CN87105569A - 具有陡变过渡特性的选频筛 - Google Patents

Abstract

可用在卫星10上的双工器的选频筛。用来将一或多个射频信号分成第一和第二频带的频率。选频筛18包括分立的电导元的阵列，一般把铜沉积诸如聚脂亚胺的一块基板上形成电导元。电导元12的几何形状使其等效电路50在第一带频上呈高阻抗并联谐振，在第二带频上呈低阻抗串联谐振，从而传送第一频带的信号而反射第二频带的信号。选频筛可分成第一和第二部分18a、18b，每部分里的电导元18各自沿不同的轴定向。

Description

本发明广泛地涉及到将无线电信号分离成相应频率分量的双工器，特别详尽地讨论了用于将无线电信号分离成第一频带与第二频带的选频筛。

在无线电接收与发送系统里，常常要求将射频信号分离成不同的频带。在某些应用里，过去一直采用一种所谓准光学双工器来分离包含不同频带的入射无线电信号。如在《用一小型陈列组成扫描波束的映象反射器排列》（《贝尔系统技术杂志》，1979年2月，58卷2期，C·Dragon和M·J·Gans全著）一文中就披露了采用这种准光学双工器。该文谈及，一个频率双工器被放置在发射陈列和映象反射器之间。接收陈列则相对发射陈列位于双工器的另一边。来自发射陈列的发射频带信号通过双工器到达映象反射器。而双工器对接收频带的信号反射性，入射在双工器上的接收频带信号则被反射到接收陈列。上述的安置方式是很精巧的，因此被用到了卫星的天线系统里。

各种结构的共振栅准光学双工器披露在《共振栅准光学双工器》（J·A·Araud和F·A·Pelnm发表于《贝尔系统技术杂志》54卷，2期，1975年2月）及《自共振栅理论》（I·Anaerson发表于《贝尔系统技术杂志》54卷10期，1975年12月）两篇文章中。正如这两篇文章所论述的，在很多与通信卫星天线或赫茲电缆相关联的毫米波系统中，准光学滤波器及双工器是十分有用的。由于它们面积大，准光学器件有很强的处理功率的能力。并且，在某种意义上讲，还避开了多问题。它们的欧姆损耗小，而且栅网容易用光板印刷来制作。上述两篇文章，论述了很多栅或多栅双工器。每种栅网，均包括各种结构的栅元件，它们能有效地形电容或电感。一个栅网，不论其几何形减或设计如何，均可用电路元件来表示。等效电路可通过验法将测得的栅网的共振曲线与计算得的等效电路相拟合来获得。在上述《共振栅准光学双工器》一文中，谈到了很多栅网型式，其中包括一种有电容元件的栅网装置，这与一种所谓的《杰罗塞勒姆正交》（Jerusalam    Cross）相似。在共振频率上，杰罗塞勒姆正交栅是全反射性的，其性能相似于一片展平的铜箔。

但是先有工艺制作的准光学双工器，其频率过渡特性一直不很陡峭。因此，对于某些应用，其分离频带反射特性的差异一直不够大。况且，分离频带的宽度对某些应用来讲，也一直比要求的小。因此，必须选用多个选频筛，它们需要细致的相互位。所以，人们总是尽量选用单个选频筛的。

本发明克服了上面提到的早期所用技术的种种弊端。

依据本发明，给出了一个选频筛或双工器，用以分离一个射频信号里的第一与第二两个相接近的频带。特别是在微波范围内，双工器构成了一电导性元件阵列，它们的配置所给出的等效电路，在第一频带内是并联谐振，第二频带内是串联谐振。电导元件被安置在一个平面Nx    M的阵列内。这样，等效电路就由两部分组成。第一部分包括互相并联的第一电感和第一电容;第二部分与第一部分串联耦合，它也含一个第二电容。

每个电导元件，包括一对空间分开的边腿（Side    leg）各形成一个电感;一对空间分开的连接腿（Connecting    leg），它们彼此扩展并联结边腿。相邻元件的连接腿，在空间上靠近，形成了等效电路中的一个串联电容。每个元件还包括一对中间腿（Medial    leg），由连接腿向彼此扩展而形成一个第二电感。另外还有一对中心腿，连到中间腿的端点，空间上彼此靠拢，形成了第二电容，在等效线路中它与第一电感并联。

