：第一端，它经由第二过渡区连接到第二狭槽；和第二端，它构成第二单独的输入/输出。各种部件的整体尺寸是这样的，在发射频带内和在接收频带内，一方面在公共输入/输出和第一单独输入/输出之间，另一方面在公共输入/输出和第二单独输入/输出之间，所测量的分路器的传递特性，好于由构成分路器的各部件在所述频带内的特性总和所带来的特性。
附图说明
在阅读随后的描述时，本发明将被更清楚地理解，其他特征和优点也将变得显而易见，描述将参考附图给出，其中：
图1显示了根据本发明的分路器的框图；和
图2-5显示了构成本发明的分路器的四个部件。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的分路器的框图。分路器包括一个与波导天线部件连接的公共端口(或公共输入/输出)，例如一个角，并包括两个单独的端口(或单独的输入/输出)，一方面连接到一个发射电路，另一方面连接到一个接收电路。图1中标明的箭头目的仅仅在于，在给定发射或接收配置中指出波行进的方向。假定发射和接收电路(和频带)被颠倒，箭头的方向也可以反转而分路器不用任何其他的修改。连接着公共端口的偏振分路器1将来自天线的波分离为具有两种不同偏振的两组波，在这个例子中，被分离为两种线性的和相互垂直的偏振。第一过渡区2连接到偏振分路器1，以发射(或接收)来自第一滤波器3第一端的具有第一种偏振的波。滤波器3的第二端构成第一单独的端口。第二过渡区4连接到偏振分路器1，以接收(或发射)具有第二种偏振的波并将它们传输到第二滤波器5的第一端。第二滤波器5的第二端构成第二单独的端口。
使用这种类型装置的一种传统方法包括单独选择和确定各种部件的尺寸，利用一个恒定截面且长度至少为λg/2的波导部分将它们连接一起，其中λg为特定于波导的波长，这样各种部件不会相互干涉。因此，整个组合件的传递特性稍微次于单独选用各个部件的特性总和。“总和”应该被理解为意味着特性的结合，它不是一个数学总和而是矩阵积(product of matrices)的结果。因此，各种部件必须单独地具有非常高的性能，这样才能产生与想要性能相符的组合件。
根据本发明，确定各种部件的尺寸的方法以一种整体的方式进行。首先，要根据特性定义想要的性能等级。例如，想要生产一种分路器，它在发射模式运行在29.5和30GHz之间的频带，在接收模式运行在19.7和20.2GHz之间的频带。理想的是，各个端口具有的反射系数小于-30dB，在公共端口和具有第一种偏振的第一单独端口之间且在发射频带中的传输因数系数大于-0.8dB，在公共端口和具有第二种偏振的第二单独端口之间和在接收频带中的传输因数系数大于-0.8dB，在公共端口和具有第一种偏振的第二单独端口之间和在发射频带中的传输因数系数小于-30dB，在公共端口和具有第二种偏振的第一单独端口之间和在接收频带中的传输因数系数小于-30dB，在第一单独端口和第二单独端口之间，无论怎样的偏振，传输因数系数小于-60dB。
接下来，基于现有技术进行技术选择。偏振分路器1是，例如，一个具有一个侧面狭槽并且在一端具有一个狭槽的正方形截面的波导。从现有技术可知，狭槽的使用需要阻抗匹配，利用产生波导/波导过渡区2和4的台阶可以实现它。滤波器3和5例如是具有利用波导E平面短轴(E-pane stub)产生的极的波导滤波器。
优化是从一个原理开始的，即可以引入与各种部件相关的电容或电感型的寄生谐振以有利地与偏振分路器交互作用。因此，优化允许了制造材料的节约，因为用于连接的短轴变得不必要了。
优化的开始点与标准的确定尺寸操作是相对应的。偏振分路器1形成为一个根据技术规则利用空隙耦合的正方形波导并且以有可能最佳的性能精确地覆盖了Tx(发射)和Rx(接收)频带。
图2显示了一种偏振分路器的透视图(图2a)，和两个不同角度的两个侧视图(图2b和2c)。为了图2和以下各图的易读性，仅仅显示各部件的活动壁(active wall)。然而，图2和其他图对应于由优化产生的各部件，当我们继续时，将解释一些细节。
