CN108963407A - 一种三燕尾金属膜片正交模耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三燕尾金属膜片正交模耦合器，其包括：主波导(1)、三燕尾金属膜片(8)、第一矩形波导(6)和第二矩形波导(5)；主波导(1)的输入端为方形波导，主波导(1)的第一输出端对接第一矩形波导(6)，作为主波导(1)的延长段；第二矩形波导(5)垂直连接在主波导(1)的底部，且第二矩形波导(5)与主波导(1)的底部连通；三燕尾金属膜片(8)内嵌在主波导(1)的内壁和第二矩形波导(5)的内壁上，且三燕尾金属膜片(8)开有窄缝(7)。

Description

一种三燕尾金属膜片正交模耦合器

技术领域

本发明属于毫米波超宽带双极化信号分离技术领域，具体涉及一种三燕尾金属膜片正交模耦合器。

背景技术

极化是电磁波的重要属性和参量，在微波遥感和通信中，往往需要双极化信号传输实现极化、频率复用。因此，双极化信号的提取显得至关重要。目前，通常把双极化信号提取的装置叫正交模耦合器(OMT)。正交模耦合器是一种很常见的微波器件，为了实现正交模耦合器的宽带特性，需要在正交模耦合器里加入很多阻抗匹配，使得部件的结构较窄带设计时更复杂。由于结构空间的限制，同时需要对观测目标进行多频率、多极化观测，现实中希望采用一个天线获取尽可能宽频率的信号，这样避免了采用多个天线观测造成的方向图畸变(即不同馈源不能都放在焦点上)和观测目标角度不重合(多个天线不可能放在同一个位置，因此对同一目标的观测角度不同)，因此，采用一个共同天线实现多频率复用、双极化复用具有重要意义。

传统的正交模耦合器包括：金属薄片正交模耦合器、十字转门正交模耦合器和圆柱型正交模耦合器，其均可以达到1.2：1至1.8：1的频率带宽比。但是，当频率范围过大时，例如，频带比超过2:1，传统的正交模耦合器显得无能为力。上世纪九十年代，现有技术提出了鱼鳍正交模耦合器，可以达到2：1带宽比；但是，鱼鳍正交模耦合器只能用于C、X甚至L波段，当频率增加至毫米波段时，其设计结果的垂直极化信号损耗严重，完全不能实现毫米波双极化信号的提取。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的正交模耦合器存在上述缺陷，本发明提出了一种三燕尾金属膜片正交模耦合器，实现毫米波双极化信号的提取；所述正交模耦合器包括：主波导、三燕尾金属膜片、第一矩形波导和第二矩形波导；

主波导的输入端为方形波导，主波导的一侧的第一输出端对接第一矩形波导，作为主波导的延长段；第二矩形波导垂直连接在主波导的底部，且第二矩形波导与主波导的底部连通；三燕尾金属膜片内嵌在主波导的内壁和第二矩形波导的内壁上，且三燕尾金属膜片开有窄缝；

双极化毫米波输入至主波导的输入端，极化方向垂直于三燕尾金属膜片的毫米波，即垂直极化波，穿过三燕尾金属膜片，并导入主波导的延长段的第一矩形波导内；极化方向平行于三燕尾金属膜片的毫米波，即水平极化波，穿过三燕尾金属膜片开设的窄缝，并导入第二矩形波导内，实现2：1的超宽频带比的毫米波的双极化信号的提取，有效确保低频信号不截止，避免高频高次模传播。

作为上述技术方案的改进之一，所述三燕尾金属膜片包括：第一燕尾输入端、第一燕尾输出端和第二燕尾输出端三个燕尾端部；

其中，第一燕尾输入端的燕尾式输入口大于第一燕尾输出端的燕尾式输出口，用于将极化方向平行于三燕尾金属膜片的毫米波穿过，由第一燕尾输出端的输出口输出，并导入主波导的延长段的第一矩形波导内；

