專利名稱：高頻信號的寬帶無損耗混合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將多個(gè)高頻信號的寬帶混合技術(shù)，具體說是一種高頻信號的寬 帶無損耗混合方法。技術(shù)背景無線(wireless)設(shè)備的工作離不開高頻信號，如微波(microwave)信號或 射頻(RF: radio frequency)信號，本發(fā)明統(tǒng)稱為高頻信號。不同的高頻信號有 不同的頻率(fr叫uency)、帶寬(bandwidth)和調(diào)制(modulation)，它是區(qū)別多 個(gè)不同信號的重要參數(shù)。信號的另外兩個(gè)參數(shù)即幅度、相位可以通過線性處理 得到，因此通常對幅度、相位不作特別考慮。無線設(shè)備包含了各種高頻器件和傳輸線，信號混合器是常用的高頻器件。將 不同傳輸線中的不同信號傳送到同一個(gè)高頻傳輸線中，且這些信號的極化、模 式相同，這個(gè)過程稱為信號的混合，相關(guān)器件稱為混合器或合路器。高頻信號 在設(shè)備中傳送依賴于高頻傳輸線，簡稱傳輸線。最常用的傳輸線是波導(dǎo)、同軸 線(也稱電纜)、微帶線、雙絞線等?？梢詮母哳l網(wǎng)絡(luò)的觀點(diǎn)去研究高頻器件，高頻網(wǎng)絡(luò)或高頻器件與外部的接口 稱為端口。如一端口網(wǎng)絡(luò)，信號能夠從一個(gè)端口進(jìn)和出，虛線為端口平面。端 口平面的輸入電磁場可表述為Et (x， y， z， co) =V (Z) Eot (x， y) exp[j( w t-P z)〗 ...... (1)Ht (x, y， z， w) =1 (Z) Hot (x， y) exp[jOt隱Pz)] ...... (2) 高頻器件(或多端口微波網(wǎng)絡(luò))的端口通常是選器件(或網(wǎng)絡(luò))與外部傳輸 線的相連的某個(gè)參考面或參考點(diǎn)上。需要注意的是，雖然是在同一個(gè)參考面或 參考點(diǎn)，但如果有兩個(gè)極化不同的信號，則應(yīng)看作是兩個(gè)端口，而不是一個(gè)端 口。當(dāng)然，高頻器件的參考面也不完全選在傳輸線上，如天線的口面也是常見 的器件端口，但高頻網(wǎng)絡(luò)通常是研究一個(gè)封閉區(qū)域。從公式(l)、 (2)看出，端 口的參數(shù)是標(biāo)量。如果端口參考平面只有一個(gè)極化的信號，則只有一個(gè)端口。 如果該參考平面有兩個(gè)極化不同的信號，則就應(yīng)該看作兩個(gè)端口。相應(yīng)，如果有N個(gè)極化不同的信號，則有N個(gè)端口?；旌掀魇且粋€(gè)多端口器件(或多端口微波網(wǎng)絡(luò))。兩路信號混合器是一個(gè)三 端口器件(或三端口微波網(wǎng)絡(luò))，兩個(gè)端口是輸入， 一個(gè)端口是輸出。四路信號混合器是一個(gè)5端口器件(或五端口微波網(wǎng)絡(luò))，4路輸入， 一路輸出。四路信 號混合器可以用三個(gè)兩端口混合器實(shí)現(xiàn)，因此兩端口混合器為基本合路單元。 一般地說，信號混合器是m路信號輸入，n路信號輸出，且m〉n。例如，五路 信號輸入，兩路信號輸出。但兩路輸入， 一路輸出(也就是三端口混合器，或 三端口混合網(wǎng)絡(luò))是最基本的情況，它是一般混合網(wǎng)絡(luò)的核心單元， 一般混合 網(wǎng)絡(luò)都可以用基本合路單元輔助一些常用的微波器件構(gòu)造得出，因此原理上我 們只用研究兩路輸入， 一路輸出的微波網(wǎng)絡(luò)。這種研究所得到的合路方法并不 失一般性。注意，我們不把負(fù)載電阻或隔離電阻作為一個(gè)端口，因?yàn)檫@個(gè)端口 僅僅是吸收功率，沒有信號的輸出，因此不是研究的重點(diǎn)。而且，本發(fā)明是希 望負(fù)載電阻或隔離電阻上的功率損耗趨于零或盡量小?；旌掀鞯闹饕夹g(shù)指標(biāo)包括，(l)插損，也就是從輸入端口到輸出之間，信 號的插入損耗，希望要盡量小。(2)體積重量越小越好。(3)通過功率越
大越好。(4)技術(shù)復(fù)雜度復(fù)雜度越低越好。(5)對載波的頻率和頻帶寬度的 適應(yīng)度對頻率變化和頻帶寬度改變越不靈敏越好。(6)輸入端口之間的隔離 度隔離度越高越好。(7)無源互調(diào)越低越好。另外，輸入輸出端口也是相 對的，因此信號混合器也能用于信號功率分配器。 下面舉幾個(gè)高頻信號混合例。在無線廣播領(lǐng)域，會遇到將兩個(gè)不同頻率的信號(調(diào)制信號或非調(diào)制信號)進(jìn)行混合，如圖1所示。例如，兩個(gè)廣播調(diào)頻信號，分別是FM96MHz和 FM105MHz，這兩個(gè)調(diào)頻廣播信號一般是通過各自的饋線送到發(fā)射場地的天線。 如果把信號合成起來送到發(fā)射場，就可以省掉一根電纜，頻率相近時(shí)還可以公 用同一個(gè)天線，這樣就節(jié)省了電纜費(fèi)用和安裝費(fèi)用。其它無線系統(tǒng)也常常需要把多個(gè)不同載波頻率的信號進(jìn)行混合(也稱為合 路)。如圖2所示。圖2中給出了兩種混合場景，如圖2a，是同一個(gè)設(shè)備(BS)內(nèi) 的兩個(gè)不同的發(fā)射信號，通過混合器送入同一根電纜或天線?；蛘咄粋€(gè)設(shè)備 內(nèi)，不同頻率與制式的信號(如G信號與U信號)進(jìn)行混合。如圖2b，是兩個(gè) 不同的設(shè)備(BS)之間的信號合路。合路的優(yōu)點(diǎn)是兩路信號可以用同一根饋線 傳輸，或者用同一個(gè)天線發(fā)射，或者兩者兼而有之。以上背景都涉及兩個(gè)或多個(gè)不同信號，在高頻段無損耗混合(或合路)成一 路信號的問題。特別地，是要求將大功率信號(通常在瓦量級以上)進(jìn)行混合。 或者是在天線饋源中將接收信號進(jìn)行混合，統(tǒng)一地送到低噪聲放大器(LNA)進(jìn)行 放大處理。目前有兩種常用的混合的技術(shù)，下面分別介紹。 與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)一 現(xiàn)有技術(shù)一寬帶混合之功分器方案 最常用的信號混合是采用功分器做寬帶合路。常用的功分器是電橋(hybrid) 或Wilkinson功分器，俗稱3dB電橋或3dB功分器。所謂3dB是指信號功率會 損失一半。這兩種信號混合器使用很普遍，屬于本專業(yè)內(nèi)人士普遍知道和經(jīng)常 使用的寬帶混合技術(shù)，因此對其本身原理不多敘述。Wilkinson功分器的隔離電阻為內(nèi)置，使得隔離電阻的功率容量難以做得比較大， 因此通常用于小功率信號的合路。而電橋的負(fù)載電阻可以外接，可以方便地配 置功率容量較大的隔離電阻，因此大功率的信號通常采用電橋來實(shí)現(xiàn)。信號混 合流程如圖3所示，載頻信號100經(jīng)過發(fā)射機(jī)102放大后，送入由電橋組成的 寬帶混合器104，然后通過電纜，送到天線106發(fā)射出去。由于有較大的合路損 耗，因此大功率隔離電阻108上要吸收大量的功率。3dB電橋本來是4端口網(wǎng)絡(luò)， 但用于信號合路時(shí)，隔離端口接負(fù)載電阻，因此還是稱為三端口混合網(wǎng)絡(luò)。