偏振分路器1是一个具有侧面C的正方形截面的短轴，它的一端10构成公共端口，另一端被封闭并由一个长度af1、宽度bf1、厚度ef1的狭槽11刺穿。第二狭槽12被放置在短轴的一侧，距短轴被封闭端的距离为dcc处，使得波导在用于导波波长的狭槽中心处终止于短路。第二狭槽12的长度为af2、宽度为bf2、厚度为ef2。狭槽与端部10隔开的波导长度为LG。
正方形波导尺寸的选择依赖于Rx频带中的截止频率——对基谐模传播是必要的——并依赖于Tx频带中的高阶模的数量。另外，有必要在导波波长中含有最小可能的变化，这使得在频带内的匹配更容易。后一种情况意味着选取一个波导，它的尺寸比Rx频带截止处的波导尺寸大约大20％。
在本例中，具有7.7mm大侧面的波导给出的截止频率为19.5GHz；因为TE20模具有的截止频率为30GHz，所以选择的尺寸至少大20％，但是小于10mm。因此我们的选择为C＝9.6mm。
狭槽的尺寸是这样：af＞λm/2，af/bf＞a/b，并且bf非常小，λm是被传输频带的平均波长，af是狭槽的长度，bf是狭槽的宽度，a和b分别代表所关注的频带内的标准波导的长度和宽度，这样仅仅基谐模TE10可以传播。这样一个狭槽在谐振时的等效电路被并联的LC等效电路给出。通过逐渐增加bf，谐振条件意味着af必须同时增加。因此，从狭槽的已知等效电路图表中，C减小，L增加，从而产生谐振狭槽的品质因数Q(Q与C/L的平方根成比例)并因此它的带宽增加。这个带宽的增加有损于匹配。
狭槽的厚度理论上必须尽可能的小以具有最佳的耦合，然而从机械观点看，它必须至少为波导的厚度。因此，狭槽的厚度被选择为ef1＝ef2＝0.5mm。狭槽的厚度对耦合选择性有影响；这是因为行为(behaviour)不再是单独的谐振而传播效果开始形成。这马上减少了选择性。根据技术规则执行的尺寸确定操作给出的结果为：
af1＝4.77mm        bf1＝1.96mm
af2＝7.5mm         bf2＝0.66mm
LG＝λg＝15mm     dcc＝λg/4＝3.75mm。
它的一个原因是为了改善匹配，有必要在四分之一波长台阶中使用过渡区。
这些过渡区利用已知的四分之一波长匹配技术来确定尺寸，这些技术例如由Borneman在“天线馈电系统的波导部件：理论和CAD”中指出的。
根据第一狭槽11，第一过渡区2有一个台阶，根据第二狭槽12，第二过渡区4有两个台阶。
在接下来的优化期间，在第一狭槽有单个台阶的事实使得将第一狭槽11与第一过渡区2的波导横截面合并成为可能，这个过渡区2被分布在对应于偏振分路器1的部件和对应于第一滤波器3的部件上。接地平面13增加在第一狭槽11的末端，以在与它接触的第一滤波器的短轴处产生台阶。然而，根据初始数据，使用了一个过渡区，它包括横截面为5.5mm×1.47mm长度为6mm的第一短轴和横截面为6.6mm×2.29mm长度为3.83mm的一个短轴。
第二过渡区包括三个短轴，其中两个如图3所示，第三个短轴与第二滤波器5的短轴合并了。图3a显示了第二过渡区4部件的透视图，图3b、3c和3d以三个侧视图显示了相同的部件。第一短轴14与偏振分路器1接触。第一短轴14具有一个长边为at1、短边为bt1和波导长度为Lt1的矩形截面。第二短轴15跟在第一短轴14后面。第二短轴15具有一个长边为at2、短边为bt2和波导长度为Lt2的矩形截面。第三个短轴16形成在第二滤波器5上，接地平面17在部件上提供连续性，如图3所示。第三个短轴16具有一个长边为at3、短边为bt3和波导长度为Lt3的矩形截面：
at1＝7.9mm             bt1＝2.55mm
Lt1＝11.9mm            at2＝8.59mm
bt2＝3.14mm            Lt2＝7.8mm
at3＝9.28mm            bt3＝3.72mm
Lt3＝6.36mm