选频筛可用在多层聚酯亚胺薄膜上运用传统的光印刷术形成电感元件的办法制作得相当完好。在一个实体的选频筛上，将电感元件分成两半，其半个筛上的元件相对另一半旋转90°，这样的双工器的两半可分别工作于水平和垂直极化的信号上。

因此，本发明的基本目的是提供一种选频筛，它可用作有尖锐过渡特性的双工器，用以分离无线信号成第一、第二两个频带，特别适用于该两频带彼此相对很接近时。

本发明的进一步目的是提供一个如上所述的双工器。它在一个频带内呈现并联谐振，故有高阻抗;在另一个频带内则呈现串联谐振，低阻抗。

再进一步的目的是提供一个上述的双工器，它适用于将两个信号-这两个信号有不同的极化-中的一个分成第一频带和第二频带信号。

本发明的某些目标，以及更深远的目的和优越性，在下面对发明描述的过程中将变得更为清楚和直观。

在所给的附图中：

图1是采用了本发明选频筛的通信卫星天线透视图;

图2是图1所示天线系统的顶视图;

图3是沿图2（3-3）线所作的剖视图;

图4是沿图2（4-4）线所作的剖视图;

图5是图1所示天线系统选频筛的正视图;

图6是图5所示筛的部分放大的截面图;

图7是沿图6（7-7）线的剖视图;

图8是图5所示选频筛电感元件中的一个等效线路的详细示意图;

图9是本发明选频筛的频率过渡特性曲线。

首先参看图1-图4。本发明广泛地论及一个选频筛（图中标记“18”）。举例说它可以用在通信卫星（10）的天线系统里。卫星（10）可以构成一个被放置在地球同步轨道上的一颗典型的自旋移动卫星。天线系统一般放在消旋平台上，以使天线波来可以稳定地指向地球。然而，这一点是可以理解的-这里讲的卫星天线系统纯粹是本发明选频筛（18）许许多应用中的一项。

卫星（10）的天线系统包括两个主要的天线分系统及一个常规的全向天线（13）。第一个分系统是点一点式的，在这个分系统中，卫星系统用于双向通信，联结需双向通信的地面站。第二个分系统即所谓的CONUS（大陆    美国）基本上作为广播用的转发器，它以较宽的天线方向图复盖整个美国或其他地理区域，从一个或数个特定的地点接收信号。点一点发射信号和CONUS接收信号是垂直极化的。CONUS发射信号和点一点接收信号则是水平极化的。天线系统包括一个大的反射面组合12，由两个反射面12a、12b组成。它们彼此相对一公共轴稍有点旋转，以使它们相对于下面描述的天线系统的其余部分稍稍能给出些指向上的差别。反射器12a、12b彼此正交安装并交于它们的中点时，反射波的干扰最小，反射器12a被水平极化，故工作于水平极化信号，而反射器12b则被垂直极化，随垂直极化信号工作。因而，反射器12a12b分别反射由另一反射面所发射的信号。

选频筛18分成两半-18a、18b，装在支架30上，这样选频筛之半18a、18b分别位于通过卫星直径的中心线的两侧，如图2能清晰地看出那样。后面将对选频筛18作详尽的讨论。

CONUS分系统有一个接收机14，包装在支架30上，位于选频筛18之半18b的反面。这样，由反射面12b接收与反射垂直极化信号，通过选频筛18b传输到接收器14并聚集在反射器12b的焦点上。典型的COnus发射器24可以由一对喇叭或类似的部件组成，装在稍稍偏下的选频筛18a的上方。发射机24是定向的，因此，可将水平发射的极化信号入射在选频筛18a的上面，18a的功能是反射此信号到水平极化的反射面12a上，由12a再将信号反射到地面上。

点-点分系统主要包括一个发射阵列20，一个付反射面22和一个接收机16。发射阵列20装在支架30上，位于选频筛18的下面。付反射面22安在发射阵列20的正面，在选频筛稍偏下的地方。发射阵列20发出的信号由付发射面22反射到选频筛之半18b上，付反射面22的功能是有效地增大发射阵列20发出的信号。被放大的信号由付发射面22反射，再经选频筛之半18b反射到大反射面12b上，由12b反射所发射的点-点信号到地球上。接收机16位于反射面12a的焦点26上。

综上所述，我们可以弄清选频筛18是如向有效地分离了Conus分系统及点-点分系统的发射与接收信号的。进而可弄明白选频筛18的两半18a和18b各自是如何适应分离垂直与水平极化的各个信号的。