圖3 只畫出了兩路信號的混合，多路信號的混合類似。 現(xiàn)有技術(shù)一的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)采用現(xiàn)有技術(shù)1的優(yōu)點(diǎn)是(1)在工作頻帶內(nèi)沒有頻率選擇性，因此通常稱 為寬帶混合，這種寬帶混合對需要跳頻(Fr叫uency Hoping)的GSM網(wǎng)絡(luò)等特別有 用。(2)體積小、重量輕、成本低。采用現(xiàn)有技術(shù)1的主要缺點(diǎn)是損耗大。理論上，兩路信號的合路要損失一半 的功率，即損失3dB功率。如果是4路信號的合路要損失四分之三的功率，即 損失6dB功率。N路信號混合則損失101og(N)分貝。因此，多路大功率信號混 合時(shí)，會造成信號功率的大幅減少，造成能源浪費(fèi)和散熱問題。 現(xiàn)有技術(shù)二窄帶混合之濾波器方案現(xiàn)有技術(shù)2是采用濾波器來實(shí)現(xiàn)多路信號混合，如圖4所示。這種方式使用
也較多，屬于本專業(yè)內(nèi)人士普遍知道和經(jīng)常使用的技術(shù)，因此對其原理不多敘 述。其工作流程如圖4所示，載頻信號200經(jīng)過發(fā)射機(jī)202放大后，送入由濾 波器組成的窄帶混合器204，然后通過電纜，送到天線206發(fā)射出去。 現(xiàn)有技術(shù)二的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)這種混合器的優(yōu)點(diǎn)是插入損耗較小，理論上插入損耗可以為零，實(shí)際插損 通常遠(yuǎn)低于技術(shù)方案1的寬帶混合，因此可通過較大功率。圖4只畫出了兩路 信號合路，多路信號合路同樣是可行的。這種合路器的缺點(diǎn)有三個(gè) 一是由于濾波器有頻率選擇性，因此通常會影響頻點(diǎn)(頻點(diǎn)，F(xiàn)A: frequency allocation)調(diào)整的靈活性或頻帶寬度(frequency bandwidth)調(diào)整的靈活性，給使用帶來不方便。采用可變介電常數(shù)材料、變?nèi)莨堋?步進(jìn)電機(jī)等可以動態(tài)調(diào)整濾波器的頻點(diǎn)或帶寬，但是成本更高，技術(shù)更復(fù)雜。 二是由于采用濾波器，這種混合器通常成本高、體積大、設(shè)計(jì)與加工復(fù)雜。信 號頻率越接近，信號頻率數(shù)目越多，這些缺點(diǎn)越明顯。三是存在一個(gè)保護(hù)間隔， 小于這個(gè)間隔，混合器體積與成本也急劇增加，合路損耗會急劇增加，甚至無 法進(jìn)行低損耗混合。同時(shí)由于存在保護(hù)間隔，因此信號不能靠得太近，降低了 頻譜使用效率。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種兼有3dB電橋混合器和濾波器混合器優(yōu)點(diǎn)的新型信號混合 方法，也即一種高頻信號的寬帶無損耗混合方法；該技術(shù)能夠在高頻頻段，將 多個(gè)不同的高頻信號(如頻率不同或信號帶寬不同或調(diào)制方式不同等)，理論上 無損耗或工程上低損耗地混合在一個(gè)高頻網(wǎng)絡(luò)端口 。 為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案是1、高頻信號的寬帶無損耗混合方法，其在于所述的高頻信號的寬帶無損 耗混合方法包含高頻信號的無損耗輸入轉(zhuǎn)換及高頻信號的無損耗極化轉(zhuǎn)換兩步 驟(1) 、第一步驟是將需要合并的信號無損耗地送到同一個(gè)空間； 通過各種激勵(lì)、感應(yīng)或耦合措施，將需要混合的信號變成某個(gè)空間中的極化模式，通常是正交模式。(2) 、第二步驟是高頻信號的無損耗極化轉(zhuǎn)換，將極化不同的信號轉(zhuǎn)換成極 化相同的信號；通過高頻信號的無損耗極化轉(zhuǎn)換，使得極化不同的信號轉(zhuǎn)換成極化相同的信 號；經(jīng)過極化轉(zhuǎn)化后，信號的極化變得相同，而且由于信號在同一個(gè)轉(zhuǎn)換器中， 工作模式也就相同，信號也就無損耗地混合在一起了。 上述的高頻信號極化的轉(zhuǎn)換，采用的方式為利用傳輸線的變換使得極化發(fā)生改變，在轉(zhuǎn)換傳輸線的初始端是具有正交 模式的傳輸線如圓波導(dǎo)、方波導(dǎo)、對稱的脊波導(dǎo)、同軸線，在轉(zhuǎn)換傳輸線的結(jié) 束端是只允許單一極化模式的傳播的傳輸線如矩形波導(dǎo)、橢圓波導(dǎo)、微帶線、 同軸線，在轉(zhuǎn)換初始端和轉(zhuǎn)換巻結(jié)束端之間是兩種傳輸線的過渡部分；最終使 得在同一傳輸線中因極化不同而形成多個(gè)端口，變成極化相同的單端口，從而 完成信號的混合。上述的高頻信號極化的轉(zhuǎn)換，采用的方式為利用膜片或銷釘?shù)仁沟脴O化發(fā)生改變，即消除與膜片或銷釘桿平行的極化 分量，只剩下與膜片或銷釘垂直的極化分量，使得不同極化的信號變成極化同向。上述的高頻信號極化的轉(zhuǎn)換，采用的方式為利用極化移相器使得極化發(fā)生改變，使得多個(gè)信號的極化由不同變成同向。 如利用極化移相器將f2信號進(jìn)行移相，使得f2信號變?yōu)閳A極化(或線極化)， 然后又利用極化移相器將f2圓極化信號變?yōu)榫€極化(或圓極化)，并且線極化 (或圓極化)的方向與fl此時(shí)的極化方向相同；上述的高頻信號極化的轉(zhuǎn)換，采用的方式為利用耦合探針使得極化發(fā)生改變，通過將耦合探針天線加粗，降低耦合探 針對極化方向的敏感性，使得不同極化方向的信號都能在天線中得到完整的信 號耦合，從而將不同極化的信號，無損耗或低損耗地耦合同一個(gè)耦合探針中， 從而實(shí)現(xiàn)不同極化信號的無損耗或低損耗混合。從對偶性原理可知，也可以采 用對極化方向不敏感的耦合環(huán)。上述的高頻信號在經(jīng)過輸入轉(zhuǎn)換、極化轉(zhuǎn)換后，根據(jù)需要將已經(jīng)混合了的信 號從一種傳輸線轉(zhuǎn)換到另一種傳輸線，如從波導(dǎo)轉(zhuǎn)換到同軸線或微帶線；從同 軸線的TE11模轉(zhuǎn)成沒有截至波長的同軸線TEM模；從圓波導(dǎo)的TE11模轉(zhuǎn)成圓 波導(dǎo)TM01模；從圓波導(dǎo)的TE11模轉(zhuǎn)成矩形波導(dǎo)的TE10模。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)如下本發(fā)明提供一種高頻信號的寬帶無損耗混合方法；該技術(shù)能夠在高頻頻段， 將多個(gè)不同的高頻信號(如頻率不同或信號帶寬不同或調(diào)制方式不同等)，理論 上無損耗或工程上低損耗地混合(或合成)在一個(gè)高頻網(wǎng)絡(luò)端口。