第一燕尾输出端的燕尾式输出口大于第二燕尾输出端的燕尾式输出口，且第一燕尾输入端与第二燕尾输出端之间开设窄缝，用于将极化方向垂直于三燕尾金属膜片的毫米波顺利穿过，由第二燕尾输出端输出，并导入第二矩形波导内。

作为上述技术方案的改进之一，第一燕尾输入端的燕尾式输入口张开的角度小于第一燕尾输出端的燕尾式输出口张开的角度；第一燕尾输出端的燕尾式输出口的张开的角度大于第二燕尾输出端的燕尾式输出口张开的角度；有效降低了毫米波水平极化波的信号的衰减，同时确保垂直极化波的信号由窄缝顺利导入第二矩形波导。

作为上述技术方案的改进之一，第一矩形波导的一侧为方形波导，用于与主波导的一侧的第一输出端对接；第一矩形波导的另一侧为矩形波导，且矩形波导的横截面积小于方形波导的横截面积，有利于降低毫米波水平极化信号的衰减。

作为上述技术方案的改进之一，所述三燕尾金属膜片正交模耦合器适应于K至Ka频段，并可拓展至更高频段，具有低损耗、超宽带特性；可以实现超宽频带复用、双极化复用的功能，具有较重要的意义，在微波遥感、毫米波通信领域有广泛的应用前景。

本发明的优点在于：

本发明的正交模耦合器的带宽比现有的正交模耦合器的宽带要宽1.2到2倍，比普通的正交模耦合器的宽带要宽；另外，本发明的三燕尾金属膜片正交模耦合器比鱼鳍膜片正交模耦合器的适应频率范围更广，对于更高频率拓展具有借鉴作用。此外，本发明的三燕尾金属膜片正交模耦合器不同于一般的窄带正交模耦合器，也不同于一般的鱼鳍状正交模耦合器，采用三燕尾结构，更有利于实现毫米波宽频带信号传输，有效降低驻波系数，有利于水平极化波的匹配，减小水平极化波衰减。

附图说明

图1是本发明的一种三燕尾金属膜片正交模耦合器的结构示意图；

图2是图1的本发明的一种三燕尾金属膜片正交模耦合器的主波导的结构示意图；

图3是图1的本发明的一种三燕尾金属膜片正交模耦合器的第二矩形波导的结构示意图；

图4是图1的本发明的一种三燕尾金属膜片正交模耦合器的第一矩形波导的结构示意图；

图5是图1的本发明的一种三燕尾金属膜片正交模耦合器的三燕尾金属膜片的结构示意图；

图6是本发明的三燕尾金属膜片的第二燕尾输出端和等长度普通矩形膜片的S11参数对比图；

图7是本发明的一种三燕尾金属膜片正交模耦合器和波纹喇叭馈源的实测结果示意图。

附图标记：

1、主波导 2、第一燕尾输入端

3、第一燕尾输出端 4、第二燕尾输出端

5、第二矩形波导 6、第一矩形波导

7、窄缝 8、三燕尾金属膜片

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提出了一种三燕尾金属膜片正交模耦合器，实现毫米波双极化信号的提取；所述正交模耦合器包括：主波导1、三燕尾金属膜片8、第一矩形波导6和第二矩形波导5；在本实施例中，如图2、3、4所示，所述主波导1的左侧的输入端的端口为10.67mm*10.67mm的方形波导，即a1*a1＝10.67mm*10.67mm；三燕尾金属膜片8的厚度为2mm，第一矩形波导6为10.67mm*4.32mm的矩形波导，即a2*b2＝10.67mm*4.32mm；第二矩形波导5为10.67mm*4.32mm的矩形波导，即a3*b3＝10.67mm*4.32mm，即波导宽度和高度都是一样的，由于只是分为双极化，其工作频率范围都是一样的。