然而，狭槽有助于整体匹配，因此它们必须根据与它并列的四分之一波长过渡区进行修改。包括偏振分路器1和过渡区2和4的整个系统的全面模拟得以完成。接下来，各狭槽和台阶的尺寸被调整以将测量的特性还原到和想要的特性一致。模拟和调整重复进行直到得到可接受的结果。
分路器展示出很好的性能，但是不能通过其本身确保Tx和Rx频带之间的很好的排斥。滤波器设计用来增加一个衰减，它允许得到想要的特征。
在说明性的例子中，选择了波导滤波器，它具有由短轴形成的极。滤波器综合利用了由Borneman在“天线馈电系统的波导部件：理论和CAD”中描述的方法。
第二滤波器5在图4中示出，图4a显示了一幅透视图，图4b显示了一幅侧视图。第二滤波器5有两个端部16和18，它对应于让Rx频带传播的波导；如上所述，其中一个端部构成了第二过渡区4的第三个短轴16。为了达到所需的性能等级，选择了一个三极滤波器，它通过放置在中心波导23上的第一到第三个E面短轴20到22制造。中心波导由两个膜片(irises)24和25连接到两端。
优选地，滤波器制造成关于滤波器中心轴26对称的，以将它形成为两个相同的模制的半壳。为了更容易地将滤器的半壳安装在一起和更容易地将滤波器安装到频率/偏振分路器中，制造了关于中间面27对称的滤波器。因此，安装方向不需要考虑——膜片24和25是相同的并且第一和第三个短轴20和22也是相同的。
滤波器的宽度at3在整个长度上保持不变。构成滤波器的各种部件因此定义如下：
——第一和第三个短轴20和22的长度为Ltg1，高度为htg1；
——第二短轴21的长度为Ltg2，高度为htg2；
——中心波导的高度为hgc，短轴之间的间距对应于一个长度Ls；和
——膜片24和25的高度为hi，高度为Li。
根据现有技术执行确定尺寸操作，以具有例如下面的开始尺寸：
Ltg1＝0.96mm               htg1＝7.34mm
Ltg2＝0.55mm               htg2＝6.49mm
hgc＝1.45mm                Ls＝2.95mm
hi＝1.03mm                 Li＝0.63mm
第一滤波器3在图5中示出，图5a显示了透视图，图5b显示了侧视图。第一滤波器3具有两个端部30和31，对应于让Tx频带传播的波导——如上所述，其中一个端构成第一过渡区2的第二短轴。为了得到所需的性能等级，选择了一个两极滤波器，它由通过中心波导34连接在一起的第一和第二E面短轴32和33来制造。第一和第二短轴32和33通过两个膜片35和36连接到端部30和31。
优选地，滤波器制造成关于滤波器中心轴37对称，以将它制造成两个相同的模制半壳。为了更容易地将滤器的半壳安装在一起和更容易地将滤波器安装到频率/偏振分路器中，制造了关于中间面38对称的滤波器。因此，安装方向不需要考虑——膜片35和36是相同的并且第一和第二短轴32和33也是相同的。
滤波器的宽度aff在整个长度上保持不变。构成滤波器的各种部件因此定义如下：
——端部30和31的长度为Lfe，高度为hfe；
——第一和第二短轴32和33的长度为Lft，高度为hft；
——中心波导的高度为hfgc，短轴之间的间距对应于一个长度Lfs；和
——膜片24和25的高度为hfi，高度为Lfi。
根据现有技术执行确定尺寸操作，以具有例如下面的开始尺寸：
aff＝7.112mm
Lfe＝5mm            Hfe＝3.556mm
Lft＝2.71mm          Hft＝2.13mm
Hfgc＝0.97mm         Lfs＝14.47mm
Hfi＝1.8mm           Lfi＝0.52mm
然后，通过模拟包括偏振分路器1、第一和第二过渡区2和4以及第一和第二滤器3和5的系统进行优化。然后，狭槽11和12被重新确定尺寸，通过增加它们的长度af1和af2以增加带宽，并且也因此增加了它们的宽度bf1和bf2。对于各个台阶，H平面的不连续性(诱导效应)和E平面的不连续性(电容效应)被改进以具有一个匹配的整体LC电路。滤波器3和5的第一短轴22和32(和它们对称的短轴22和33一起)被改进，这样等效于第一短轴的LC电路被匹配到过渡区。