其優(yōu)點(diǎn)是既 有3dB電橋混合器與頻率無關(guān)的寬帶特性，又有濾波器混合器低損耗的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為不同頻率的調(diào)頻信號進(jìn)行混合原理示意圖；圖2為無線移動通訊中兩個(gè)載波信號的合路或兩個(gè)基站之間的合路； 圖3為采用3dB電橋的混合器；圖4為采用濾波器進(jìn)行信號混合存在的保護(hù)間隔問題； 圖5為幾種常見的傳輸線；圖6為幾種常見的極化模式、正交模式和正交簡并模式；圖7為信號的耦合輸入或輸出圖；圖8為常見的耦合激勵(lì)以及模式圖；圖9為激勵(lì)信號在傳輸線中的單向和雙向傳輸；圖10為常見傳輸線的傳輸信號模式；圖11為常見傳輸線組成的微波網(wǎng)絡(luò)和散射網(wǎng)絡(luò)；圖12為利用極化轉(zhuǎn)換消除接受天線中的極化失配，實(shí)現(xiàn)信號的無極化損失接收;圖13為本發(fā)明大功率混合的一般形式；圖14為傳統(tǒng)的圓波導(dǎo)到矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換；圖15為利用傳輸線實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換的過程示意圖；圖16為基本單向合路單元；圖17為基本雙向合路單元；圖18為用基本單元組合成多路混合；圖19為圓波導(dǎo)與方波導(dǎo)的探針耦合信號輸入轉(zhuǎn)換形式； 圖20為利用各種波導(dǎo)的信號輸入轉(zhuǎn)換形式； 圖21為利用傳輸線的極化轉(zhuǎn)換示意圖； 圖22為實(shí)現(xiàn)案例1的剖面示意圖23為實(shí)現(xiàn)案例1三部分無明顯界限的剖面圖示意圖；圖24為采用膜片與銷釘進(jìn)行極化轉(zhuǎn)換示意圖；圖25為突變式極化轉(zhuǎn)換示意圖；圖26為同軸線到微帶線的轉(zhuǎn)換示意圖；圖27為通過鐵氧體膜片及勵(lì)磁線包完成極化轉(zhuǎn)換示意圖； 圖28為利用特殊探針完成極化轉(zhuǎn)換示意圖；圖29為利用探針完成三路信號極化轉(zhuǎn)換示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明是一種多個(gè)高頻信號的寬帶混合技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)所構(gòu)成的混合器， 能夠在高頻頻段，將多個(gè)不同頻率或不同信號帶寬或不同調(diào)制的輸入信號，理 論上無損耗或工程上低損耗地混合(或合成)在一個(gè)端口。特別地，輸出信號 一定可以全部無耗或低損耗地送入同軸線或平面帶狀線，以橫電磁波模式(也即TEM模式)或準(zhǔn)橫電磁波模式傳播。 幾點(diǎn)解釋(1) 、所謂低損耗混合，是指混合損耗小于101og(N), N為需要混合的不同信號數(shù)目。不同信號通常指頻率不同、帶寬不同和信號調(diào)制不同。相同信號 的混合是一種特例，它們可以無損耗混合。(2) 、利用波導(dǎo)、同軸線的正交簡并模，可以將兩個(gè)信號無損耗地輸入到 波導(dǎo)、同軸線中，但這兩個(gè)信號的極化不同向，因此，并非本文所講信號的無 損耗混合。實(shí)際上，這種器件(或網(wǎng)絡(luò))應(yīng)看作是四端口器件(或網(wǎng)絡(luò))，而不 是三端口器件(或網(wǎng)絡(luò))。(3) 、所謂寬帶混合，也即不是通過濾波特性對信號進(jìn)行混合。盡管濾波
器的頻帶有寬有窄，但因?yàn)榭倸w有比較明顯的頻率選擇性，因此不稱為寬帶混 合方案。濾波器突出缺點(diǎn)也就是頻率選擇性。當(dāng)信號頻率靠得比較近得時(shí)候、 或者當(dāng)頻率需要變動得時(shí)候、或者信號的帶寬可能發(fā)生變化的時(shí)候，濾波器的 頻率選擇性不易改變的缺點(diǎn)就非常突出了。使用濾波器進(jìn)行信號混合的技術(shù)方 案的優(yōu)缺點(diǎn)后面有介紹。(4)、混合后的輸出的信號能否在同軸線或平面帶狀線中以TEM模式或準(zhǔn) TEM模傳輸是信號混合是否成功的一個(gè)重要的特征。因?yàn)門EM模式下，傳輸線沒 有截止波長，因此傳輸線的尺寸小、重量輕。同時(shí)信號之間也沒有極化和模式 的差異，因此不同的信號是真正混合在一起，而且都處于同一個(gè)端口。 1.本發(fā)明基本背景本發(fā)明涉及到無線高頻信號的混合、傳輸、傳輸線、傳輸模式、傳輸模式的 極化、極化正交模式、簡并模式、正交簡并模、傳輸線之間信號的耦合與轉(zhuǎn)換、 波導(dǎo)、同軸線、微帶線等，這些，本專業(yè)中的人員都了解。由于涉及概念較多， 茲對一些技術(shù)背景進(jìn)行簡單介紹。高頻傳輸線有同軸線、波導(dǎo)和平面?zhèn)鬏斁€(如微帶傳輸線等)等形式。圖5 顯示了幾種傳輸線示意圖。圖5a和圖5b為同軸線和橢圓同軸線，圖5c和圖5d 為圓波導(dǎo)及橢圓波導(dǎo)，圖5和圖5d為方波導(dǎo)及矩形波導(dǎo)。圖5只給出了幾種常 見的傳輸線，其它傳輸線如脊波導(dǎo)、平面?zhèn)鬏斁€等沒有一一列出。最常用的是 同軸線、微帶線和矩形波導(dǎo)這三種傳輸線。眾所周知，討論傳輸線中的傳播模式一般只討論橫向電磁場模式。有三種常 見的模式橫向(或準(zhǔn)橫向)電磁場TEM模、橫向電場TE模和橫向磁場TM模。 在這些模式中截止波長最長的叫基模。同軸線與微帶線的基模是TEM模，如圖10a和圖10b。它們沒有截至波長，也沒有極化。通常需要合路的信號在輸入前和合路后都是以沒有極化和截至波長的同軸線或微帶線中傳輸?shù)?。矩形波?dǎo)中的基模是TE10模，如圖10c，它的電場矢量垂至于長邊，因此有 極化。但由于矩形波導(dǎo)長邊與窄邊長度相差很大(長邊是窄邊的兩倍)，不存在 極化簡并模式(簡并的概念下面將介紹)，以前人們也沒有太多考慮矩形波導(dǎo)的 TE10模的極化。同樣，以前人們也沒有仔細(xì)考慮橢圓波導(dǎo)中eHll模的極化。前 面所述這些都是人們以前頭腦中的一些固有概念，這些概念影響了人們對無耗 合路的研究。圖6為常見傳輸線中的極化傳輸模示意圖。圖6 a為同軸線的TE11 模，實(shí)線為橫線電場，虛線代表磁場，以電場為標(biāo)識，稱為垂直極化。由于同 軸線的圓對稱性，將圖6a的電磁場旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后，就得到一個(gè)新的電磁場傳 播模式，這個(gè)新模式與原來的模式表達(dá)式完全相同，傳播特性(如截至波長) 也相同，稱為是簡并模式。本發(fā)明重點(diǎn)考慮的是極化相差90度的正交簡并模式， 例如圖6a的垂直極化和極化相差90度的水平極化模式。垂直極化與水平極化 模式的橫向電磁場分布互相垂直(也就是相交電力線之間的夾角為90度，磁場 亦然)，也即是正交的。為什么要采用正交模？因?yàn)椴捎谜荒＃捎谀Ｊ降恼?交性，兩個(gè)信號輸入到同一個(gè)傳輸線時(shí)互不干擾，可以獨(dú)立調(diào)整，不會互相產(chǎn) 生影響，達(dá)到信號無損耗耦合輸入到同一個(gè)傳輸線的目的。但是考慮到對稱性 原則，例如兩個(gè)模式的電磁場要正交、傳輸線中兩個(gè)模式的截止波長要基本一 樣，以具有處于相同的工作頻段，因此實(shí)際通常都是采用正交極化簡并模。這 就是人們不把矩形波導(dǎo)的TE10模和橢圓波導(dǎo)eHll模看成是極化模式的原因?？捎糜诒景l(fā)明的有同軸線、圓波導(dǎo)和方波導(dǎo)中的極化模式有TEmn模式(稱 為橫電場模式)或TMrm模式(稱為橫磁場模式)。圓波導(dǎo)中一般采用TE11模式，
