CN108011160B - 一种k波段小型化正交模转换器 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星通信技术领域，公开了一种K波段小型化正交模转换器，包括：输入接口、第一输出接口和第二输出接口。输入接口采用渐变式公共波导，输出接口通过矩形波导直接耦合于公共波导两侧来进行实现，实现了每个端口的良好的匹配以及输入信号理想的分离效果。本发明结构简单、易于生产，在21‑24GHz频带内端口驻波比均小于1.2，两个正交端口隔离参数小于‑45dB。其有别于其他模式转换器的特点在于具有很好的模式分离传输性能且其结构简单、尺寸较小，便于加工及工程应用。

Description

一种K波段小型化正交模转换器

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种K波段小型化正交模转换器。

背景技术

正交模转换器，也称双模变换器。正交模转换器一般是用于在无线电电子设备***前端的天线馈电网络中，实现两个正交极化信号的独立工作，并且可以鉴别公共端口上两个独立信号的模式，并将它们分别传输给两个独立端口并实现两个端口的单一模式输出。正交模转换器能使所有端口匹配，其作为双极化天线中的重要部件，在解决频率复用方面发挥着重要作用。现有的正交模耦合器为了保证每个输出端口良好的模式传输性能及器件的结构简单，两输出端口通常为相互垂直的两个标准矩形波导端口，并且通过调整输出端口标准矩形波导的尺寸来控制其传输模式，在实际工程应用中，这两个相互垂直的输出端口最终仍需要连接到双工器的两平行矩形波导端口上，这中间需要加入过渡波导和弯波导才能实现，这大大增加了设计的复杂度，过多的过渡波导和弯波导带来更大的损耗，影响***性能指标，更不利于***集成。为了设计出满足工程指标要求的正交模转换器，通常会使得器件的物理尺寸较大，不利于实际应用及工程实现。若解决OMT在此技术上存在的问题，则会使得OMT的应用范围更广，从而真正实现频率复用，提高信道的使用效率。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的正交模转换器两个相互垂直的输出端口最终仍需要连接到双工器的两平行矩形波导端口上，中间需要加入许多过渡波导及弯波导才能实现，大大增加了设计的复杂度；过多的过渡波导带来更大的损耗，影响***性能指标，更不利于***集成。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种K波段小型化正交模转换器、无线电电子设备。

本发明是这样实现的，一种K波段小型化正交模转换器，所述K波段小型化正交模转换器设置有：

采用渐变式公共波导的输入接口；

采用公共波导耦合侧矩形波导的两个输出接口。

进一步，所述输入接口为φ4.5mm非标圆波导。

进一步，第一、二输出接口均为10.67mm×4.32mm非标矩形波导，严格的电对称性抑制了两个输出接口中高次模的传输。

进一步，所述输入接口为圆形波导，并在波导壁分支处的对边进行矩形切割，切割深度不同形成渐变式公共波导，保证了输入端良好的匹配和回波损耗特性。

进一步，所述输出接口通过公共波导壁上直接耦合矩形波导，在公共波导中段耦合矩形波导，极大的简化了OMT结构，使得所述OMT便于设计和工程应用。

进一步，通过几个不同尺寸矩形波导过渡到第一输出接口，保证了输出端口良好的匹配效果输出水平极化信号；在公共波导底部耦合矩形波导，方向与第一输出端口分支的方向相反；通过几个不同尺寸过渡到第二输出接口，输出垂直极化信号。

进一步，在公共波导与侧边矩形波导耦合处含有耦合凹槽，保证了输出端口的良好的匹配和回波损耗特性。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述K波段小型化正交模转换器的无线电电子设备。

本发明输入接口输入一组正交的极化信号，由圆形公共波导传播，在圆形公共波导中的场分布可表示为：

H_z＝AsinφJ₁(k_cρ)e^-jβz

E_z＝0

在圆形公共波导中部的侧分支波导通过耦合位置尺寸的设计，使得水平极化的波进入分支波导传播，并通过几个矩形波导进行多次反射，最终在端口处输出水平极化波；垂直极化波传播到圆形波导底部之后改变传播方向，从与第一输出接口相反的方向传输出来，同样通过几个矩形波导的多次反射，最终在端口处输出垂直极化波。其中，输出端口均用尺寸不一的矩形波导进行连接，输出极化信号，能够保证该正交模转换器两个输出接口具有良好的匹配效果。

本发明在公共波导耦合的分支波导处设计耦合槽，弥补了该正交模转换器设计中为了简化结构、缩小尺寸而省去的阻抗变换器的功能，耦合凹槽主要用于阻抗变换，实现每个端口理想的回波损耗特性。

