CN201327867Y - 一种宽带正交模耦合器 - Google Patents

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Abstract

一种宽带正交模耦合器包括：上行矩波导、下行矩波导、耦合谐振窗、极化隔离膜片、两侧加宽脊的圆波导公共通道、阻抗匹配段，极化隔离膜片沿轴向安装在两侧加宽脊的圆波导公共通道的中间，在极化隔离膜片前端的法向位置、两侧加宽脊的圆波导公共通道的圆弧侧安装耦合谐振窗，耦合谐振窗上方安装下行矩波导，上行矩波导安装在极化隔离膜片后并通过阻抗匹配段与两侧加宽脊的圆波导公共通道相连接。本实用新型在传统正交模耦合器的公共通道圆波导两侧加宽脊，从而改变公共通道圆波导对上行信号的传输特性，提高上行通道高次模的抑制，变形后的公共波导具有矩形波导特性，改善了圆波导的极化正交性，从根本上提高了极化隔离度，具有很强的实用性。

Description

一种宽带正交模耦合器
技术领域
本实用新型涉及一种宽频带正交模耦合器，特别涉及一种用于宽频带工作具有高极化隔离度且能有效降低上行通道高次模影响的正交模耦合器，主要用于收发共用双极化天线中。
背景技术
随着通信容量的不断增加，Ka频段在卫星通信中的应用也将日益广泛。星载天线采用收发共用方案，可以很大程度的节约卫星资源。正交模耦合器是实现收发共用天线双极化功能的关键部件，其应用十分广泛，性能优良的正交模耦合器对收发共用天线的隔离度性能有着很大的影响。从可以查阅到的文献与资料来看，正交模耦合器的实现通常是采用从具有极化正交性的公共通道耦合出一种极化的信号的办法来实现极化分离。公共通道通常选用圆波导或方波导，耦合极化信号的等效短路面通常采用隔离膜片、阶梯阻抗变换器或锥变阻抗变换器等方式实现。Artech House公司1993年出版的《Waveguide Componentsfor Antenna Feed Systems：Theory and CAD》一书中给出了几种正交模耦合器的实现方案，如图1所示，公共通道采用方波导或圆波导，极化隔离膜片采用方形或尖劈形。
Ka频段正交模耦合器工作在20/30GHz频带范围，由于工作频率跨度较大，公共通道的选取困难。为了保证上行频段不在公共通道内产生并传播高次模，公共通道波导应该尽量小。但为了保证下行信号主模传输，公共通道波导又不能太小，二者产生矛盾，其中在20/30GHz的Ka频段矛盾尤其突出。当仅能保证下行信号主模在公共通道圆波导中传输时，公共圆波导的尺度已经大到可以传输上行信号的3个高次模。而高次模产生的原因复杂，正交模耦合器内腔的不连续性都有可能激励起高次模，一旦激励起高次模，在公共通道圆波导内又可以传输，将对上行通道的电压驻波比和插入损耗性能产生很大的影响。
目前，在设计宽频带工作的正交模耦合器时，为了避开耦合谐振窗与隔离膜片配合的工作模式，通常选择同轴线耦合的方式，用于避开高次模的不利影响。其中，Alex Dunning在《Double Ridged Orthogonal Mode Transducer forthe 16-26GHz Microwave Band》一文中采用方波导-同轴线耦合方案解决了宽带问题，文中公开的正交模耦合器的结构如图2所示。G.Engargiola和A.Navarrini在《IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY ANDTECHNIQUES》中发表的《K-band Orthomode Transducer with WaveguidePorts and Balanced Coaxial Probes》一文公开了一种圆波导-同轴线-矩波导耦合方案，解决了宽带问题。
以上两种设计方案虽然解决了正交模耦合器的宽频带工作问题，但也有其局限性。其中方波导-同轴线耦合方案增加了正交模耦合器的轴向尺寸，不利于星载环境空间资源十分有限的情况下使用。圆波导-同轴线-矩波导耦合方案虽然轴向尺寸小，但其模式变换环节多，增大了插入损耗，直接影响了天线的增益性能。另外，这两种方案结构都比较复杂，同轴线插入损耗大，不适合星载天线使用。从国外公司的产品广告中和一些文献中可以看到，也有除了上述两种方案的Ka频段正交模耦合器，但是无法看到其内部结构，无法获取有关的具体设计资料。
实用新型内容
本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种新型宽带正交模耦合器，本实用新型结构简单、实用性强，能够有效抑制上行通道高次模，提高极化隔离度。
本实用新型的技术解决方案是：一种宽带正交模耦合器包括：上行矩波导、下行矩波导、耦合谐振窗、极化隔离膜片、两侧加宽脊的圆波导公共通道、阻抗匹配段，极化隔离膜片沿轴向安装在两侧加宽脊的圆波导公共通道的中间，在极化隔离膜片前端的法向位置、两侧加宽脊的圆波导公共通道的圆弧侧安装耦合谐振窗，耦合谐振窗上方安装下行矩波导，上行矩波导安装在极化隔离膜片后并通过阻抗匹配段与两侧加宽脊的圆波导公共通道相连接。
所述的两侧加宽脊的圆波导公共通道采用分体结构，分体位置在极化隔离膜片的末端。