因?yàn)門E模式容易激勵(lì)和耦合，且在正交極化簡并模中，TE11模在極化模式中截 止波長最長。其余的模式為更高次模，而且采用高次模的體積比TE11模式大。 同軸線中TE11模為高次模，也可以用。方波導(dǎo)中采用TE10極化模式。通常采 用標(biāo)準(zhǔn)的圓波導(dǎo)與方波導(dǎo)，實(shí)際工程中圓波導(dǎo)可以有一定的橢圓度、方波導(dǎo)兩 邊也不完全相等，這些都是可以的。圖6b及圖6c分別為圓波導(dǎo)中TE11模及方波導(dǎo)中TE10模，實(shí)線為其中一個(gè) 模式的電場分布，虛線為另一個(gè)相正交模式的電場。兩個(gè)模式是正交簡并的。 可用于本發(fā)明的極化模式有TEmn模式或TMmn模式。圖6d分別顯示TE模和TM 模的電磁場分布情況。對TE模式，電場只有橫向分量Et，而磁場既有橫向分量 Ht，又有沿傳播方向的縱向分量Hz。對TM模式，磁場只有橫向分量Ht，而電 場既有橫向Et，又有沿傳播方向的縱向分量Ez。在有多種介質(zhì)部分填充情況下， 還有服模式，它可以看作是TE和TM模式的組合。有了極化模式，還需要適當(dāng)方式激勵(lì)出來。將信號輸入到傳輸線中也稱激勵(lì)。 將信號從傳輸線中輸出稱為耦合，由于互易性，有時(shí)把輸入與輸出都叫耦合或 者激勵(lì)。此外，由于激勵(lì)與耦合通常是在兩種傳輸線之間進(jìn)行，通常也稱為傳 輸線的轉(zhuǎn)換。圖7為幾種常見的激勵(lì)或耦合形式示意圖。圖7a為同軸線到圓波 導(dǎo)耦合或激勵(lì)。圖7b為同軸線到方波導(dǎo)的耦合或激勵(lì)。圖7c為同軸線到同軸 線的耦合或激勵(lì)。圖7d為圓波導(dǎo)與矩形波導(dǎo)之間的耦合或激勵(lì)。圖7e為方波 導(dǎo)與矩形波導(dǎo)之間的耦合或激勵(lì)。圖7f為同軸線與矩形波導(dǎo)之間的耦合或激勵(lì)。圖8列舉了一些其它的耦合或激勵(lì)組合，圖8a與圖8b為同軸線探針分別與 矩形波導(dǎo)和橢圓波導(dǎo)耦合或激勵(lì)。圖8c和圖8d分別為耦合環(huán)與矩形波導(dǎo)和方 波導(dǎo)之間的耦合或激勵(lì)。實(shí)際上，探針和耦合環(huán)(包括耦合孔)具有對偶關(guān)系， 采用探針還是耦合環(huán)或者其它形式，都不影響本發(fā)明的實(shí)施，主要是看那樣比 較方便。不同的傳輸線、不同的耦合方式、不同的耦合位置可形成多種組合， 限于篇幅，不一一舉例，這些都不影響本發(fā)明的有效性。經(jīng)過某種激勵(lì)或耦合到傳輸線上的信號有兩種傳播形式， 一種是在傳輸線中雙向傳輸，如示意圖9a。另一種是單向傳輸，如示意圖9b。圖9c是端面探針 激勵(lì)，信號由探針激勵(lì)到圓波導(dǎo)。圖9d是另一種端面激勵(lì)，信號由矩形波導(dǎo)激 勵(lì)到圓波導(dǎo)，為了更好的實(shí)現(xiàn)匹配，在圖9d中還增加四分之一波長的過渡段。 圖9e為波導(dǎo)到微帶線的轉(zhuǎn)換，圖9f為同軸線到微帶線的轉(zhuǎn)換。還有其它的激 勵(lì)和轉(zhuǎn)化形式，限于篇幅，不一一細(xì)述，這些都不影響本發(fā)明的實(shí)施，而且在 各種已經(jīng)公開的資料中找到。大部分激勵(lì)方案既可以用于矩形波導(dǎo)，也可以用 于方波導(dǎo)。既可以用于橢圓波導(dǎo)，也可以用于圓波導(dǎo)，既可以用于一般模式的 激勵(lì)(例如從矩形波導(dǎo)到同軸線的耦合轉(zhuǎn)換)，也可以用于正交極化模式的激勵(lì)。 極化信號一般采用單向傳輸。采用雙向傳輸實(shí)現(xiàn)功率合成的核心部分與單向傳 輸相同(都是要將正交傳輸模轉(zhuǎn)變?yōu)榉钦缓啿⒛?，但雙向傳輸體積較大，因 此一般采用單向傳輸功率合成形式。另外，如采用端面激勵(lì)也只能是單向傳輸 形式。單向傳輸與雙向傳輸功率合成的詳細(xì)介紹見下節(jié)。信號也可能只是激勵(lì)到某個(gè)空間而不傳播，見圖29，這是特殊情況，詳細(xì)內(nèi) 容見后面的實(shí)現(xiàn)例?？傊?，傳輸線包括各種波導(dǎo)、各種同軸線、、各種介質(zhì)傳輸線、各種平面帶 狀線等。耦合激勵(lì)方式包括探針、小環(huán)、波導(dǎo)口、小孔耦合等。耦合位置包括 側(cè)面、端面等，他們之間可以形成各種組合。可用的傳輸模式有橫向電場模TEmn、 橫向磁場模TMmn模式，或者TEmn+TEqp、 TMmn+TMqp及TE+TM模式(通常是在 部分介質(zhì)加載傳輸線中使用，也稱HEmn模或EHmn模)。除了標(biāo)準(zhǔn)的傳輸線外， 還可以設(shè)計(jì)各種非標(biāo)準(zhǔn)形式的傳輸線，這些都不影響本發(fā)明的實(shí)施和權(quán)利要求。 通常還是使用標(biāo)準(zhǔn)形式的傳輸線，以及這些傳輸線中的低階傳輸模式，如圓波 導(dǎo)中的TE11模、TE21模和TM11，方波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)中的TE10模和TM11模， 同軸線中的TE11模，橢圓波導(dǎo)中的eHll模等。傳輸線中還可以完全填充或部 分填充幾種不同的介質(zhì)，以達(dá)到一些特殊目的。例如，填充高介電常數(shù)的介質(zhì) 可以縮小轉(zhuǎn)換裝置的體積，在完全填充的介質(zhì)上直接鍍金屬層，可以代替波導(dǎo) 的金屬腔體等等。 2.本發(fā)明實(shí)施方案在高頻信號中，使用最多的傳輸線是微帶線、同軸線和矩形波導(dǎo)，分別見圖 10a、 10b和10c。仔細(xì)地分析，應(yīng)該說是應(yīng)用最多的是傳輸線的基模。微帶線中 的基模是準(zhǔn)TEM模，而同軸線中的基模是TEM模。其優(yōu)點(diǎn)之一是沒有截止頻 率，因此傳輸線的尺寸與頻率無關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)中的基模是TE10模，它是截 至波長最長的模式。以這些常用傳輸線為基礎(chǔ)元件組成的多端口網(wǎng)絡(luò)見圖lla和圖llb。電壓 ￥+ -分別表示信號的輸入或反射電壓，1+/1-這表示輸入與反射的電流。a/b分別 表示輸入或反射的電壓信號，Z表示阻抗。多信號的無損耗混合的模型可以描述 為網(wǎng)絡(luò)的第1到第N-1)個(gè)端口為輸入信號端口，由于要求無損耗混合，這些端 口的輸出信號都為零。網(wǎng)絡(luò)的第N個(gè)端口為混合輸出端口，由于要求無損耗混 合，該端口只有輸出信號而無輸入信號。從本發(fā)<formula>formula see original document page 17</formula> (3)