本发明实现了每个输出端口良好的回波损耗特性；采用耦合凹槽设计进行阻抗变换，使得每个端口拥有理想的匹配效果；通过对两个输出接口完全电对称的设计，抑制了高次模的传输；并且对于单个圆波导正交模转换器设计了正交方式输出的矩形波导口，实现了信号良好的极化分离效果；设计的两个分支端口均通过公共波导侧边直接耦合的方式实现，简化了正交模转换器的结构，缩小了尺寸，并且使得该转换器模式分离传输性能更优。

与其他OMT的工作特性相比，现有的OMT大多数含有大量的过渡波导来满足每个端口的输出特性和匹配效果，而本文所述OMT只含有两三个过渡波导，同样实现了输出端口良好的匹配效果，简化了器件结构；在连接部件上，现有的OMT大多设计专门的阻抗变换器来实现输出端口的特性，一般结构都相对复杂，不利于实际加工，而本文所述OMT用耦合凹槽实现阻抗变换器的作用，使得所述OMT结构简单，易于加工；由于普遍OMT结构都较为复杂，因此物理尺寸一般不会特别小，应用范围受限，本文所述OMT尺寸较小，易于加工，便于工程应用。综上所述，本文所述OMT突出优点在于结构简单，尺寸较小，同样实现了良好的传输反射隔离特性，便于加工及应用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的K波段小型化正交模转换器结构示意图；

图2是本发明实施例提供的K波段小型化正交模转换器仰视结构示意图；

图3是本发明实施例提供的K波段小型化正交模转换器S(1:1,1:1)参数仿真结果图；

图4是本发明实施例提供的K波段小型化正交模转换器S(1:2,1:2)参数仿真结果图；

图5是本发明实施例提供的K波段小型化正交模转换器S(2:1,2:1)参数仿真结果图；

图6是本发明实施例提供的K波段小型化正交模转换器S(3:1,3:1)参数仿真结果图；

图7是本发明实施例提供的K波段小型化正交模转换器S(1:2,2:1)参数仿真结果图；

图8是本发明实施例提供的K波段小型化正交模转换器S(1:1,3:1)参数仿真结果图；

图9是本发明实施例提供的K波段小型化正交模转换器S(1:1,1:2)参数仿真结果图；

图10是本发明实施例提供的K波段小型化正交模转换器S(2:1,3:1)参数仿真结果图；

图中：1、输入接口；2、第一输出接口；3、第二输出接口；4、耦合凹槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

正交模转换器能使所有端口匹配，其作为双极化天线中的重要部件，在解决频率复用方面发挥着重要作用。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的K波段小型化正交模转换器包括：输入接口1、第一输出接口2、第二输出接口3。

输入接口1采用渐变式公共波导，输出接口通过公共波导耦合侧矩形波导实现，波导与耦合槽则是保证整个正交模耦合器的工作性能更加优良。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图1所示为本发明实施例中工作于K波段的小型化正交模转换器的结构示意图，该正交模转换器包括：输入接口1、第一输出接口2和第二输出接口3。

输入接口1通过圆形波导进行实现，在其波导壁分支处的对边进行矩形切割，切割深度不同形成渐变式公共波导，与两侧的输出端进行连接，输入工作频段内的信号。

第一输出接口2和第二输出接口3的分支均通过公共波导壁上直接耦合矩形波导来实现，其中，第一输出接口3分支耦合于圆形公共波导中段处，通过几个不同尺寸矩形波导过渡到第一输出接口2，输出水平极化的信号；第二输出接口3分支耦合于圆形公共波导底部，在公共波导的直径处相耦合，方向与第一输出端口2分支的方向相反，同样通过几个不同尺寸过渡到第二输出接口3，最终输出垂直极化的信号；第一输出接口2和第二输出接口3分支的矩形波导侧面位于同一平面上，且两个输出接口尺寸相同且均为非标矩形波导，形成电对称特性，抑制不需要模式的传播。

输入接口1为φ4.5mm的非标圆形波导输入口，是正交模转换器正交极化信号输入口；第一输出接口2是正交模转换器水平极化信号输出口；第二输出接口3是正交模转换器垂直极化信号输出口。第一输出接口2、第二输出接口3分别直接耦合于圆形公共波导的两侧，使得正交的极化信号能够分别在正交模转换器中波导位置正交输出，实现正交模转换器极化分离功能。

在公共波导与输出端口直接耦合处，由几个耦合凹槽4连接，代替一般正交模转换器中的阻抗变换器，发挥阻抗变换的功能，与几个过渡的矩形波导一起，使得输入输出端口具有良好的匹配和理想的回波损耗特性。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