如图5和图7所示，选频筛之半18a和18b均由分立的电导元（electrically    conductive    element）32的nx    m阵列组成。电导元32可由任何一种合适的导电材料如铜组成，并装在一个适当的可通过射频信号的基片33上。本发明所提及的形式中，选频筛18制作过程是：先放一层导电材料（如铜），在诸如KaPton的聚脂亚胺上，蚀去多余的铜层部分，再用通常的光刻技术来精细地刻出各个分立的电导元32。选频筛之半18a和18b可以如图5所示那样装在一个公用基板33上，以使它们躺在一个公共面内;也可以装在分开的基板上，以便18a和18b分别装定在不同的平面内。

在选频筛之半18a上的电导元32，相邻行间隙比相邻列间邻大。反之，18b上的列间隙大于行间隙。结果，选频筛之半18a和18b可认为彼此旋转了90°。这样，选频筛之半18a适用于水平极化信号。而18b则适用于垂直极化信号。

现在，参考图6与图7，它们是半个选频筛18a局部放大图。图上比较清楚地给出了电导元32的结构细节与几何状况。每个电导3（32）都包含有一外框-由一对平行边腿34、36和一对平行的连接腿38、46所圈连的一个矩形环。每条边腿（34、36）均具有予先选好的宽度“W₂”，连接腿（38、46）的予选宽度为“a”。每个电导元（32）还包括一对中间腿40、42，它们相互延伸并与相应的连接腿38、46相连接。中间腿（40、42）与边腿（34、36）相平行地延伸，每个予选宽度W₁。与每个中间腿（40、42）的内端相连的是一对相互联结的中心腿（Cantial leg）44、48。这对腿互相平行地延伸，并且和连接腿（38、46）平行。中心腿（44、48）每个的予选宽度为“b”，空间间隔予定的距离G₁。每个中心腿（44、48）的全长是予选的距离D₁。每个电导元（32）的宽度与长度分别为D₂与P。每个电导元（32）的连接腿（38、46）与相邻电导元（32）的连接腿46空间分隔为予先的距离G₂，而边腿（34、36）与相邻电导元（32）的边腿空间相隔的予距离为C。

现在，来参看图6和图8。腿34、36、40和42意义为电感。而中心腿（44、48）和相邻电导元（32）相对的、空间上相近的连接腿（38、46）形成了电容。电导元（32）独特的几何形状给出的等效电路如图8。它在一个频带上呈并联共振，在第二频带上呈串联共振。通常由数号50表示的等效电路，包括一平联电路52，和一串联电路54串联连接。串联电路54及并联电路52又与自由空间阻抗Z_Ss并联耦合。并联电路包括一电感L₁及一个与电感L₂平行的电容C₁。串联电路包括一电容C₂。电感L₁由中间腿（40、42）形成，电感值由宽度W₁定。电容C₁由中心腿（44、48）形成，因此，电容值由（44、48）两腿的间距G₁确定。电感L₁由边腿（34、36）形成，其电感值由边腿（34、38）的宽度W₂确定。最后，电容C₂由相对的、空间相近的相邻电感元（32）的连接腿（38、46）形成，C₂的电容值由空间距G₂决定。

在接收频带上，平联电路52是共振的，因而等效电路50，即选频筛18呈高阻抗。选频筛18本质上对接收频带是“透明”的。在发射频带上，等效电路50呈串联共振，因而是低阻抗的，选频筛在本质上是电导性的，因而其作用实质上象一反射面，反射反射频带内的入射信号。

本发明选频筛尖锐的频率过渡特性，如图9所示，图上，射频信号通过选频筛6发射，其入射角假设为45°。在本实例中，发射频带为11.7到12.2千兆赫;而接收频带为14到14.5千兆赫，与发射相对地比较近的。图9曲线所示，接收带内的频带本质上无衰减地通过选频筛，而接收频带两端的频率则在强度上尖锐下。事实上，发射频带强度减弱达20分贝以上，即相应发射为1%，反射99%。

对于上面所讨论的发射频率与接收频率电导单元的典型尺寸（用英吋表示）如下：

W₁＝0.040

D₁＝0.090

G₁＝0.010

W₂＝0.050

D₂＝0.250

G₂＝0.010

P＝0.200

a＝0.030

b＝0.015

c＝0.080

通过以上对本发明的阐述，可以看出，那些熟悉本工艺技巧的人，对说明本发明的实例可以作很多修改或补充而不会背离此项工艺成果的精髓与内涵。因此，可以理解本发明要求保护;也可以理解为所提出的保护内容应扩展到本主题所要求法律保护的内容以及所有的明确地属于本发明范围内的相应的材料。

