CN113097740B - 双频收发共用双圆极化馈源 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双频收发共用双圆极化馈源，包括：依次连接的双通道波导(1)、双圆极化器(2)、方‑圆渐变波导转换器(3)以及馈源喇叭(4)，其中，双通道波导(1)中包含有两路相互独立的矩形波导，用以传输两路射频信号，两路射频信号经过双圆极化器(2)进行双圆极化处理，得到左旋圆极化信号和右旋圆极化信号；左旋圆极化信号和右旋圆极化信号依次经过方‑圆渐变波导转换器(3)和馈源喇叭(4)之后，形成轴向旋转对称的双圆极化辐射方向图。本发明通过优化双圆极化器与馈源喇叭之间的组合匹配设计，能够在收发频点同时实现35dB以上的通道隔离度和极化隔离度，形成轴向旋转对称的双圆极化初级辐射方向图。

Description

双频收发共用双圆极化馈源

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体地，涉及双频收发共用双圆极化馈源。

背景技术

馈源是反射面天线的核心部件，馈源性能的优劣直接影响反射面天线的辐射性能。采用双频收发共用双圆极化馈源可以利用一套反射面，同时实现双通道射频信号的收发功能，可以提升***通信容量。特别对于火星探测任务来说，采双频收发共用双圆极化馈源作为火星探测器高增益反射面天线的馈源，可以更高效的利用有限的探测器空间，实现高增益定向收发功能。

由于火星探测任务通信距离远，探测器配套的应答机灵敏度极高，为了减小发射通道对接收通道的干扰，要求天线接收通道和发射通道之间具有35dB以上的通道隔离度。火星探测任务接收通道采用左旋圆极化，发射通道采用右旋圆极化，为了提高收发***的极化鉴别率，要求馈源具有35dB以上的极化隔离度。火星探测任务对地通信测控数传***工作于X频段，收发频率比值为1.175，要求高增益反射面天线馈源的通道隔离度和极化隔离度均优于35dB。

参考目前现有的双圆极化馈源设计文献，实现双圆极化一般采用两种方案：第一种使用正交模耦合器实现极化分离，在正交模耦合器和馈源喇叭之间加单圆极化器实现双圆极化；第二种采用波导隔板极化器实现双圆极化。查见两种方案的双圆极化馈源设计文献中均没有实现双频点通道隔离度和极化隔离度均优于35dB的案列。因此，设计一种结构紧凑简单，同时兼具优良通道隔离和极化隔离特性的双频收发共用双圆极化馈源是火星探测高增益反射面天线设计的关键。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双频收发共用双圆极化馈源。

根据本发明提供的一种双频收发共用双圆极化馈源，包括：依次连接的双通道波导、双圆极化器、方-圆渐变波导转换器以及馈源喇叭，其中，所述双通道波导中包含有两路相互独立的矩形波导，用以传输两路射频信号，两路射频信号经过所述双圆极化器进行双圆极化处理，得到左旋圆极化信号和右旋圆极化信号；所述左旋圆极化信号和所述右旋圆极化信号依次经过所述方-圆渐变波导转换器和所述馈源喇叭之后，形成轴向旋转对称的双圆极化辐射方向图。

可选地，所述双通道波导包括：第一矩形波导腔、第二矩形波导腔、波导隔板、圆形波导法兰，其中，所述第一矩形波导腔和所述第二矩形波导腔的尺寸相同，且所述第一矩形波导腔和所述第二矩形波导腔沿所述中间波导隔板对称分布，用于独立传输两路射频信号。

可选地，所述第一矩形波导腔和所述第二矩形波导腔用以传输两路TE10模线极化射频信号。

可选地，所述第一矩形波导腔和所述第二矩形波导腔采用WR112标准矩形波导；或者，所述第一矩形波导腔和所述第二矩形波导腔采用非标矩形波导。

可选地，所述双圆极化器包括：方波导腔体、隔板和调谐组件，所述隔板位于所述方波导腔体内部，所述隔板将所述方波导腔体两端分隔为三个端口；所述调谐组件设置在所述方波导腔体的四个波导壁的中心位置。

可选地，所述隔板为阶梯形状，位于方波导腔体中央位置，且所述隔板的高度与所述方波导腔体的内腔边长相同。

可选地，所述隔板分隔出的三个端口包括：第一矩形波导端口、第二矩形波导端口和方波导端口，其中，所述第一矩形波导端口和所述第二矩形波导端口尺寸相同，且沿所述隔板对称分布。

