CN203521573U - 自适应变极化功率分配器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自适应变极化功率分配器，其特点是，在波导同轴转换器与同轴型正交模转换器之间增设非接触式同轴线旋转关节，在同轴型正交模转换器与波导型正交模转换器之间增设非接触式波导旋转关节，从而使得位于中部的同轴型OMT能在外力驱动下围绕其轴线转动，进而转动同轴型OMT中的膜片、脊台阶及内导体，从而改变脊台阶圆波导中的电场极化方向，再经波导正交模转换器将TE₁₁模的能量按照脊台阶转动角度进行相应能量分解，完成极化角补偿。本实用新型频带内能量分配平坦度好，且与频率无关；损耗小；极化调整反应快、重复性好；频带内幅度、相位一致性好；频率应用范围广泛；使用可靠性高、寿命长。本实用新型尤其适用于“动中通”天线的发信系统和接收系统。

Description

自适应变极化功率分配器

技术领域

本实用新型涉及了卫星通信技术领域，尤其为一种用于“动中通”卫星通信天线的具有极化补偿功能的自适应变极化功率分配器。

背景技术

在研究“动中通”（Communications in Moving）系统时，我们发现虽然动中通天线能够通过俯仰与方位角转动来对准在同步轨道上的卫星，然而在绝大多数时候，卫星（主要为线极化卫星）的极化与动中通天线的极化并不匹配，从而出现极化损失，大大影响动中通的接收信号质量及信号发射的有效性。所谓“极化匹配”的问题，实质上是功率分配的问题。为了能够避免由于动中通天线在对星时出现极化失配的现象，有必要提供或设计一种自动进行极化匹配的功率分配器件,该器件称为自适应功率分配器，当用在“动中通”上时，亦可称为自适应变极化器。

发明内容

本实用新型的目的是对现有的功率分配器进行结构上的改造，使其在实现功率分配的同时也能具有极化角补偿的功能。

为实现上述目的，本实用新型技术方案是，此种自适应变极化功率分配器构成包括有，波导同轴转换器、同轴型正交模转换器（正交模转换器Orthomode Transducer，OMT）、波导型正交模转换器，其特征在于：其构成中还包括有非接触式同轴线旋转关节和非接触式波导旋转关节，所述波导同轴转换器、同轴型OMT、波导型OMT三者的轴线重合，非接触式同轴线旋转关节的固定端与波导同轴转换器的同轴端固定连接，非接触式同轴线旋转关节的活动端与同轴型OMT的同轴线端固定连接，非接触式波导旋转关节的固定端与波导型OMT的圆波导端固定连接，非接触式波导旋转关节的活动端与同轴型OMT的圆波导端固定连接，所述同轴型OMT能围绕其轴线转动。

在上述技术方案中，所述非接触式同轴线旋转关节由两段长度为λg/4的空腔同轴线组成，两段空腔同轴线之间留有缝隙，并在缝隙外围设置有扼流槽。所述非接触式圆波导旋转关节由两段长度为λg/4的空腔同轴线组成，两段空腔同轴线之间留有缝隙，并在缝隙外围设置有扼流槽。

在上述技术方案中，所述同轴型OMT为膜片-分支型，所述耦合端port2的轴线与同轴型OMT中的膜片平面平行，该膜片与脊台阶和内导体固定成一体，并能随同轴型OMT的旋转而旋转。

本实用新型技术方案的变极化功率分配原理是，同轴型OMT被其两端的非接触式旋转关节架空，并能在外力驱动下围绕其轴线旋转，进而转动同轴型OMT中的膜片、脊台阶部分以及内导体，从而改变脊台阶圆波导中的电场极化方向，再经波导正交模转换器将TE₁₁模的能量按照脊台阶转动角度进行相应能量分解，完成极化角补偿。

  正交模转换器（OMT）中能量分解原理如下所示：

图中θ表示同轴型OMT中膜片、脊台阶部分以及同轴线内导体旋转角度

      从上图中可以得到

           

                （式 1）

     其中E_V表示电场E的垂直分量，E_H表示电场E的水平分量

     则电场强度E经正交模转换器分解成水平与垂直分量后，其能量比：

            

             （式 2）

      dB值：

            

     （式 3）

  可见随着输入电场极化的方向不同，正交模转换器输出端口的能量比值也不一样，有如上式所述的关系。

本实用新型技术方案既可以用于卫星天线的信号发送通道中，使天线极化与卫星极化实时匹配；本实用新型技术方案也可以用于卫星天线的信号接收通道中，使卫星极化与天线极化实时匹配。

在上述技术方案中，可以根据实际要求，以同轴线来替代上述技术方案中的波导同轴转换器，也可以用同轴型正交模转换器来替代上述技术方案中的波导正交模转换器，从而拓展本实用新型技术方案的适用性，以满足不同场合、不同端口的连接需要。

