專利名稱：一種寬帶正交模耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種寬頻帶正交模耦合器，特別涉及一種用于寬頻帶工作 具有高極化隔離度且能有效降低上行通道高次模影響的正交模耦合器，主要用 于收發(fā)共用雙極化天線中。
背景技術(shù)：
隨著通信容量的不斷增加，Ka頻,爻在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用也將日益廣泛。星 載天線采用收發(fā)共用方案，可以4艮大程度的節(jié)約衛(wèi)星資源。正交模耦合器是實(shí) 現(xiàn)收發(fā)共用天線雙極化功能的關(guān)鍵部件，其應(yīng)用十分廣泛，性能優(yōu)良的正交模 耦合器對(duì)收發(fā)共用天線的隔離度性能有著很大的影響。從可以查閱到的文獻(xiàn)與 資料來看，正交模耦合器的實(shí)現(xiàn)通常是采用從具有極化正交性的公共通道耦合 出一種極化的信號(hào)的辦法來實(shí)現(xiàn)極化分離。公共通道通常選用圓波導(dǎo)或方波導(dǎo)， 耦合極化信號(hào)的等效短路面通常采用隔離膜片、階梯阻抗變換器或錐變阻抗變 換器等方式實(shí)現(xiàn)。Artech House ^>司1993年出片反的《Waveguide Components for Antenna Feed Systems: Theory and CAD》 一書中給出了幾種正交模耦合 器的實(shí)現(xiàn)方案，如圖1所示，公共通道采用方波導(dǎo)或圓波導(dǎo)，極化隔離膜片采 用方形或尖劈形。
Ka頻段正交模耦合器工作在20/30GHz頻帶范圍，由于工作頻率跨度較 大，公共通道的選取困難。為了保證上行頻段不在公共通道內(nèi)產(chǎn)生并傳播高次 模，公共通道波導(dǎo)應(yīng)該盡量小。但為了保證下行信號(hào)主模傳輸，公共通道波導(dǎo) 又不能太小，二者產(chǎn)生矛盾，其中在20/30GHz的Ka頻段矛盾尤其突出。當(dāng) 僅能保證下行信號(hào)主模在公共通道圓波導(dǎo)中傳輸時(shí)，公共圓波導(dǎo)的尺度已經(jīng)大 到可以傳輸上行信號(hào)的3個(gè)高次才莫。而高次模產(chǎn)生的原因復(fù)雜，正交模耦合器 內(nèi)腔的不連續(xù)性都有可能激勵(lì)起高次模， 一旦激勵(lì)起高次模，在公共通道圓波導(dǎo)內(nèi)又可以傳輸，將對(duì)上行通道的電壓駐波比和插入損耗性能產(chǎn)生很大的影響。 目前，在設(shè)計(jì)寬頻帶工作的正交模耦合器時(shí)，為了避開耦合諧振窗與隔離 膜片配合的工作模式，通常選擇同軸線耦合的方式，用于避開高次模的不利影
響。其中，Alex Dunning在《Double Ridged Orthogonal Mode Transducer for the 16-26GHz Microwave Band》 一文中采用方波導(dǎo)-同軸線耦合方案解決了寬 帶問題，文中公開的正交模耦合器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。G. Engargiola和A. Navarrini在《IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES》中發(fā)表的《K國(guó)band Orthomode Transducer with Waveguide Ports and Balanced Coaxial Probes》 一文公開了一種圓波導(dǎo)-同軸線-矩波導(dǎo)耦 合方案，解決了寬帶問題。