基本思想包括在狭槽的平面中引入失配以在Tx和Rx模式中补偿这个狭槽的失配。狭槽的LC特性将被修改，以得到想要的带宽、频带位置和匹配等级，其他参数被修改以补偿由狭槽的修改产生的失配。在详细的例子中，这样一个确定尺寸操作导致第一狭槽被扩大以与第一过渡区的短轴合并。
结果是，得到了以下的最终尺寸：
af1＝5.32mm              bf1＝3.556mm
ef1＝0.5mm               ef2＝0.5mm
af2＝8.43mm              bf2＝1.65mm
LG＝15mm                 dcc＝1.09mm
at1＝8.5mm               bt1＝4.17mm
Lt1＝0.96mm              at2＝8.61mm
bt2＝4.318mm             Lt2＝2.94mm
at3＝10.668mm            bt3＝4.318mm
Lt3＝5.7mm               htg1＝6.56mm
Ltg1＝1.36mm             htg2＝6.81mm
Ltg2＝1.21mm             Ls＝3.42mm
hgc＝1.48mm              Li＝0.8mm
hi＝1.29mm              aff＝7.112mm
Lfe＝2.03mm              hfe＝3.556mm
Lft＝2.7mm               hft＝1.86mm
hfgc＝1.16mm             Lfs＝14.14mm
hfi＝1.8mm               Lfi＝0.55mm
在这个过程的最后，得到了一套部件(狭槽，过渡区和滤波器)，它们被确定尺寸以用在频率/偏振分路器中。然而，单独选用这些部件在想要的频带中不是高效的。本领域熟练的人员甚至注意到各个部件的特定特性不允许先验要得到滤波器的全部特性，因为它们的总和不是一个允许得到所述滤波器最终特性的先验。然而，各种部件的寄生交互作用使得通过在系统中执行一个整体确定尺寸操作以得到非常高等级的特性成为可能。
本发明不限于所述的实施例。本领域熟练人员可以改变某个部件而仍然遵从相同的方法。所用的该类型的波导滤波器可以用任何其他类型的波导滤波器来代替。正方形和矩形的波导截面可以用圆和椭圆波导截面代替。

Claims (3)

1.一种偏振波分路器，它包括至少以下的部件：
一个公共波导(1)，其具有一个适合让至少两种不同偏振传播的横截面，公共波导具有第一和第二端，第一端构成公共输入/输出(10)；
第一狭槽(11)，其设置在公共波导(1)的第二端上，第一狭槽让具有第一种偏振的波传播；
第二狭槽(12)，其设置在公共波导(1)的侧向部分上，第二狭槽让具有第二种偏振的波传播；
第一过渡区(2)，其在波导横截面上提供了一个变化；
第二过渡区(4)，其在波导横截面上提供了一个变化；
第一波导滤波器(3)，其具有第一端和第二端，其中第一端经由第一过渡区(2)连接到第一狭槽(11)，而第二端构成第一单独的输入/输出；和
第二波导滤波器(5)，具有第一端和第二端，其中第一端经由第二过渡区(4)连接到第二狭槽(12)，而第二端构成第二单独的输入/输出；
其特征在于，各种部件的整体尺寸是这样的，在发射频带内和在接收频带内，一方面在公共输入/输出和第一单独输入/输出之间，另一方面在公共输入/输出和第二单独输入/输出之间，所测量的分路器的传递特性，好于由构成分路器的各部件在所述频带内的特性总和所带来的特性。
2.如权利要求1所述的分路器，其特征在于，滤波器(3，5)是关于中间平面对称的。
3.如权利要求1和2中任一项所述的分路器，其特征在于，构成分路器的部件是通过模制生产的。
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