本实用新型的优点：

1、频带内能量分配平坦度好，且与频率无关。

本实用新型所述的器件具有非常好的带内平坦度且与所在频率无关，在保证器件加工精度与装配同心度的前提下，器件样品的带内平坦度与设计较为接近，一致性好，最差时约为0.1dB。

2、损耗小。

本实用新型大都采用空腔波导，损耗较低；另外在本实用新型中在旋转对接的位置处采用带有扼流槽结构的非接触式旋转关节，保证电性能良好，损耗低。

3、极化调整反应快、重复性好。

由于非接触式旋转关节和高精度轴承在步进电机的驱动下，带动同轴型OMT旋转，从而带动圆波导内的极化方向进行旋转相同角度，然后能量在波导OMT中进行分解，可任意得到两输出端口的能量比，故而输出端口能量比易于调整，可靠性比较高；重复性好。

4、频带内幅度、相位一致性好。

由于在圆波导中传播的主模是TE₁₁，为极化简并模，由数学表达式可见，其水平与垂直极化分量总是同相的，幅度与频率无关，所以其幅度、相位一致性好。

5、频率应用范围广泛。

根据本实用新型的设计思想，只要能够满足本实用新型的上述结构设计要求，通过选取满足不同频率的圆形波导，就能够设计出所需的自适应变极化功率分配器。故而其频率应用范围广，可用于微波及毫米波领域。

     6、使用可靠性高、寿命长。

由于采用非接触式旋转关节，满足了本实用新型中不断地旋转以改变调整极化角之需要，其可靠性高，不易损坏，使用寿命较长。

附图说明

图1是本实用新型波导同轴转换器结构示意图。

图2是本实用新型非接触式同轴线旋转关节结构示意图。

图3是本实用新型同轴型OMT结构示意图。

图4是本实用新型非接触式圆波导旋转关节结构示意图。

图5是本实用新型波导型OMT结构示意图。（“膜片-分支型”）

图6是本实用新型实施例一结构示意图（两个非接触式旋转关节未绘出）。

图7是本实用新型实施例一，图6中的同轴型OMT旋转九十度角后的结构状态示意图。

图8是本实用新型实施例一发送信号过程的模式转换示意图。

图9是本实用新型实施例二接收卫星信号过程的模式转换示意图。

图10是本实用新型实施例三中，非接触式同轴线旋转关节分别连接输入端同轴线和同轴线型OMT的结构示意图。

图11是图10的结构剖视示意图。

图12是本实用新型实施例三中的输出端同轴线OMT结构示意图。

以上附图中，11是同轴外导体，12是同轴内导体，13是调节螺钉，14是矩形波导，21是同轴内导体，22是同轴外导体，23是旋转缝隙，24是扼流槽，31是圆波导，32是同轴线耦合端口，33是膜片，34是脊台阶，35是同轴内导体，36是同轴外导体，41是圆波导，42是旋转缝隙，43是圆波导，44是扼流槽，51是矩形波导，52是膜片，53是矩形波导，54是圆波导，61是波导OMT，62是同轴OMT，63是同轴波导转换器，64是旋转九十度角后的同轴OMT，71是同轴OMT外导体，71是同轴OMT内导体，73是非接触式同轴旋转关节，74是同轴输入端外导体，75是同轴输入端内导体，76是旋转缝隙，77是扼流槽，78是同轴OMT内导体与同轴输入端内导体之间的旋转缝隙，81是水平同轴线端，82是隔离柱，83是垂直同轴线端，84是圆波导。

具体实施方式

实施例一：

本实施例给出的自适应变极化功率分配器用于“动中通”天线信号发送，该自适应变极化功率分配器串联接入信号发送通道。

本实施例由波导同轴转换器63、非接触式同轴旋转关节、同轴型OMT（脊台阶变换）62、非接触式圆波导旋转关节和膜片-分支型波导OMT61构成。本实施例发送信号输入端为波导形式，发送信号输出端也为波导形式，本实施例整体结构如附图6所示，图6中未绘出的非接触式同轴旋转关节如附图2所示，非接触式圆波导旋转关节如附图4所示。

本实施例中的波导同轴转换器结构如附图1所示，该波导同轴转换器为空腔低损耗同轴线和矩形波导构成，调节螺钉平衡转换信号。波导同轴转换器作为发送信号输入端，其作用是将矩形波导口输入的单极化微波信号转换为同轴线中的圆对称TEM波；

本实施例中的同轴型正交模转换器如附图3所示，该同轴型OMT选用的是“膜片—分支型”结构。同轴型OMT有一个公共端口port3和两个正交端口port1、port2，两个正交端口均为同轴线形式。其中Port1、Port2两端口为相互正交隔离的输出端。