以上兩種設(shè)計(jì)方案雖然解決了正交模耦合器的寬頻帶工作問題，但也有其 局限性。其中方波導(dǎo)-同軸線耦合方案增加了正交模耦合器的軸向尺寸，不利于 星載環(huán)境空間資源十分有限的情況下^f吏用。圓波導(dǎo)-同軸線-矩波導(dǎo)耦合方案雖 然軸向尺寸小，但其模式變換環(huán)節(jié)多，增大了插入損耗，直接影響了天線的增 益性能。另外，這兩種方案結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，同軸線插入損耗大，不適合星載 天線使用。從國(guó)外公司的產(chǎn)品廣告中和一些文獻(xiàn)中可以看到，也有除了上述兩 種方案的Ka頻段正交模耦合器，但是無法看到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，無法獲取有關(guān)的 具體設(shè)計(jì)資料。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的技術(shù)解決問題是克ill現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型寬帶 正交才莫耦合器，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)，能夠有效抑制上行通道高次 模，提高極化隔離度。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是 一種寬帶正交模耦合器包括上行矩波導(dǎo)、 下行矩波導(dǎo)、耦合諧振窗、極化隔離膜片、兩側(cè)加寬脊的圓波導(dǎo)公共通道、阻 抗匹配段，極化隔離膜片沿軸向安裝在兩側(cè)加寬脊的圓波導(dǎo)^^共通道的中間， 在極化隔離膜片前端的法向位置、兩側(cè)加寬脊的圓波導(dǎo)公共通道的圓弧側(cè)安裝耦合諧振窗，耦合諧振窗上方安裝下行矩波導(dǎo)，上行矩波導(dǎo)安裝在極化隔離膜 片后并通過阻抗匹配段與兩側(cè)加寬脊的圓波導(dǎo)公共通道相連接。
所述的兩側(cè)加寬脊的圓波導(dǎo)^>共通道采用分體結(jié)構(gòu)，分體位置在才及化隔離 膜片的末端。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于通常公共通道的圓波導(dǎo)尺寸的選 取遵循這樣一個(gè)原則低頻段(下行通道)保證主模傳輸，高頻段(上行通道) 盡量不產(chǎn)生高次模，或盡量降低可能產(chǎn)生的高次模的階數(shù)，即圓波導(dǎo)尺寸的選 取對(duì)發(fā)射信號(hào)而言要足夠大，但對(duì)接收信號(hào)而言要足夠小。當(dāng)正交模耦合器工 作頻率跨度較大時(shí)，公共圓波導(dǎo)在保證下行信號(hào)主模傳輸?shù)耐瑫r(shí)，接收信號(hào)在 公共圓波導(dǎo)通道中會(huì)不可避免地傳輸高次模。本實(shí)用新型回避了圖2所示的復(fù) 雜模式轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)方案，而在傳統(tǒng)正交模耦合器的公共通道圓波導(dǎo)兩側(cè)加寬脊， 從而改變公共通道圓波導(dǎo)對(duì)上行信號(hào)的傳輸特性，提高上行通道高次模的抑制， 變形后的公共波導(dǎo)具有矩形波導(dǎo)特性，改善了圓波導(dǎo)的極化正交性，可以對(duì)寬 頻段工作的天線進(jìn)行收發(fā)雙極化信號(hào)有效分離，從根本上提高了極化隔離度， 在雙極化工作收發(fā)共用天線中，尤其在星載天線中具有很強(qiáng)的實(shí)用性。本實(shí)用 新型的設(shè)計(jì)思路不僅可以用于設(shè)計(jì)工作于20/30GHz的Ka頻段正交模耦合器 設(shè)計(jì)，也可以用于設(shè)計(jì)工作于4/6GHz的C頻段正交模耦合器設(shè)計(jì)，對(duì)類似的 寬頻段正交模耦合器設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的借鑒意義。