公式中，A (t)是信號的幅度，f是信號頻率，t為時(shí)間參數(shù)，4)o是相位。 基于這樣的定義，人們始終沒有找到將不同的信號進(jìn)行無耗混合的方法，理論 推導(dǎo)的結(jié)論是無法進(jìn)行不同信號的無耗混合。但也有例外，那就是利用公式(l) 的頻率特性來實(shí)現(xiàn)無耗混合，這就使用濾波器的信號混合方案。這種方案的特 點(diǎn)在前面已經(jīng)有詳細(xì)的描述，主要優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)無耗混合，缺點(diǎn)是與頻率直 接相關(guān)帶來使用靈活性問題。本發(fā)明首次提出將信號的幅度函數(shù)A (t)變成矢量，利用信號的矢量特征來 實(shí)現(xiàn)無耗混合。 一旦混合成功，則這種混合方案就與信號頻率無關(guān)，從而達(dá)到 不同頻率、不同帶寬或不同調(diào)制的信號無耗混合。如何利用極化來實(shí)現(xiàn)多信號的無耗混合？本發(fā)明的方法是首先利用正交矢 量將信號無損耗送入同一個(gè)空間中，其次利用極化轉(zhuǎn)換，將同一個(gè)空間中(如 傳輸線中、腔體中等)極化不同的信號，變成極化相同的信號(通常同時(shí)達(dá)到 信號的空間場分布模式也一樣)，達(dá)到將信號混合的目的。一種比較簡單的應(yīng)用事例是天線的接收，如圖12a為示意圖。同一個(gè)天線接 收幾個(gè)極化不同的信號，包括不同方向的線極化和不同方向的圓極化。衛(wèi)星接 收中經(jīng)常應(yīng)用的情況，就是一個(gè)天線同時(shí)接受到幾個(gè)衛(wèi)星的信號。由于不同衛(wèi) 星的位置與極化不同，在天線的喇叭饋源中就激勵(lì)起幾個(gè)不同極化的衛(wèi)星信號。 由于極化的方向不同，因此天線后面的耦合輸出裝置只能對某些極化信號形成 完全接受，而對于其它極化的信號不能形成完全接受，產(chǎn)生一個(gè)極化失配損失， 降低了信號的信躁比。應(yīng)用本發(fā)明，就可以將天線中不同極化的信號變成同極 化信號，消除了極化損失。圖12中的極化轉(zhuǎn)換裝置具體實(shí)現(xiàn)形式見后面的詳細(xì) 說明。
圖12a中，輸入信號原本是不同的極化。經(jīng)過極化轉(zhuǎn)換后，如圖12b，信號 的極化方向變成相同。由于信號又在同一個(gè)傳輸線中傳播，因此信號的傳播模 式也完全相同。在這種情況下，就可以認(rèn)為已經(jīng)完成了將信號混合起來的過程。 不過，很多情況下也還需要做一個(gè)處理，如圖12c所示，也就是將混合后的信 號耦合到同軸線中以TEM模傳輸，因?yàn)橥S線的TEM模沒有截至波長，是RF 頻段最方便傳輸?shù)拈L距離傳輸線?；蛘邔⒒旌虾蟮男盘栺詈系轿Ь€中(準(zhǔn)TEM 模式)，因?yàn)槲Ь€最容易與各種高頻器件進(jìn)行連接，完成對信號的各種處理。 因此，從一般性考慮， 一般還包含這樣一個(gè)過程，如圖12d，也就是在信號的極 化轉(zhuǎn)換成相同以及模式也變得相同后，還要將信號轉(zhuǎn)到傳輸線中，以正常的基 模傳輸。更一般的情況是在無線設(shè)備的發(fā)射通道中，涉及到大功率信號的混合。例如， 圖13a中G信號fl、 f2、 U信號f3以及UMB信號f4，經(jīng)過發(fā)射機(jī)TX后，送 到功率放大模塊PA進(jìn)行信號放大，然后送到混合模塊進(jìn)行信號的大功率混合。 此時(shí)，除了需要前面所敘的極化轉(zhuǎn)換模塊和耦合輸出模塊兩個(gè)部分之外，還需 要考慮如何把多個(gè)輸入信號互不影響地傳輸?shù)綐O化轉(zhuǎn)換模塊。因此還需要一個(gè) 實(shí)現(xiàn)信號的無損耗、無互相耦合地注入到某個(gè)空間的部分(或模塊)。因此，完 整的大信號混合見圖13b，包含三個(gè)部分輸入轉(zhuǎn)換、極化轉(zhuǎn)換和輸出轉(zhuǎn)換。輸 入轉(zhuǎn)換和極化轉(zhuǎn)換為本專利的相關(guān)聯(lián)的核心，輸出轉(zhuǎn)換為可選。將本發(fā)明大功率發(fā)射信號混合的三個(gè)部分詳細(xì)描述如下第一部分是將需要合并的信號送到同一個(gè)空間例如，利用模式的極化正交性，可以將需要合路的信號(例如fl和f2)互不 影響地耦合激勵(lì)到某一個(gè)空間中——通常這個(gè)空間是傳輸線——并在傳輸線中
以正交極化模式傳輸。由于激勵(lì)出來的傳輸模式互相正交，因此輸入信號之間 互不干擾，這樣便產(chǎn)生了兩個(gè)好處，第一是避免了輸入信號之間因互相耦合而 產(chǎn)生損耗，第二是可以獨(dú)立地調(diào)整，也就是調(diào)整一個(gè)輸入信號的激勵(lì)時(shí)，不會 對另一個(gè)模式產(chǎn)生影響。這樣就可以把輸入信號的激勵(lì)調(diào)整到最佳的匹配狀態(tài)， 從而減少因激勵(lì)失配帶來的信號損失?？傊?，是通過各種激勵(lì)、感應(yīng)(如天線接收)、耦合等措施(后面有具體事 例)，將需要混合的信號變成某個(gè)空間中的極化模式(通常是正交簡并模式)。 該空間可以是金屬腔體，介質(zhì)波導(dǎo)，金屬波導(dǎo)(圓波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)、脊波導(dǎo)等)、 同軸線或其它具有正交傳輸模式的微波(或RF)傳輸線。有幾點(diǎn)需要說明(1) 、信號的極化分為兩種， 一種是線極化，另一種是圓極化(或橢圓極 化)。對線極化來說，極化正交是指極化方向相差90度。對(橢)圓極化來說，極化正交是指一個(gè)是左旋極化， 一個(gè)是右旋極化。在下面圖18c的例子中，調(diào) 整短路面X1與X2的長度，就可以在圓波導(dǎo)中形成正交的線極化信號，或者出 現(xiàn)左旋和右旋極化信號。由于本發(fā)明能將兩個(gè)極化正交的信號轉(zhuǎn)換成極化相同 的信號，所以也就能將所有極化的信號轉(zhuǎn)換成極化相同的信號，從而達(dá)到無損 耗混合的目的。(2) 、前面已經(jīng)敘述，在一些接收等場合，多個(gè)極化信號已經(jīng)在同一個(gè)空 間，如圖12a，這種情況前面已經(jīng)介紹過，屬于特殊情況。第二部分是極化轉(zhuǎn)換通過極化轉(zhuǎn)換，使得極化不同的信號轉(zhuǎn)換成極化相同的信號。經(jīng)過這樣的轉(zhuǎn) 化后，信號的極化變得相同，而且由于信號在同一個(gè)空間，傳播模式也就相同，
因此可以認(rèn)為是混合在一起了。或者，由于信號的極化和模式都一樣，則可以 通過第三部分將信號無損耗地轉(zhuǎn)換到需要的傳輸線中?？梢酝ㄟ^很多方法實(shí)現(xiàn) 極化的轉(zhuǎn)換，采用的方式包括但不限于(1)、利用傳輸線的變換使得極化發(fā)生改變，例如用圓波導(dǎo)到矩形波導(dǎo)(或 者橢圓波導(dǎo))的轉(zhuǎn)換，使得fl與f2的極化由不同向甚至正交變成同向。需要強(qiáng) 調(diào)的是，本發(fā)明此處圓波導(dǎo)到矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換，與常規(guī)的到圓波導(dǎo)到矩形波導(dǎo) 的轉(zhuǎn)換(簡稱圓矩轉(zhuǎn)換)有不一樣的地方。本發(fā)明之前的圓矩轉(zhuǎn)換是傳輸線之 間的轉(zhuǎn)換，是單純地為了將信號從圓波導(dǎo)轉(zhuǎn)換到矩形波導(dǎo)，在這個(gè)過程中，極 化是不變的，圓波導(dǎo)的TE11模的極化方向與矩形波導(dǎo)的電場方向是對齊的。而且，也沒有考慮到多個(gè)信號的傳輸情況。