Claims (41)

1、用以分离一个射频信号的第一和第二频带的双工器，它由一个平面型的电导元阵列组成，阵列的排列使它的等效电路在上述的第一频带内是并联谐振，在上述第二频带内是串联谐振。

2、权利要求1的双工器，其中所述的等效线路包括：

第一部分，有一个第一电容和一个第一电感，它们互相并联;

第二部分，与第一部分分相耦合，包含一个第二电容。

3、权利要求2的双工器，其中所讲的第一电容，由一个上述的电导元的一对空间分开的腿部分组成。

4、权利要求3的双工器，其中所述的第二电容，由相邻电导元的空间分隔腿的部分所确定。

5、权利要求1的双工器，其中所述的电导元包括：

一个连接腿的外框;

一个与所提到的连接腿外框相连并沉积在框内的电容部分。

6、权利要求1的双工器，其中所提到的腿外框，包括一条腿平行延伸并在空间上靠近一个相邻电导元的腿，定义成相邻电导元间的一个电容。

7、权利要求1的双工器，其中所讲的电导元包括：

一对空间分开的边腿，每个有予定的宽度，并形成了第一电感;

一对空间分开的连接腿，彼此延伸并连接所述的边腿，这对腿中的一个连接腿与相邻电导元的一条连接腿相对并在空间上相靠拢到一予选的间距。这样至少在某些相邻的电导元间形成一个第一电容;

一对中间腿自所述的连接对起向彼此延伸，每条中间腿都有一予选的宽度，定义成一个第二电感。同时，

连到所述的中间腿的一个端点，装置定义为一个第二电容。

8、权利要求7的双工器，其中所提到的电导元安排成m行n列。因此，相邻行电导元间的空隙实际上大于同一行内相邻电导元的相对的连接腿间予选的空隙。

9、权利要求7的双工器，其中所提及的每条连接腿的相对的末端与所述的一组边腿的末端相互靠近。

10、权利要求7的双工器，其中所提及的连接腿与边腿一起构成一个矩形框架。

11、权利要求7的双工器，其中所提及的中间腿实际上通常是延伸到相对互连的连接腿。

12、权利要求7的双工器，这里所提及的连接装置定义成一个电容，其中一对平行的相对的腿，这里所提及的相对的腿是指它们在空间上分割开一个予定的距离。

13、权利要求12的双工器，其中所提及的相对的腿平行地延伸到所述的连接腿。

14、权利要求7的双工器，包括一个实际的平面基板，所提及的信号可以通过它;所提到的电导元，每一个均由在所述的基板表面上的一层电导物质层所定义。

15、权利要求14的双工器，其中所讲的基板是一种聚脂亚胺和包含铜的导电材料。

16、权利要求7的双工器，其中所讲的第一和第二电感，第一和第二电容组成上述的等效电路。所述等效电路包括：

第一分支，是上述的第二电感和第二电容，它们互相串联;

第二分支，与上述第一分支平行，包括上述的第一电感;

第三分支，与上述第一和第二分支的组合串联，它包括上述的第一电容。

17、用于分离射频信号的第一和第二频带的双工器包括：

实质上是一个平板型的电导NXM陈列，分立的电导元安排成N到M行，每一个所述电导元包括：

（1）一对空间分开的边腿，每个有一个予选的宽度，并形成一个第一电感;

（2）一对空间上分开的连接腿，互相扩展并连接上述的边腿，上述一对连接腿中的一条，与一个相邻陈列元的一条连接腿相对并在空间上相隔予选的距离，以使至少在某些相邻的上述陈列之间形成第一电容;

（3）一对中间腿，各自由上述的连接腿向彼此扩展，上述中间腿中的每一条均有一予选宽度，构成第二电感;

（4）上述中间腿的一端上的连接装置定义成第二电容。

18、权利要求17双工器，其中相邻行里的陈列元间隙实际上大于一行里相邻陈列元相对的连接腿间的予定的间隙。

19、权利要求17双工器，其中相邻行的陈列元间的空间是够大，因而实质上相邻行的陈列之间不会形成电容。

20、权利要求17双工器，其中上述每条连接腿的相对的未端分别与一组上述的边腿的末端相连。

21、权利要求17双工器，其中上述的连接腿与边腿，一起构成一个矩形的框架。

22、权利要求17双工器，其中上述的中间腿实际上通常是延伸到各自联结的连接腿。

23、权利要求17双工器，其中上述定义成一个电容的连接机构（Means），包括一对平行的相对的腿（OPPosing  legs），所述相对的腿空间分开一个予选的距离。