圖1為傳統(tǒng)正交模耦合器結(jié)構(gòu)示意圖2為方波導(dǎo)-同軸線正交模耦合器的透視結(jié)構(gòu)圖3為本實(shí)用新型正交模耦合器的結(jié)構(gòu)立體透視圖4為本實(shí)用新型雙側(cè)加寬脊圓波導(dǎo)^^共通道截面示意圖5為本實(shí)用新型正交模耦合器分體位置示意圖6為本實(shí)用新型實(shí)測(cè)下行通道電壓駐波比曲線；
圖7為本實(shí)用新型實(shí)測(cè)上行通道電壓駐波比曲線；圖8為本實(shí)用新型實(shí)測(cè)下行通道隔離度曲線； 圖9為本實(shí)用新型實(shí)測(cè)上行通道隔離度曲線。
具體實(shí)施方式

如圖3所示，本實(shí)用新型由兩側(cè)加寬脊圓波導(dǎo)的公共通道3、極化隔離膜 片4、耦合諧振窗5、上行矩波導(dǎo)7、下行矩波導(dǎo)8和阻抗匹配段6組成，極化 隔離膜片4沿軸向安裝在兩側(cè)加寬脊圓波導(dǎo)的公共通道3的中心，在極化隔離 膜片4前端的法向位置、兩側(cè)加寬脊圓波導(dǎo)的公共通道3的外側(cè)安裝耦合諧振 窗5,耦合諧振窗5上方安裝下行矩波導(dǎo)8，上行矩波導(dǎo)7安裝在極化隔離膜 片4后并通過阻抗匹配段6與兩側(cè)加寬脊圓波導(dǎo)的公共通道3相連接。下行信 號(hào)(極化1 )來自發(fā)射機(jī)，進(jìn)入下行矩波導(dǎo)8,經(jīng)過耦合諧振窗5進(jìn)入兩側(cè)加 寬脊圓波導(dǎo)的公共通道3，受隔離膜片4阻擋下行信號(hào)通過只能向前傳播，經(jīng) 過過渡阻抗匹配段2進(jìn)入圓波導(dǎo)1,最后通過饋源喇叭發(fā)射出去；上行信號(hào)從 饋源喇叭進(jìn)入圓波導(dǎo)1后，通過阻抗匹配段2進(jìn)入兩側(cè)加寬脊圓波導(dǎo)的公共通 道3,越過耦合諧振窗5和極化隔離膜片4,經(jīng)過阻抗匹配段6后進(jìn)入上行矩 波導(dǎo)7,最終從接收通道進(jìn)入接收才幾。
本實(shí)用新型在制作兩側(cè)加寬脊圓波導(dǎo)的公共通道時(shí)，首先，根據(jù)下行信號(hào) 工作頻率和圓波導(dǎo)主模傳播條件確定圓波導(dǎo)直徑，例如，下行信號(hào)的工作頻率
為20GHz,圓波導(dǎo)的直徑為10mm，而下衧"f言號(hào)的工作頻率為4GHz，圓波導(dǎo) 的直徑為80mm,然后如圖4所示，在圓波導(dǎo)兩側(cè)加寬脊，也就是將圖中圓波 導(dǎo)虛線部分去掉，形成類似橢形跑道形式的兩側(cè)加寬脊圓波導(dǎo)，寬脊的厚度才艮 據(jù)上行信號(hào)工作頻率來確定，從而盡量減小高次才莫的傳輸，例如，上行信號(hào)的 工作頻率是30GHz，寬脊的厚度為1mm,而上行信號(hào)的工作頻率是6GHz, 寬脊的厚度為4mm。變形后的圓波導(dǎo)具有一些矩形波導(dǎo)的特4i,下4亍4言號(hào)(實(shí) 線)為水平極化，相當(dāng)于寬邊保持不變而壓窄了窄邊，傳輸條件沒有改變，僅 僅改變了特征阻抗；上行信號(hào)(虛線)為垂直極化，相當(dāng)于窄邊保持不變而壓 窄了寬邊，引起了傳輸條件的改變，抑制了高次才莫的傳輸。此外，變形后的公共波導(dǎo)具有的矩形波導(dǎo)特性，改善了圓波導(dǎo)的極化正交性，從根本上提高了極 化隔離度，既可以照常保證下行信號(hào)的主模傳輸條件，又可以有效地降低上行 信號(hào)高次模的傳輸階數(shù)。