見下圖14為傳統(tǒng)的圓波導(dǎo)到矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換而在本發(fā)明中，由于存在多個(gè)極化不同的信號，圓矩轉(zhuǎn)換既要完成兩種波導(dǎo) 的過渡轉(zhuǎn)換，又要讓圓波導(dǎo)中不同極化的信號發(fā)生極化偏轉(zhuǎn)，逐步偏轉(zhuǎn)到與 矩形波導(dǎo)電場一致的方向上來。 茲舉一具體例說明利用傳輸線進(jìn)行極化轉(zhuǎn)換。本例所用的轉(zhuǎn)換傳輸線初始端為圓波導(dǎo)，轉(zhuǎn)換傳輸線的結(jié)束端橢圓波導(dǎo)(或矩形波導(dǎo))，見圖15。其它形式 的傳輸線道理與此類似，且后面有常見形式傳輸線極化轉(zhuǎn)換事例。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)， 將圓波導(dǎo)在需要產(chǎn)生極化旋轉(zhuǎn)的位置產(chǎn)生一些輕微的變形時(shí)，會引起電磁場結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。其場結(jié)構(gòu)可由模式組合求得，例如，對TE模，其場為TE^EAnm XTEmn。嚴(yán)格的求解不在本發(fā)明敘述，當(dāng)變形非常小，而且我們只關(guān)心極化時(shí)， 有一個(gè)簡單的分析方法。我們知道，圓波導(dǎo)極易出現(xiàn)極化變化。當(dāng)圓波導(dǎo)出現(xiàn) 小的形變時(shí)，其場模式并不會發(fā)生大的變化，而只是極化發(fā)生旋轉(zhuǎn)。極化變化的方向有一個(gè)簡單的判定方法，那就是電場極化的方向要垂直于波導(dǎo)表面。通 過這種分析可以看到，只要我們將圓波導(dǎo)在需要極化旋轉(zhuǎn)的方向壓扁一些，信 號的極化就會向壓扁的方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)小的角度。為了減少這個(gè)過程出現(xiàn)較多損 耗，壓扁的過程可緩慢進(jìn)行，也就是波導(dǎo)變化的長度L足夠長，以保證損耗足 夠小。這樣，通過不斷的變形，并且保證每一步變形都足夠小，這樣最終完成 了極化轉(zhuǎn)換，傳輸線也由圓波導(dǎo)變成橢圓波導(dǎo)，而且損耗足夠小。損耗的大小 取決于整個(gè)過程的緩慢程度，過程越緩慢，損耗越小，但轉(zhuǎn)換裝置越長，體積 越大。從圖15中可以看出，圓波導(dǎo)到橢圓波導(dǎo)(或矩形波導(dǎo))變換過程中，極化是不斷改變的，這與圖14的傳統(tǒng)形式有明顯不同。圖15中還給出兩個(gè)極化正交的信號的極化轉(zhuǎn)換過程示意圖，通過對波導(dǎo)實(shí)行平緩而連續(xù)的變換，最終使得兩個(gè)正交極化信號變成同極化、同一個(gè)模式、 在同一個(gè)傳輸線中傳輸?shù)男盘枴＿@樣就完成了信號的混合。(2) 、利用膜片或銷釘?shù)仁沟脴O化發(fā)生改變，例如消除與膜片或銷釘桿平 行的極化分量，只剩下與膜片或銷釘垂直的極化分量，使得fl與f2的極化由正 交變成同向。同樣是用膜片與銷釘，但此處與原來不一樣。原來主要是進(jìn)行移 相，把原來的一個(gè)線極化波變成圓極化。而此處是為了將信號的極化調(diào)整為一 致。(3) 、利用極化移相器等使得極化發(fā)生改變，例如，利用極化移相器將f2 信號進(jìn)行移相，使得f2信號變?yōu)閳A極化，然后又利用極化移相器將f2圓極化信 號變?yōu)榫€極化，并且線極化的方向與fl此時(shí)的極化方向相同。最終使得fl與f2 的極化由正交變成極化同向。(4) 、將不同極化的信號變?yōu)橥粋€(gè)極化，不一定要求是總是轉(zhuǎn)換為線極 化波，也可以是圓極化波，只要這些圓極化波的旋轉(zhuǎn)方向相同即可。例如，利 用極化器將不同線極化或圓極化的fl、 f2信號變?yōu)橥粋€(gè)方向的圓極化波，然后利用圓極化接受天線或圓極化耦合裝置將信號fl、 f2分別耦合到同軸線、微 帶線等傳輸線中，以無極化的模式(如TEM模式)傳播。 (5)、采用以上方案的組合。特殊情況下可以不需要極化完全同向，例如應(yīng)用特殊的探針可以將極化方向 不同(甚至正交)的信號耦合出來。這種特殊情況后面實(shí)現(xiàn)例6和實(shí)現(xiàn)例7中 有詳細(xì)介紹。第三部分是輸出轉(zhuǎn)換第三部分為可選項(xiàng)。經(jīng)過第二部分的極化轉(zhuǎn)換，需要混合的信號極化已經(jīng)被 轉(zhuǎn)化為相同了。且因?yàn)樾盘栍侄继幱谕粋€(gè)空間(如傳輸線)，故當(dāng)極化相同時(shí)， 信號的傳輸模式也相同。此時(shí)，信號就已經(jīng)可以認(rèn)為是被混合了。例如第二部 分最后的輸出形式是矩形波導(dǎo)，而后面恰好也是需要矩形波導(dǎo)傳輸，則就不需 要第三部分的轉(zhuǎn)換。或者，第二部分的輸出恰好是同軸線，而后面也需要同軸 線傳輸，這樣也不用額外增加耦合輸出。但有時(shí)需要將混合后的信號從一種傳輸線轉(zhuǎn)換到另一種傳輸線，這時(shí)需要第 三部分，使得整個(gè)方案更加清楚化。例如從波導(dǎo)轉(zhuǎn)換到經(jīng)常使用的同軸線或微 帶線。或者從同軸線的TE11模轉(zhuǎn)成沒有截至波長的同軸線TEM模；從圓波導(dǎo) 的TE11模轉(zhuǎn)成圓波導(dǎo)TM01模；從圓波導(dǎo)的TE11模轉(zhuǎn)成矩形波導(dǎo)的TE10模。 比較常見的見圖8a、圖8b、圖8c和圖9b等。在實(shí)際使用中，這三個(gè)部分可以有明顯的物理界限，但也可能沒有很明顯的 界限，這些都不影響本發(fā)明的使用。在后面有這種情況的具體的實(shí)現(xiàn)例。 將三部分組合起來的基本實(shí)現(xiàn)形式見圖16和圖17。圖16是單向傳輸?shù)暮铣尚问?，信號向一個(gè)方向傳輸，經(jīng)過極化轉(zhuǎn)換，同極 化耦合輸出，最終混合再一起。如果信號fl和f2為同一個(gè)信號，則第三部分的 同極化輸出時(shí)，還要調(diào)整信號fl與f2的相位與幅度，讓信號同幅同相，使得合 路輸出的信號功率最大。圖17是雙向合路，輸入信號向兩個(gè)方向傳輸。分別經(jīng)過極化轉(zhuǎn)換，同極化 耦合輸出，最終在混合器進(jìn)行功率合成。如果信號fl和f2為同一個(gè)信號，則還 要調(diào)整信號fl與f2的相位與幅度，讓合路器中的信號同幅同相相加，使得合路 輸出的信號功率最大。通常采用電橋或Wilkinson功分器作為合路器。由于雙向 傳輸與單向傳輸形式技術(shù)核心點(diǎn)完全相同，因此在實(shí)現(xiàn)例上只討論單向形式。多路信號的輸出可以用基本合路單元的組合來實(shí)現(xiàn)，基本合路單元的輸入信 號通常為兩個(gè)信號輸入或者三個(gè)信號輸入，輸出為一個(gè)。也就是基本合路單元 通常為二路信號合一或者三路信號合一。圖16和圖17是兩個(gè)信號的合路輸出，也就是為基本合路單元。應(yīng)用該基本 單元形式進(jìn)行組合，可獲得多路信號的合路輸出。如圖18所示為4個(gè)輸入信號 的合路。由于信號fl f4是互相無關(guān)的，因此圖18可以用作1 4路信號的任意 合路。3.1本發(fā)明具體實(shí)施例1本實(shí)施例的第一部分，也就是信號輸入部分(正交簡并模激勵(lì))，是利用圓 波導(dǎo)的TE11模(其它TEmn或TMmn模式原理一樣)或方波導(dǎo)的TE10模(其 它模式原理一樣)來實(shí)現(xiàn)輸入信號的激勵(lì)。信號的激勵(lì)有很多種形式，最常見 的為探針激勵(lì)形式，如圖19。由于兩者激勵(lì)模式是完全正交的，因此互相不受