可选地，所述调谐组件包括：调谐螺钉和锁紧螺母，所述调谐螺钉拧入所述双圆极化器，并通过所述锁紧螺母与所述双圆极化器紧固连接。

可选地，所述方-圆渐变波导转换器包括：方波导口、圆波导口和圆形波导法兰，其中，所述方波导口和所述圆波导口之间的连接腔体的剖面按照方-圆渐变曲线过度；所述圆形波导法兰与馈源支架紧固连接。

可选地，所述馈源喇叭包括：圆波导段和波纹辐射段，所述波纹辐射段包括至少有一个波纹槽。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的双频收发共用双圆极化馈源，通过使用波导隔板双圆极化器将传统的正交膜耦合器和圆极化器的功能合二为一，并通过优化双圆极化器与馈源喇叭之间的组合匹配设计，能够在收发频点同时实现35dB以上的通道隔离度和极化隔离度，形成轴向旋转对称的双圆极化初级辐射方向图。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例提供的双频收发共用双圆极化馈源的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的双通道波导的剖面示意图；

图3(a)为本发明实施例提供的双圆极化器的立体结构示意图；

图3(b)为本发明实施例提供的双圆极化器的第一剖面结构示意图；

图3(c)为本发明实施例提供的双圆极化器的第二剖面结构示意图；

图4为本发明实施例提供的方-圆渐变波导转换器的剖面结构示意图；

图5为本发明实施例提供的馈源喇叭的剖面结构示意图；

图6为本发明实施例提供的双频收发共用双圆极化馈源接收通道的驻波比结果示意图；

图7为本发明实施例提供的双频收发共用双圆极化馈源发射通道的驻波比结果示意图；

图8为本发明实施例提供的双频收发共用双圆极化馈源在接收频段的通道隔离度和极化隔离度结果示意图；

图9为本发明实施例提供的双频收发共用双圆极化馈源在发射频段的通道隔离度和极化隔离度结果示意图；

图10为本发明实施例提供的双频收发共用双圆极化馈源接收通道对应的的左旋圆极化波的主极化方向图和交叉极化方向图；

图11为本发明实施例提供的双频收发共用双圆极化馈源发射通道对应的右旋圆极化波的主极化方向图和交叉极化方向图。

图中：

1-双通道波导；

101-第一矩形波导腔；

102-第二矩形波导腔；

103-波导隔板；

104-圆形波导法兰；

2-双圆极化器；

201-方波导腔体；

202-隔板；

203-调谐组件；

204-第一矩形波导端口；

205-第二矩形波导端口；

206-方波导端口；

207-调谐螺钉；

208-锁紧螺母；

3-方-圆渐变波导转换器；

301-方波导口；

302-圆波导口；

303-圆形波导法兰；

4-馈源喇叭；

401-圆波导段；

402-波纹辐射段。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的双频收发共用双圆极化馈源的结构示意图，如图1所示，本实施例中的双频收发共用双圆极化馈源包括：依次连接的双通道波导1、双圆极化器2、方-圆渐变波导转换器3以及馈源喇叭4，其中，双通道波导1中包含有两路相互独立的矩形波导，用以传输两路射频信号，两路射频信号经过双圆极化器2进行双圆极化处理，得到左旋圆极化信号和右旋圆极化信号；左旋圆极化信号和右旋圆极化信号依次经过方-圆渐变波导转换器3和馈源喇叭4之后，形成轴向旋转对称的双圆极化辐射方向图。

本实施例中，双通道波导1、双圆极化器2、方-圆渐变波导转换器3以及馈源喇叭4均由金属材料制作而成。示例性的，可以采用铝合金。

图2为本发明实施例提供的双通道波导的剖面示意图，如图2所示，本实施例中的双通道波导包括：第一矩形波导腔101、第二矩形波导腔102、波导隔板103、圆形波导法兰104，其中，第一矩形波导腔101和第二矩形波导腔102的尺寸相同，且第一矩形波导腔101和第二矩形波导腔102沿中间波导隔板103对称分布，用于独立传输两路射频信号。