如图1和2所示，主波导1的输入端为方形波导，主波导1右侧的第一输出端对接第一矩形波导6，作为主波导1的延长段；第二矩形波导5垂直连接在主波导1的底部，且第二矩形波导5与主波导1的底部连通；三燕尾金属膜片8内嵌在主波导1的内壁和第二矩形波导5的内壁上，且三燕尾金属膜片8开有窄缝7；

双极化毫米波输入至主波导1左侧的输入端，极化方向垂直于三燕尾金属膜片8的毫米波，即垂直极化波，穿过三燕尾金属膜片8，并导入主波导1的延长段的第一矩形波导6内；极化方向平行于三燕尾金属膜片8的毫米波，即水平极化波，穿过三燕尾金属膜片8开设的窄缝7，并导入第二矩形波导5内，实现2：1的超宽频带比的毫米波的双极化信号的提取，有效确保低频信号不截止，避免高频高次模传播。而传统低频率(例如C波段)正交模耦合器的金属膜片孔隙极小、膜片厚度相对波长也较薄，传统的毫米波正交模耦合器的金属膜片孔隙太小时损耗极大，而孔隙增大必然带来厚度增大，才能使得垂直极化毫米波顺利耦合至侧壁波导，但是，厚度增大会引起主波导回波损耗剧增，因此传统低频的正交模耦合器无法实现毫米波的双极化信号的提取。

作为上述技术方案的改进之一，如图5所示，所述三燕尾金属膜片8包括：第一燕尾输入端2、第一燕尾输出端3和第二燕尾输出端4三个燕尾端部；其中，第二燕尾输出端4的端部的宽度为4.32mm；

第一燕尾输入端2的燕尾式输入口的横向长度大于第一燕尾输出端3的燕尾式输出口的横向长度，用于将极化方向平行于三燕尾金属膜片8的毫米波穿过，由第一燕尾输出端3的输出口输出，并导入主波导1的延长段的第一矩形波导6内；

第一燕尾输出端3的燕尾式输出口大于第二燕尾输出端4的燕尾式输出口，且第一燕尾输入端2与第二燕尾输出端4之间开设窄缝7，用于将极化方向垂直于三燕尾金属膜片8的毫米波顺利穿过，由第二燕尾输出端4输出，并导入第二矩形波导5内。

其中，三燕尾金属膜片8的三个不同的燕尾式端部的结构不同于普通的鱼鳍结构，主波导1内的三燕尾金属膜片和等长度的矩形膜片相比，具有更好的传输特性，有效降低了回波损耗。由于毫米波信号衰减比C波段严重得多，不能采用C波段那种相对波长极窄的孔隙，否则严重的衰减将使得毫米波无法通过，而相对较宽的孔隙必须由稍厚些的膜片来实现毫米波信号耦合，较厚的膜片会引起水平极化波的衰减和损耗，因此，第一燕尾输出端3采用的燕尾结构，可以有效降低厚膜片带来的毫米波传输损耗。

作为上述技术方案的改进之一，第一燕尾输入端2的燕尾式输入口张开的角度小于第一燕尾输出端3的燕尾式输出口张开的角度；第一燕尾输出端3的燕尾式输出口的张开的角度大于第二燕尾输出端4的燕尾式输出口张开的角度；有效降低了毫米波水平极化波的信号的衰减，同时确保垂直极化波的信号由窄缝顺利导入第二矩形波导。

作为上述技术方案的改进之一，第一矩形波导6的一侧为方形波导，用于与主波导1的右侧的第一输出端对接；第一矩形波导6的另一侧为矩形波导，且矩形波导的横截面积小于方形波导的横截面积，有利于降低毫米波水平极化信号的衰减。

作为上述技术方案的改进之一，所述三燕尾金属膜片正交模耦合器适应于K至Ka频段，并可拓展至更高频段，具有低损耗、超宽带特性；可以实现超宽频带复用、双极化复用的功能，具有较重要的意义，在微波遥感、毫米波通信领域有广泛的应用前景。