24、权利要求24双工器，其中所述相对的腿组平行地延伸到上述的连接腿组。

25、权利要求17双工器，其中上述的双工器包括一个实际上的平面基板，上述的信号可以通过该基板;上述的陈列元每一个都由在上述基板表面的一层电导性材料所确定。

26、权利要求25双工器，其中所提到的基板是聚脂亚胺，所提到的电导性材料包括铜。

27、权利要求17双工器，其中上述的第一和第二电感，第一和第二电容组成所提及的等效电路，这里所讲的等效电路包括：

和一分支，里面所提到的第二电容及第二电感彼此串联;

第二分支，与上述第一分支并联，包括所提到的第一电感。

第三分支，与上述的第一分支和第二分支组相串联，上述的第三分支包括所提及的第一电容。

28、权利要求17双工器，其中上述的第一和第二电感，第一和第二电容，组成一个在所提及的第一频带内共振的等效电路。

29、权利要求17双工器，其中上述的第一和第二电感、第一和第二电容组成一等效线路，在所提及的第一频带内有相对较高的阻抗，在所提及的第二频带内有相对较低的阻抗。

30、用将一射频信号分离成第一信号和第二信号的选频筛，第一信号具有第一频带频率，它穿过上述的选频筛，具有第二频带频率的第二信号则被选频筛所反射，选频筛包括：

多个基本上共面分布的电导元件，上述电导元排列组成一等效电路。上述等效电路包括：

（1）在上述第一频带内呈并联谐振的并联电路，它包括相互并联的一个第一电感和一个第一电容;

（2）在上述第二频带内呈串联谐振的一个串联线路，该串联线路与上述的并联电路相串联，包含一个第二电容。

31、权利要求30的选频筛，其中每一个所述的元包括：

空间上分开的第一和第二腿，定义成所述的第一电感;

第三腿与相邻陈列元的第三腿空间上靠拢，相邻阵元间相近的第三腿定义成所述的第二电容;

而空间上相邻近的第四、第五腿，则定义成所述的第一电容。

32、权利要求31的选频筛，其中

所述的第一和第二腿本质上互相平行;

所述的第四和第五腿安排在上述的第一和第二腿之间。

33、权利要求30的选频筛，其中每一个所述的陈列元包括：

第一和第二两对相对的互联腿，它们组成一个框带;

在上述框架内，一对在空间上靠拢的平行腿，定义成所述的第二电容。

34、权利要求33的选频筛，其中每一陈列元里，上述第二对相对腿中的一条与相邻阵元的相对腿对（OPPosed  Pair）中的一条腿在空间上靠拢且并行。相邻元间空间上相近的腿定义成所述的第二电容。

35、权利要求34的选频筛，其中所述的第一对腿，定义成第一电感。

36、权利要求35的选频筛，其中在所述的框架内，所述的空间上靠拢的平行腿实质上延伸垂直于第一对腿。

37、用于将每一个第一和第二射频信号均分离成第一和第二频带的选频筛，其中所述的第一信号沿第一参考轴极化，而第二信号沿垂直于第一参考轴的第二轴极化，该选频筛包括：

可以被第一和第二射频信号穿过的一基板;

在上述基板上有大量的电导元，电导元分成两组，第一组在所述基板的第一面上，第二组在所述基板的第二面上，与第一面相邻，第一组里的电导元沿上述的第一轴定向，以传送所述的第一信号里第一频带频率，而反射第一信号第二频带的频率，上述第二组里的陈列元，则沿第二轴定向，以传送第二信号里第一频带的频率，反射第二信号里第二频带的频率。

38、权利要求39的选频筛，其中所述的基板是一层聚脂亚胺，所述的电导元是铜沉积在聚脂亚胺层上。

39、权利要求37的选频筛，其中在上述的第一组和第二组电导元里，至少有一组电导元排列形成等效电路，在所述的第一频带内呈并联电路谐振，在第二频带内呈串联电路谐振。

40、权利要求39的选频筛，其中所述的等效线路39包括：

第一部分，有互相并联的一个第一电感和一个第一电容;

第二部分，与上述第一部分串联耦合，包括一个第二电容。

41、权利要求37的选频筛，其中第一组和第二组电导元彼此并排地沉积在基片上。

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