示例性的，本实施例中，第一矩形波导腔101和第二矩形波导腔102用以传输两路TE10模线极化射频信号，其中，波导隔板厚度可以设置为3mm。

示例性的，第一矩形波导腔101和第二矩形波导腔102可以采用WR112标准矩形波导。

示例性的，第一矩形波导腔101和第二矩形波导腔102采用非标矩形波导。这种设计形式可以减小波导尺寸和重量。例如，可以设置矩形波导尺寸为28.5×6.3mm。

示例性的，圆形波导法兰104用于将馈源固定在高增益反射面天线主反射面上。具体地，可以设置双通道波导的长度为100mm。

图3(a)为本发明实施例提供的双圆极化器的立体结构示意图；如图3(a)所示，本实施例中的双圆极化器包括：方波导腔体201、隔板202和调谐组件203，隔板202位于方波导腔体201内部，且隔板202的高度与方波导腔体201的内腔边长相同；隔板202将方波导腔体201两端分隔为三个端口；调谐组件203设置在方波导腔体201的四个波导壁的中心位置。

本实施例中，双圆极化器采用宽带渐变型波导隔板双圆极化器，用于实现两路线极化波到公共端口双圆极化波的转换功能。

示例性的，隔板202为阶梯形状，位于方波导腔体201中央位置，隔板始端的高度与方波导腔体201的内腔边长相同。隔板终端距离方波导口法兰端面15mm。

本实施例中，通过设置双圆极化器的隔板为阶梯形状，厚度线性渐变，位于方波导腔体中央。并设置隔板始端的高度与方波导内腔边长相同，隔板终端距离方波导口的长度为10～15mm。从而能够通过调整波导隔板的厚度、各阶梯的长度和高度，实现减小方波导端口TE01模的反射系数，提高馈源通道隔离度和极化隔离度的目的。

图3(b)为本发明实施例提供的双圆极化器的第一剖面结构示意图；如图3(b)所示，隔板202分隔出的三个端口包括：第一矩形波导端口204、第二矩形波导端口205和方波导端口206，其中，第一矩形波导端口204和第二矩形波导端口205尺寸相同，且沿隔板202对称分布。

本实施例中，隔板202的作用是将圆极化器矩形波导端口的TE10模转换为方波导端口的两个幅度相等、相位相差90°的TE10模和TE01模，实现线极化转换到双圆极化的功能。其中第一矩形波导端口204对应的是右旋圆极化，第二矩形波导端口205对应的是左旋圆极化。示例性的，可以设置隔板202为5级阶梯，厚度线性渐变，始端厚度为3mm，终端厚度为1mm。

图3(c)为本发明实施例提供的双圆极化器的第二剖面结构示意图；如图3(c)所示，调谐组件203包括：调谐螺钉207和锁紧螺母208，调谐螺钉207拧入双圆极化器2，并通过锁紧螺母208与双圆极化器2紧固连接。

示例性的，在双圆极化器距离方波导端口10mm处四个波导壁中心处设置了4组调谐组件203，目的是增加对方波导端口TE10模和TE01模两个正交模的幅度、相位优化调整的手段。

具体地，双圆极化器在靠近方波导端口的四个波导壁中心处设置了4组调谐组件，调谐组件距离方波导端口5～10mm。调谐组件由M2螺钉和锁紧螺母组成。调谐螺钉长度为10mm，通过调节调谐螺钉拧进方波导腔体内的长度，用于方波导端口处两个TE10和TE01模的幅度和相位优化调整。锁紧螺母将调谐螺钉固定在极化器上。

图4为本发明实施例提供的方-圆渐变波导转换器的剖面结构示意图；如图4所示，本实施例中，方-圆波导转换器包括：方波导口301、圆波导口302和圆形波导法兰303，其中，方波导口301和圆波导口302之间的连接腔体的剖面按照方-圆渐变曲线过度；圆形波导法兰303与馈源支架紧固连接。

示例性的，方-圆渐变波导转换器，用于实现模式转换功能。方-圆渐变波导转换器一个端口为方波导口，另一个端口为圆波导口，中间内腔剖面曲线为方-圆渐变过渡曲线。方-圆渐变波导转换器长度为40～50mm。

图5为本发明实施例提供的馈源喇叭的剖面结构示意图；如图5所示，本实施例中馈源喇叭包括：圆波导段401和波纹辐射段402，波纹辐射段402包括至少有一个波纹槽。

示例性的，本实施例中波纹辐射段402包含5个波纹槽，波纹槽宽为7～8mm，槽深为18～19.5mm，波纹壁厚均为1mm。

本实施例中，馈源喇叭采用轴向槽波纹喇叭，用于形成轴向旋转对称的初级辐射方向图，通过优化各个波纹槽的槽宽和槽深，实现馈源喇叭与双圆极化器之间的良好匹配。

需要说明的是，本实施例不限定波纹辐射段402包含的波纹槽的数量、波纹槽的深度以及波纹壁厚度，可以根据馈源方向图等化度要求自由选择。

在图6和图7中，分别给出了本发明实施例提供的一种应用于火星探测的双频收发共用双圆极化馈源接收通道和发射通道对应频段的驻波比结果，均小于1.12。

在图8中，给出了一种应用于火星探测的双频收发共用双圆极化馈源在接收频段的通道隔离度和极化隔离度结果，在接收频段中心频点处的收发通道隔离度为39.1dB，极化隔离度为40.3dB；