本实施例中的波导型OMT结构如附图5所示，该波导型OMT的公共端Port3与非接触式圆波导旋转关节的固定端(附图4 Port2)连接固定，该波导型OMT将公共端输入的经过极化角补偿的发送信号分解成两个相互正交的极化信号，送至天线正交口进行发送。

本实施例中的非接触式同轴旋转关节如附图2所示，该非接触式同轴旋转关节主要由与外导体相连接的两段λg/4长的空腔同轴线组成，该非接触式同轴旋转关节的右端为固定端（附图2 Port1），该固定端与本实施例中的波导同轴转换器中的同轴端（附图1 Port2）固定连接，该非接触式同轴旋转关节的左端为活动端（附图2 Port2），该活动端与本实施例中同轴型OMT的同轴端（附图3中Port1）固定连接。

本实施例中的非接触式圆波导旋转关节如附图4所示，该非接触式圆波导旋转关节主要由两段λg/4长的空腔同轴线组成，该非接触式圆波导旋转关节的左端为固定端（附图4 Port2），该固定端与本实施例中的波导型OMT的公共端（附图5 Port3）固定连接，该非接触式圆波导旋转关节的右端为活动端（附图4 Port1），该活动端与本实施例中同轴型OMT的公共端（附图3 Port3）固定连接。

为了缩短非接触式旋转关节的长度，上述非接触式同轴旋转关节（如附图2所示）和非接触式圆波导旋转关节（如附图4所示）由两段空腔同轴线组成，两段空腔同轴线之间留有旋转缝隙23、42，为缩短了非接触式旋转关节的长度，采取了折叠式设计，使在缝隙外围形成了扼流槽24、44，从而确保在增加两个非接触式旋转关节的情况下，同轴线电性能仍然保持良好。即非接触式旋转关节的折叠结构形成的扼流槽有效地降低了由同轴线外导体的旋转缝隙对同轴线电性能而带来的系统不匹配和能量泄露的影响，进而确保当同轴型OMT旋转时，但其电性能始终保持良好。

本实施例的工作原理和过程为：

发送信号（TE₁₀模式）从波导同轴转换器的矩形波导端输入，在同轴线中转换成TEM模式，由于“动中通”天线载体地理位置与同步卫星之间存在着难以避免的极化不匹配现象，天线系统中的惯性制导装置和全球定位（GPS）装置迅速测算出“动中通”天线极化与卫星极化之间存在的偏差角参数，并且通过高精度步进电机实时驱动同轴型OMT旋转一定的角度，使同轴型OMT中的脊台阶及内导体也旋转相应角度，进而使圆波导中所形成TE₁₁模式的极化角得到调整，这样在波导型OMT中，调整了θ角度的TE₁₁模式极化波被分解成两个正交的、与端口相匹配的极化信号，再由矩形波导输出至天线发射端口，向卫星发射。而此刻天线发射端口发射信号的水平极化波和垂直极化波与此刻卫星极化方向完全一致，从而降低了由于天线极化与卫星极化不匹配所造成的功率损失。

本实施例中，对同轴型OMT的旋转调节是动态的，惯性制导装置和GPS装置实时向高精度步进电机发出确定步长的驱动指令，从而动态、实时、自动地调整发送信号的极化方向，形成闭环控制系统。

附图7是本实施例中的同轴线型OMT顺时针旋转

角以后的结构状态示意图。

附图8给出了本实施例发送信号过程的极化模式转换调整示意图。

实施例二：

本实施例给出的自适应变极化功率分配器用于“动中通”天线卫星信号接收，该自适应变极化功率分配器串联接入卫星信号接收通道中。

本实施例由膜片-分支型波导OMT（如图5所示）、非接触式圆波导旋转关节（如图4所示）、同轴型OMT（脊台阶变换）（如图3所示）、非接触式同轴旋转关节（如图2所示）和波导同轴转换器（如图1所示）构成。各部件的构造及结构方式与实施例一相同，在此不重复描述。 

本实施例与实施例一的区别在于各部件的尺寸大小不同于实施例一中各部件尺寸大小。本实施例各部件尺寸大小与天线所接收卫星信号的频率相关。

本实施例的工作原理和过程为：

“动中通”天线卫星信号的水平极化波和垂直极化波分别从膜片-分支型波导OMT的两个矩形波导输入，该波导OMT将卫星信号变换为同轴线中的圆对称TEM模，接着将同轴线中的TEM模通过脊台阶变换为圆波导中有极化方向的主模TE₁₁模，此刻，主模TE₁₁模仍然与存在着极化偏差，通过旋转同轴型OMT使脊台阶及同轴线内导体一并旋转，从而改变脊台阶圆波导中的电场极化方向，进而在波导同轴转换器的圆波导中形成TE₁₀极化波，再经波导同轴转换器以波导形式向卫星信号接收器输出。