本实用新型与现有技术相比的优点在于：通常公共通道的圆波导尺寸的选取遵循这样一个原则：低频段(下行通道)保证主模传输，高频段(上行通道)尽量不产生高次模，或尽量降低可能产生的高次模的阶数，即圆波导尺寸的选取对发射信号而言要足够大，但对接收信号而言要足够小。当正交模耦合器工作频率跨度较大时，公共圆波导在保证下行信号主模传输的同时，接收信号在公共圆波导通道中会不可避免地传输高次模。本实用新型回避了图2所示的复杂模式转换的设计方案，而在传统正交模耦合器的公共通道圆波导两侧加宽脊，从而改变公共通道圆波导对上行信号的传输特性，提高上行通道高次模的抑制，变形后的公共波导具有矩形波导特性，改善了圆波导的极化正交性，可以对宽频段工作的天线进行收发双极化信号有效分离，从根本上提高了极化隔离度，在双极化工作收发共用天线中，尤其在星载天线中具有很强的实用性。本实用新型的设计思路不仅可以用于设计工作于20/30GHz的Ka频段正交模耦合器设计，也可以用于设计工作于4/6GHz的C频段正交模耦合器设计，对类似的宽频段正交模耦合器设计具有很强的借鉴意义。
附图说明
图1为传统正交模耦合器结构示意图；
图2为方波导-同轴线正交模耦合器的透视结构图；
图3为本实用新型正交模耦合器的结构立体透视图；
图4为本实用新型双侧加宽脊圆波导公共通道截面示意图；
图5为本实用新型正交模耦合器分体位置示意图；
图6为本实用新型实测下行通道电压驻波比曲线；
图7为本实用新型实测上行通道电压驻波比曲线；
图8为本实用新型实测下行通道隔离度曲线；
图9为本实用新型实测上行通道隔离度曲线。
具体实施方式
如图3所示，本实用新型由两侧加宽脊圆波导的公共通道3、极化隔离膜片4、耦合谐振窗5、上行矩波导7、下行矩波导8和阻抗匹配段6组成，极化隔离膜片4沿轴向安装在两侧加宽脊圆波导的公共通道3的中心，在极化隔离膜片4前端的法向位置、两侧加宽脊圆波导的公共通道3的外侧安装耦合谐振窗5，耦合谐振窗5上方安装下行矩波导8，上行矩波导7安装在极化隔离膜片4后并通过阻抗匹配段6与两侧加宽脊圆波导的公共通道3相连接。下行信号(极化1)来自发射机，进入下行矩波导8，经过耦合谐振窗5进入两侧加宽脊圆波导的公共通道3，受隔离膜片4阻挡下行信号通过只能向前传播，经过过渡阻抗匹配段2进入圆波导1，最后通过馈源喇叭发射出去；上行信号从馈源喇叭进入圆波导1后，通过阻抗匹配段2进入两侧加宽脊圆波导的公共通道3，越过耦合谐振窗5和极化隔离膜片4，经过阻抗匹配段6后进入上行矩波导7，最终从接收通道进入接收机。
本实用新型在制作两侧加宽脊圆波导的公共通道时，首先，根据下行信号工作频率和圆波导主模传播条件确定圆波导直径，例如，下行信号的工作频率为20GHz，圆波导的直径为10mm，而下行信号的工作频率为4GHz，圆波导的直径为80mm，然后如图4所示，在圆波导两侧加宽脊，也就是将图中圆波导虚线部分去掉，形成类似椭形跑道形式的两侧加宽脊圆波导，宽脊的厚度根据上行信号工作频率来确定，从而尽量减小高次模的传输，例如，上行信号的工作频率是30GHz，宽脊的厚度为1mm，而上行信号的工作频率是6GHz，宽脊的厚度为4mm。变形后的圆波导具有一些矩形波导的特征，下行信号(实线)为水平极化，相当于宽边保持不变而压窄了窄边，传输条件没有改变，仅仅改变了特征阻抗；上行信号(虚线)为垂直极化，相当于窄边保持不变而压窄了宽边，引起了传输条件的改变，抑制了高次模的传输。此外，变形后的公共波导具有的矩形波导特性，改善了圆波导的极化正交性，从根本上提高了极化隔离度，既可以照常保证下行信号的主模传输条件，又可以有效地降低上行信号高次模的传输阶数。
Ka频段宽带正交模耦合器加工可以采用膜片焊接、整体电铸、电火花工艺等方法。按照Ka频段无源部件对加工精度的要求，最好采用电火花工艺。当采用电火花工艺加工时，必须将正交模耦合器的公共通道3分解为两部分，分体位置61按图5所示选取在极化隔离膜片4的末端，分体后的公共通道3对接处采用法兰形式连接，由此可以获得最佳的工作性能。
按照上述描述制作的分体式宽带正交模耦合器，其各种测试数据曲线如图1-10所示：如图6所示，在工作带内电压驻波比低于1.12，且大部分频带在1.1以下；如图7所示，在工作带内电压驻波比低于1.06；如图8所示，在工作频带内隔离度优于-55dB；如图9所示，在工作频带内隔离度优于-57dB。而普通的正交模耦合器的极化隔离度仿真可以达到-50dB左右，实测结果一般在30dB左右。因此本实用新型的极化隔离度相比现有的正交模耦合器得到了大大提高。

Claims (2)

1、一种宽带正交模耦合器，其特征在于包括：上行矩波导(7)、下行矩波导(8)、耦合谐振窗(5)、极化隔离膜片(4)、两侧加宽脊的圆波导公共通道(3)、阻抗匹配段(6)，极化隔离膜片(4)沿轴向安装在两侧加宽脊的圆波导公共通道(3)的中间，在极化隔离膜片(4)前端的法向位置、两侧加宽脊的圆波导公共通道(3)的圆弧侧安装耦合谐振窗(5)，耦合谐振窗(5)上方安装下行矩波导(8)，上行矩波导(7)安装在极化隔离膜片(4)后并通过阻抗匹配段(6)与两侧加宽脊的圆波导公共通道(3)相连接。
2、根据权利要求1所述的一种宽带正交模耦合器，其特征在于：所述的两侧加宽脊的圆波导公共通道(3)采用分体结构，分体位置(61)在极化隔离膜片(4)的末端。
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