如图6所示，将本发明的三燕尾金属膜片和等长度普通矩形膜片S11参数进行了对比。可以看出，采用本发明的三燕尾金属膜片正交模耦合器S11比现有的普通矩形膜片耦合器S11参数有较大改进，具体来说，在23.5-24.1GHz的工作频带范围内，三燕尾金属膜片正交模耦合器的S11在频带内均小于-25dB，基本在-30至-50dB范围，而现有的普通的矩形膜片S11在-16至-19dB范围内。

如图7所示，在13.9GHz频率上，赋形方向图和副瓣电平分别为-23dB和-16dB，增益为29.23dB。

采用HFSS全波分析软件对所述三燕尾金属膜片正交模耦合器进行优化设计，主要对S参数的优化结构尺寸，根据优化结果，加工实物验证，确保设计的准确性。测试结果显示所述三燕尾金属膜片正交模耦合器带宽达到2：1频率带宽比，验证了设计的准确性。加工完成的所述三燕尾金属膜片正交模耦合器和波纹喇叭馈源实测结果见图7所示，可以看出水平极化和垂直极化通道信号在18GHz至40GHz范围内均保持了较好的S参数特性，尤其是水平极化波的信号在19-40GHz的频率范围内，频带均在-20dB以下，垂直极化波比水平极化波S参数稍差，个别频点有跳变至-10dB，但总体均值在-15dB左右，在具体使用中，第一矩形波导和第二矩形波导分别对接所需频率的滤波器，则会有更好的结果。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种三燕尾金属膜片正交模耦合器，其特征在于，其包括：主波导(1)、三燕尾金属膜片(8)、第一矩形波导(6)和第二矩形波导(5)；

主波导(1)的输入端为方形波导，主波导(1)的第一输出端对接第一矩形波导(6)，作为主波导(1)的延长段；第二矩形波导(5)垂直连接在主波导(1)的底部，且第二矩形波导(5)与主波导(1)的底部连通；三燕尾金属膜片(8)内嵌在主波导(1)的内壁和第二矩形波导(5)的内壁上，且三燕尾金属膜片(8)开有窄缝(7)。

2.根据权利要求1所述的三燕尾金属膜片正交模耦合器，其特征在于，所述三燕尾金属膜片(8)包括：第一燕尾输入端(2)、第一燕尾输出端(3)和第二燕尾输出端(4)；

其中，第一燕尾输入端(2)的燕尾式输入口大于第一燕尾输出端(3)的燕尾式输出口，用于将极化方向平行于三燕尾金属膜片(8)的毫米波穿过，由第一燕尾输出端(3)的输出口输出，并导入第一矩形波导(6)内；

第一燕尾输出端(3)的燕尾式输出口大于第二燕尾输出端(4)的燕尾式输出口，且第一燕尾输入端(2)与第二燕尾输出端(4)之间开设窄缝(7)，用于将极化方向垂直于三燕尾金属膜片(8)的毫米波顺利穿过，由第二燕尾输出端(4)输出，并导入第二矩形波导(5)内。

3.根据权利要求2所述的三燕尾金属膜片正交模耦合器，其特征在于，第一燕尾输入端(2)的燕尾式输入口张开的角度小于第一燕尾输出端(3)的燕尾式输出口张开的角度；第一燕尾输出端(3)的燕尾式输出口的张开的角度大于第二燕尾输出端(4)的燕尾式输出口张开的角度。

4.根据权利要求1所述的三燕尾金属膜片正交模耦合器，其特征在于，所述第一矩形波导(6)的一侧为方形波导，用于与主波导(1)的一侧的第一输出端对接；第一矩形波导(6)的另一侧为矩形波导，且矩形波导的横截面积小于方形波导的横截面积。

5.根据权利要求1所述的三燕尾金属膜片正交模耦合器，其特征在于，所述三燕尾金属膜片正交模耦合器适应于K至Ka频段。