本实施例中同轴型OMT的圆波导公共端port3形成极化简并模TE₁₁模，TE₁₁模的水平极化波与膜片平行的，垂直极化波与膜片垂直的，对于Port2而言，膜片则类似于短路活塞的作用，水平极化波在此被反射，最终传输到Port2端口中，然后输出。膜片因其阻止水平极化波向Port1输出，提供了Port1和Port2较高的隔离度，对于Port1而言，膜片并不影响垂直极化波到达Port1端口，然后输出。

附图9给出了本实施例接收卫星信号过程的极化模式转换调整示意图。

实施例三：

本实施例给出的自适应变极化功率分配器用于“动中通”天线信号发送，该自适应变极化功率分配器串联接入信号发送通道，其发送信号输入端口为同轴线形式（如图10、11所示），其发送信号输出端为同轴型OMT形式（如图12所示）。

本实施例由同轴线输入端（如图10、11所示）、非接触式同轴旋转关节（如图2所示）、同轴型OMT（脊台阶变换）（如图3所示）、非接触式圆波导旋转关节（如图4所示）和同轴型OMT输出端（如图12所示）构成。 

本实施例除发送信号的同轴线输入端、同轴型OMT输出端不同于实施例一之外，其它各部件的结构与实施例一相同，各部件之间的结构连接关系、工作原理、变极化功率分配过程均与实施例一相同，在此不重复叙述。

本实施例给出的自适应变极化功率分配器适用于发送信号的输入端和输出端均要求为同轴线的场合。

实施例四：

本实施例给出的自适应变极化功率分配器用于“动中通”天线卫星信号接收，该自适应变极化功率分配器串联接入卫星信号接收通道中，其接收卫星信号输入端口为波导OMT形式（如图5所示），其接收卫星信号输出端为同轴线形式（如图10、11所示）。

本实施例由膜片-分支型波导OMT（如图5所示）、非接触式圆波导旋转关节（如图4所示）、同轴型OMT（脊台阶变换）（如图3所示）、非接触式同轴旋转关节（如图2所示）和同轴线输出端（如图10、11所示）构成。 

本实施例除接收信号的同轴线输出端不同于实施例二之外，其它各部件构造与实施例二相同，各部件之间的结构连接关系、工作原理、变极化功率分配过程均与实施例二相同，在此不重复叙述。

本实例给出的自适应变极化功率分配器适用于接收卫星信号输出端为同轴线场合。

实施例五：

本实施例给出的自适应变极化功率分配器用于“动中通”天线卫星信号接收，该自适应变极化功率分配器串联接入卫星信号接收通道中，其接收卫星信号输入端口为同轴型OMT形式（如图12所示），其接收卫星信号输出端为波导同轴转换器（如图1所示）。

本实施例由同轴型OMT形式（如图12所示）、非接触式圆波导旋转关节（如图4所示）、同轴型OMT（脊台阶变换）（如图3所示）、非接触式同轴旋转关节（如图2所示）和波导同轴转换器（如图1所示）构成。 

本实施例除接收信号的输入端口形式不同于实施例二之外，其它各部件的结构、工作原理、变极化功率分配过程均与实施例二相同，在此不重复叙述。

本实施例所给出的自适应变极化功率分配器适用于接收卫星信号的输出端为同轴型OMT的场合。 

Claims (5)

1.一种自适应变极化功率分配器，其构成包括有，波导同轴转换器、同轴线型正交模转换器、波导型正交模转换器，其特征在于：其构成中还包括有非接触式同轴线旋转关节和非接触式波导旋转关节，所述波导同轴转换器、同轴线型正交模转换器、波导型正交模转换器三者的轴线重合，非接触式同轴线旋转关节的固定端与波导同轴转换器的同轴端固定连接，非接触式同轴线旋转关节的活动端与同轴线型正交模转换器的同轴线端固定连接，非接触式波导旋转关节的固定端与波导型正交模转换器的圆波导端固定连接，非接触式波导旋转关节的活动端与同轴线型正交模转换器的圆波导端固定连接，所述同轴线型正交模转换器能围绕其轴线转动。

2.根据权利要求1所述的自适应变极化功率分配器，其特征在于：所述非接触式同轴线旋转关节由两段长度为λg/4的空腔同轴线组成，两段空腔同轴线之间留有缝隙，并在缝隙外围设置有扼流槽。

3.根据权利要求1所述的自适应变极化功率分配器，其特征在于：所述非接触式圆波导旋转关节由两段长度为λg/4的空腔同轴线组成，两段空腔同轴线之间留有缝隙，并在缝隙外围设置有扼流槽。

4.根据权利要求1所述的自适应变极化功率分配器，其特征在于：所述波导同轴转换器以同轴线替代。

5.根据权利要求1所述的自适应变极化功率分配器，其特征在于：所述波导正交模转换器以同轴线正交模转换器替代。

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