影響，可以獨(dú)立地激勵(lì)起TE11正交模式。由于耦合探針可以很好地與同軸電纜相連，因此這種形式很容易將使用同軸線傳輸?shù)男盘柤?lì)到波導(dǎo)中。理論上，這種激勵(lì)是無損耗的。通過上述的這種方案，實(shí)現(xiàn)將輸入信號fl和f2無損耗地 輸入到兩種圓波導(dǎo)或方波導(dǎo)中。圖19a 圖19d分別顯示圓波導(dǎo)、方波導(dǎo)與探針 激勵(lì)情況。其它不規(guī)則傳輸線也可以采用，如圖19e的不規(guī)則波導(dǎo)，只要該傳 輸線能夠激勵(lì)正交模就可以。不過，考慮到輸入信號的頻率范圍不能太寬(以 免超出傳輸線、耦合器的工作帶寬)，且極化轉(zhuǎn)換后信號之間的模式也要相同(便 于輸出轉(zhuǎn)換)，因此圖19e的傳輸線一般要具有相近的傳播模式，也就是基本上 要是簡并的。因此，圖19e的傳輸線對信號輸入點(diǎn)呈現(xiàn)一定的結(jié)構(gòu)對稱性。當(dāng) 然，工程上的一定偏差也是允許的。圖20a為圓波導(dǎo)與矩形波導(dǎo)，圖20b為方波導(dǎo)與矩形波導(dǎo)，圖20C中調(diào)整矩 形波導(dǎo)短路面X1和X2的長度，如X^n入g/2+入g/8， X2=Xl±Xg/4，則可以 使得從同一平面另外兩個(gè)矩形波導(dǎo)口輸入的兩個(gè)TEIO信號傳輸?shù)脚c矩形波導(dǎo) 垂直的圓波導(dǎo)中， 一般情況是左旋和右旋橢圓極化，特殊是左旋和右旋圓極化 或正交的線極化。在矩形波導(dǎo)底部增加銷釘可獲得較好匹配。圖20d為矩形波 導(dǎo)與圓波導(dǎo)的組合，利用膜片或銷釘可阻止信號f2向fl的輸入端傳播。有多種 傳輸線正交激勵(lì)輸入形式，以上舉了一些事例，限于篇幅，不一一說明。本實(shí)施例的第二部分，也就是傳輸線中模式合并，是采用圓波導(dǎo)到到橢圓波 導(dǎo)或矩形波導(dǎo)(或脊波導(dǎo)等其它波導(dǎo))的轉(zhuǎn)換來完成。轉(zhuǎn)換變換可以是緩慢變 換形式，也可以是突變形式。但一般采用緩慢變換形式，以達(dá)到平滑的模式轉(zhuǎn) 換，最大限度減少反射損耗。如圖21所示。分別顯示圓波導(dǎo)到橢圓波導(dǎo)、圓波 導(dǎo)到矩形波導(dǎo)的極化轉(zhuǎn)換。類似可構(gòu)造方波導(dǎo)到橢圓波導(dǎo)以及方波導(dǎo)到矩形波
導(dǎo)的極化轉(zhuǎn)換。本實(shí)施例的第三部分是信號輸出。經(jīng)過第二部分后，傳輸線內(nèi)的所有信號都 具有相同的極化方向。這樣可以通過同一個(gè)輸出耦合裝置，將傳輸線中的所有 信號都耦合出來。這樣便完成了多路信號合成到一路輸出信號的無損耗合路。 當(dāng)要求相同的信號進(jìn)行合成時(shí)，還要考慮信號在耦合輸出時(shí)是完全等幅同相的。 輸出耦合裝置可以是探針，耦合環(huán)，小孔耦合或波導(dǎo)耦合(如果在端面用波導(dǎo) 耦合，則自然已經(jīng)完成)等。圖22為探針耦合示意圖，調(diào)整探針的長度及于波導(dǎo)短路面的距離(大約為1/4波長)，達(dá)到良好的匹配后，就可以把信號fl和f2 用同一個(gè)探針耦合出來，傳到同軸線或微帶線中。三部分組合起來的剖視示意圖如圖22。為敘述簡潔起見，只介紹單向傳輸形 式。圖22a為側(cè)面耦合形式，'圖22b為端面耦合形式。端面與側(cè)面、耦合探針 和耦合環(huán)等不同的組合形式，其原理都相同，因此不一一列出。信號流程如下-兩路信號fl與f2由300 (探針等)輸入，互相獨(dú)立地耦合到波導(dǎo)中。然后經(jīng)過 第二部分的模式轉(zhuǎn)換302，使得原來正交的信號極化發(fā)生旋轉(zhuǎn)，由極化正交變?yōu)?極化同向。本圖中第二部分的結(jié)尾采用的是矩形波導(dǎo)，實(shí)際也可以采用橢圓波 導(dǎo)(如圖22中虛線所示)、脊波導(dǎo)等其它形式的波導(dǎo)。輸出的信號一般在兩個(gè)輸 入信號中間的位置，但也可以在其它位置，這個(gè)很容易通過模式轉(zhuǎn)換段的變形 和偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)?；蛘咄ㄟ^輸出耦合段的扭曲來實(shí)現(xiàn)。所有這些細(xì)微都不影響本發(fā) 明的實(shí)施。第三部分是耦合單元304，將兩個(gè)極化相同模式相同的信號耦合出來, 一起輸出到外部的同一個(gè)傳輸線中(同軸線)。圖中耦合單元采用的是探針形式， 但如前面所述，還可以是其它形式。耦合的位置既可以如圖中所示在波導(dǎo)的側(cè) 面，也可以在波導(dǎo)的端面。三部分中可以進(jìn)行不完全介質(zhì)填充，且每部分的填
充比例和介質(zhì)種類不一樣。也可以是完全填充。介質(zhì)填充可減小合路器的體積 尺寸，完全填充情況下還可作為金屬電鍍的附著物，替代波導(dǎo)腔體。圖23顯示三部分沒有明顯界限的情況。圖23a為波導(dǎo)示意圖，圖23b為同 軸線示意圖。整個(gè)合路器呈連續(xù)變換形式完成三個(gè)部分功能，無法區(qū)分三個(gè)部 分的物理邊界。正交模激勵(lì)400、模式極化轉(zhuǎn)換402以及輸出轉(zhuǎn)換404之間都沒 有很明顯的物理界限。這種形式可以縮短合路器的體積。另外，可以采用脊波 導(dǎo)或用介質(zhì)包裹探針等方法展寬工作頻率范圍，這些都屬于一些已知的技術(shù)技 巧，不在此一一詳細(xì)描述。
3.2本發(fā)明具體實(shí)施例2
本發(fā)明實(shí)施例2見圖24，其第一部分和實(shí)施例l相同，第三部分也和實(shí)施例 1相同。不同的是第二部分，也就是通過金屬膜片與銷釘來實(shí)現(xiàn)極化方向的轉(zhuǎn)換。 圖24a與圖24b分別為圓波導(dǎo)與圓波導(dǎo)或矩形波導(dǎo)。如圖所示，502為己經(jīng)輸入 的極化信號，在波導(dǎo)內(nèi)放置膜片與銷釘504，由于膜片與銷釘?shù)淖饔?，使得與金 屬膜片或銷釘平行的電場極化矢量逐步減弱，而只剩下與金屬膜片與銷釘垂直 的電場極化矢量。通過這樣的原理，使得原來極化正交的信號，成為極化相同 的信號506。本實(shí)施例中選擇的是圓波導(dǎo)與矩形波導(dǎo)，其它波導(dǎo)(如圓波導(dǎo)與橢 圓波導(dǎo)組合、方波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)組合、方波導(dǎo)與橢圓波導(dǎo)組合等)原理類似。 本圖中膜片在波導(dǎo)中間如圖24c與圖24b所示，也可以分開在波導(dǎo)上下兩壁， 如圖24e所示。
3.3本發(fā)明具體實(shí)施例3