Ka頻段寬帶正交模耦合器加工可以釆用膜片焊接、整體電鑄、電火花工藝 等方法。按照Ka頻段無源部件對(duì)加工精度的要求，最好釆用電火花工藝。當(dāng) 采用電火花工藝加工時(shí)，必須將正交模耦合器的公共通道3分解為兩部分，分 體位置61按圖5所示選取在極化隔離膜片4的末端，分體后的公共通道3對(duì) 接處采用法蘭形式連接，由此可以獲得最佳的工作性能。
按照上述描述制作的分體式寬帶正交模耦合器，其各種測(cè)試數(shù)據(jù)曲線如圖 1-10所示如圖6所示，在工作帶內(nèi)電壓駐波比低于1.12,且大部分頻帶在 1.1以下；如圖7所示，在工作帶內(nèi)電壓駐波比低于1.06;如圖8所示，在工 作頻帶內(nèi)隔離度優(yōu)于-55dB;如圖9所示，在工作頻帶內(nèi)隔離度優(yōu)于-57dB。而 普通的正交模耦合器的極化隔離度仿真可以達(dá)到-50dB左右，實(shí)測(cè)結(jié)果一般在 30dB左右。因此本實(shí)用新型的極化隔離度相比現(xiàn)有的正交模耦合器得到了大大 提高。
權(quán)利要求1、一種寬帶正交模耦合器，其特征在于包括上行矩波導(dǎo)(7)、下行矩波導(dǎo)(8)、耦合諧振窗(5)、極化隔離膜片(4)、兩側(cè)加寬脊的圓波導(dǎo)公共通道(3)、阻抗匹配段(6)，極化隔離膜片(4)沿軸向安裝在兩側(cè)加寬脊的圓波導(dǎo)公共通道(3)的中間，在極化隔離膜片(4)前端的法向位置、兩側(cè)加寬脊的圓波導(dǎo)公共通道(3)的圓弧側(cè)安裝耦合諧振窗(5)，耦合諧振窗(5)上方安裝下行矩波導(dǎo)(8)，上行矩波導(dǎo)(7)安裝在極化隔離膜片(4)后并通過阻抗匹配段(6)與兩側(cè)加寬脊的圓波導(dǎo)公共通道(3)相連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬帶正交模耦合器，其特征在于所述的 兩側(cè)加寬脊的圓波導(dǎo)公共通道(3)采用分體結(jié)構(gòu)，分體位置(61 )在極化隔 離膜片(4)的末端。
專利摘要一種寬帶正交模耦合器包括上行矩波導(dǎo)、下行矩波導(dǎo)、耦合諧振窗、極化隔離膜片、兩側(cè)加寬脊的圓波導(dǎo)公共通道、阻抗匹配段，極化隔離膜片沿軸向安裝在兩側(cè)加寬脊的圓波導(dǎo)公共通道的中間，在極化隔離膜片前端的法向位置、兩側(cè)加寬脊的圓波導(dǎo)公共通道的圓弧側(cè)安裝耦合諧振窗，耦合諧振窗上方安裝下行矩波導(dǎo)，上行矩波導(dǎo)安裝在極化隔離膜片后并通過阻抗匹配段與兩側(cè)加寬脊的圓波導(dǎo)公共通道相連接。本實(shí)用新型在傳統(tǒng)正交模耦合器的公共通道圓波導(dǎo)兩側(cè)加寬脊，從而改變公共通道圓波導(dǎo)對(duì)上行信號(hào)的傳輸特性，提高上行通道高次模的抑制，變形后的公共波導(dǎo)具有矩形波導(dǎo)特性，改善了圓波導(dǎo)的極化正交性，從根本上提高了極化隔離度，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
文檔編號(hào)H01Q21/24GK201327867SQ200820124238
公開日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2008年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月3日
發(fā)明者姚永田 申請(qǐng)人:中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第五研究院第五〇四研究所