如图3、图4所示为本发明实例中S(1:1,1:1)和S(1:2,1:2)参数的仿真结果图，其中S(1:1,1:1)表示用垂直极化模式接收到的反射系数，S(1:2,1:2)表示水平极化信号输入时，输入接口1的反射系数。从图中可以看出，在21-24GHz频率范围内，两条曲线均在-22dB以下，可见该正交模转换器具有良好的回波损耗特性。

如图5、图6所示为本发明实例中S(2:1,2:1)和S(3:1,3:1)参数的仿真结果图，其分别表示第一输出接口2和第二输出接口3的反射系数，从图中可以看出，在21-24GHz频带范围内，两条曲线均在-22dB以下，同样符合高性能正交模转换器的回波损耗指标要求；

如图7、图8所示为本发明实例中S(1:1,3:1)和S(1:2,2:1)参数的仿真结果图，S(1:2,2:1)表示水平极化模式从第一输出接口2到输入接口1的反向传输系数，S(1:1,3:1)表示垂直极化模式从第二输出接口3到输入接口1反向传输系数，由图中参数曲线可以看出，在21-24GHz频带内，两条曲线均在-0.2dB附近，可见在工作频带内该正交模耦合器具有良好的***损耗特性。

如图9、图10为本发明实例中对于正交模转换器隔离度特性的仿真结果图，S(1:1,1:2)表示一种极化模式在其通道内的传输功率与泄漏到另一通道中的功率比，即表示两个模式的传输隔离特性，由图中看出，其在21-24GHz频带范围内小于-30dB，而S(2:1,3:1)则表示两个极化通道的隔离度，其在工作频带内小于-45dB，一般来说，-30dB的隔离基本能保证整体***性能。

本发明输出接口采用了不同尺寸矩形波导的过渡，在公共端口与分支端口的耦合处设计了耦合槽进行阻抗变换，使得该正交模转换器每个端口具有良好的匹配度和理想的回波损耗，实现了输入输出的阻抗匹配；对于单个圆波导正交模转换器设计了正交方式输出的矩形波导口，实现了信号的极化分离；不同于以往结构复杂的正交模转换器，采用分支波导直接耦合在公共波导侧边的方式来代替原有正交模转换器的阻抗变换器，使得该器件结构更加简单，易于生产加工，并且使得器件尺寸很小，适用范围更广，通过采用两个输出端口分支均直接耦合于圆波导的两侧，使得模式分离传输性能较优。

本发明输出端采用不同尺寸的矩形波导进行过渡，实现了每个输出端口良好的回波损耗特性；采用耦合槽设计进行阻抗变换，使得每个端口拥有理想的匹配效果；通过对两个输出接口完全电对称的设计，抑制了高次模的传输；并且对于单个圆波导正交模转换器设计了正交方式输出的矩形波导口，实现了信号的极化分离；设计两个分支端口均由公共波导侧边直接耦合的方式，简化了正交模转换器的结构、缩小了尺寸，并且使得该转换器模式分离传输性能更优。

本发明采用两个分支接口均直接耦合于公共波导两侧的设计能简化模型结构、缩小模型尺寸，并且可以更好的分离不同极化模式的两组信号，实现更优的模式分离传输特性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种K波段小型化正交模转换器，其特征在于，所述K波段小型化正交模转换器设置有：

采用渐变式公共波导的输入接口；

采用公共波导耦合侧矩形波导的两个输出接口；

所述输出接口通过公共波导壁上直接耦合矩形波导；

所述输入接口为φ4.5mm非标圆波导；

输入接口通过圆形波导进行实现，在其波导壁分支处的对边进行矩形切割，切割深度不同形成渐变式公共波导，与两侧的输出端进行连接；第一输出接口分支耦合于圆形公共波导中段处，第二输出接口分支耦合于圆形公共波导底部。

2.如权利要求1所述的K波段小型化正交模转换器，其特征在于，第一输出接口为10.67mm×4.32mm非标矩形波导。

3.如权利要求1所述的K波段小型化正交模转换器，其特征在于，第二输出接口为10.67mm×4.32mm非标矩形波导。

4.如权利要求1所述的K波段小型化正交模转换器，其特征在于，通过几个不同尺寸矩形波导过渡到第一输出接口，输出水平极化信号；第二输出端口分支的方向与第一输出端口分支的方向相反；公共波导段通过几个不同尺寸的波导过渡到第二输出接口。

5.如权利要求4所述的K波段小型化正交模转换器，其特征在于，在公共波导与侧边矩形波导耦合处含有耦合槽。

6.一种使用权利要求1~5任意一项所述K波段小型化正交模转换器的无线电电子设备。

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