本發(fā)明實(shí)施例3的第一部分和第三部分與其它實(shí)施例相似，第二部分是突變 式極化轉(zhuǎn)換，見圖25。極化信號602以TE11模傳輸在圓波導(dǎo)傳輸，604為圓波 導(dǎo)到矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換，為了產(chǎn)生較好匹配，可在波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎處增加匹配塊。極化轉(zhuǎn)換后的信號以矩形波導(dǎo)TE10模傳輸。 3.4本發(fā)明具體實(shí)施例4本實(shí)施例是采用同軸線到微帶線(也可以是同軸線到同軸線)的轉(zhuǎn)換。第一 步700是將信號fl和f2，以正交模式輸入到同軸線中。這部分與其它實(shí)施例相 類似，可以在同軸線的側(cè)面或端面以極化正交模式將信號輸入，截面圖見圖26a， 701是同軸線的外導(dǎo)體。第二步702是將同軸線外導(dǎo)體701逐步開裂，在這個(gè)過 程中，原來的信號逐步由極化正交變成極化一致，最終完成了極化轉(zhuǎn)化，截面 圖見圖26b, 703是同軸線的內(nèi)導(dǎo)體。第三步704是進(jìn)行輸出轉(zhuǎn)換，最后以微帶 線輸出，截面圖見圖26c， 705是微帶線。其實(shí)，第三部分也可以很方便地轉(zhuǎn)到 同軸線，此時(shí)圖26c中的虛線706為同軸線的外導(dǎo)體，705則為同軸線的內(nèi)導(dǎo)體。 3.5本發(fā)明具體實(shí)施例5本發(fā)明實(shí)施例5見圖27，其第一部分和其它實(shí)施例相似，第三部分也和其它 實(shí)施例相似。主要不同的是第二部分，也就是通過各向異性的極化片，如鐵氧 體膜片來實(shí)現(xiàn)極化方向的轉(zhuǎn)換。多個(gè)極化波802在圓波導(dǎo)(或方波導(dǎo)等)中傳 輸，804是各項(xiàng)異性的材料(如鐵氧體)制成的極化片，該極化片在勵(lì)磁線包 806的作用下，將不同線極化的傳輸信號變成同一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的信號808。然后 再經(jīng)過另一個(gè)極化片812與勵(lì)磁線包810組成的極化器，將圓極化信號轉(zhuǎn)換為 線極化814。本實(shí)施例中選擇的是圓波導(dǎo)，其它波導(dǎo)原理類似。 3.6本發(fā)明具體實(shí)施例6本發(fā)明實(shí)施例見圖28，是一種特殊情況。其第一部分和其它實(shí)施例相似，第 二部分和第三部分合二為一。如圖28，正交極化信號902傳入波導(dǎo)904中，經(jīng)
過特殊的探針906，可以將極化信號統(tǒng)一地耦合出來，送入同軸線中。圖中所示 的是一種菱形探針906，還有一些其它形式的探針，如圓球形探針、半圓形探針、 三角形探針和Bowtie探針(一種像樹枝狀的探針)，它們也可以達(dá)到相同的效果。 圖28a和圖28b分別顯示了圓波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)情況，其它波導(dǎo)不一一描述。另 外，除了采用探針，從對偶性原理可知，也可以采用對極化方向不敏感的耦合 環(huán)。3.7本發(fā)明具體實(shí)施例7本實(shí)施例是一個(gè)特殊例，描述了將三個(gè)信號混合為一路。如圖29a和圖29b 分別為立方體和球體的情形，三個(gè)輸入信號分別以空間正交的方向輸入，輸出 則選擇與三個(gè)輸入有相同45度夾角的方向。輸出可采用探針或耦合環(huán)實(shí)現(xiàn)，設(shè) 計(jì)上可借鑒實(shí)施例6。
權(quán)利要求
1、高頻信號的寬帶無損耗混合方法，其特征在于所述的高頻信號的寬帶無損耗混合方法包含高頻信號的無損耗輸入轉(zhuǎn)換及高頻信號的無損耗極化轉(zhuǎn)換兩步驟(1)、第一步驟是將需要合并的信號無損耗地送到同一個(gè)空間；通過各種激勵(lì)、感應(yīng)或耦合措施，將需要混合的信號變成某個(gè)空間中的極化模式，通常是正交模式。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻信號的寬帶無損耗混合方法，其特征在于 所述的高頻信號極化的轉(zhuǎn)換，采用的方式為利用傳輸線的變換使得極化發(fā)生改變，在轉(zhuǎn)換傳輸線的初始端是具有正交 模式的傳輸線如圓波導(dǎo)、方波導(dǎo)、對稱的脊波導(dǎo)、同軸線，在轉(zhuǎn)換傳輸線的結(jié) 束端是只允許單一極化模式的傳播的傳輸線如矩形波導(dǎo)、橢圓波導(dǎo)、微帶線、 同軸線，在轉(zhuǎn)換初始端和轉(zhuǎn)換巻結(jié)束端之間是兩種傳輸線的過渡部分；最終使 得在同一傳輸線中因極化不同而形成的多個(gè)端口，變成極化相同的單端口，從 而完成信號的混合。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻信號的寬帶無損耗混合方法，其特征在于 所述的高頻信號極化的轉(zhuǎn)換，采用的方式為利用膜片或銷釘?shù)仁沟脴O化發(fā)生改變，即消除與膜片或銷釘桿平行的極化 分量，只剩下與膜片或銷釘垂直的極化分量，使得不同極化的信號變成極化同向。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻信號的寬帶無損耗混合方法，其特征在于 所述的高頻信號極化的轉(zhuǎn)換，采用的方式為利用極化移相器使得極化發(fā)生改變，使得多個(gè)信號的極化由不同變成極化 同向。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻信號的寬帶無損耗混合方法，其特征在于 所述的高頻信號極化的轉(zhuǎn)換，采用的方式為利用耦合探針使得極化發(fā)生改變，通過將耦合探針天線加粗，降低耦合探 針對極化方向的敏感性，使得不同極化方向的信號都能在天線中得到完整的信 號耦合，從而將不同極化的信號，無損耗或低損耗地耦合同一個(gè)耦合探針中， 從而實(shí)現(xiàn)不同極化信號的無損耗或低損耗混合。
全文摘要
本發(fā)明涉及將多個(gè)高頻信號的寬帶混合技術(shù)，具體說是一種高頻信號的寬帶無損耗混合方法。最常用的信號混合是采用功分器做寬帶合路；常用的功分器是電橋(hybrid)或Wilkinson功分器，俗稱3dB電橋或3dB功分器；所謂3dB是指信號功率會損失一半。本發(fā)明高頻信號的無損耗混合方法分為兩步驟(1)、通過各種激勵(lì)、感應(yīng)或耦合措施，將需要混合的信號變成某個(gè)空間中的極化模式，通常是正交模式；(2)、通過高頻信號的無損耗極化轉(zhuǎn)換，使得極化不同的信號轉(zhuǎn)換成極化相同的信號，信號也就無損耗的混合在一起了。因而本發(fā)明是既有3dB電橋混合器與頻率無關(guān)的寬帶特性，又有濾波器混合器低損耗的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H04B7/005GK101399391SQ20071001878
公開日2009年4月1日 申請日期2007年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月30日
發(fā)明者孫炳元 申請人:孫炳元