在图9中，给出了一种应用于火星探测的双频收发共用双圆极化馈源在发射频段的通道隔离度和极化隔离度结果，在发射频段中心频点处的收发通道隔离度为43.4dB，极化隔离度为51.1dB；

在图10中，给出了一种应用于火星探测的双频收发共用双圆极化馈源接收通道对应的左旋圆极化波的主极化方向图和交叉极化方向图结果；

在图11中，给出了一种应用于火星探测的双频收发共用双圆极化馈源发射通道对应的右旋圆极化波的主极化方向图和交叉极化方向图结果。

参见图6～图11，本发明提供的双频收发共用双圆极化馈源，通过使用宽带渐变型波导隔板双圆极化器将传统的正交膜耦合器和圆极化器的功能合二为一，并通过优化双圆极化器与轴向槽馈源喇叭之间的组合匹配设计，在不额外增加滤波器的情况下，能够在收发频点同时实现35dB以上的通道隔离度和极化隔离度，同时结构紧凑简单，适用于火星探测收发共用高增益反射面天线的馈源。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种双频收发共用双圆极化馈源，其特征在于，包括：依次连接的双通道波导（1）、双圆极化器（2）、方-圆渐变波导转换器（3）以及馈源喇叭（4），其中，所述双通道波导（1）包括：第一矩形波导腔（101）、第二矩形波导腔（102）、波导隔板（103）、圆形波导法兰（104），所述第一矩形波导腔（101）和所述第二矩形波导腔（102）的尺寸相同，且所述第一矩形波导腔（101）和所述第二矩形波导腔（102）沿所述波导隔板（103）对称分布，用于独立传输两路射频信号；所述双通道波导（1）传输的两路射频信号经过所述双圆极化器（2）进行双圆极化处理，得到左旋圆极化信号和右旋圆极化信号；所述左旋圆极化信号和所述右旋圆极化信号依次经过所述方-圆渐变波导转换器（3）和所述馈源喇叭（4）之后，形成轴向旋转对称的双圆极化辐射方向图。

2.根据权利要求1所述的双频收发共用双圆极化馈源，其特征在于，所述第一矩形波导腔（101）和所述第二矩形波导腔（102）用以传输两路TE10模线极化射频信号。

3.根据权利要求1所述的双频收发共用双圆极化馈源，其特征在于，所述第一矩形波导腔（101）和所述第二矩形波导腔（102）采用WR112标准矩形波导；或者，所述第一矩形波导腔（101）和所述第二矩形波导腔（102）采用非标矩形波导。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的双频收发共用双圆极化馈源，其特征在于，所述双圆极化器（2）包括：方波导腔体（201）、隔板（202）和调谐组件（203），所述隔板（202）位于所述方波导腔体（201）内部，所述隔板（202）将所述方波导腔体（201）两端分隔为三个端口；所述调谐组件（203）设置在所述方波导腔体（201）的四个波导壁的中心位置。

5.根据权利要求4所述的双频收发共用双圆极化馈源，其特征在于，所述隔板（202）为阶梯形状，位于方波导腔体（201）中央位置，且所述隔板（202）的高度与所述方波导腔体（201）的内腔边长相同。

6.根据权利要求4所述的双频收发共用双圆极化馈源，其特征在于，所述隔板（202）分隔出的三个端口包括：第一矩形波导端口（204）、第二矩形波导端口（205）和方波导端口（206），其中，所述第一矩形波导端口（204）和所述第二矩形波导端口（205）尺寸相同，且沿所述隔板（202）对称分布。

7.根据权利要求4所述的双频收发共用双圆极化馈源，其特征在于，所述调谐组件（203）包括：调谐螺钉（207）和锁紧螺母（208），所述调谐螺钉（207）拧入所述双圆极化器（2），并通过所述锁紧螺母（208）与所述双圆极化器（2）紧固连接。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的双频收发共用双圆极化馈源，其特征在于，所述方-圆渐变波导转换器（3）包括：方波导口（301）、圆波导口（302）和圆形波导法兰（303），其中，所述方波导口（301）和所述圆波导口（302）之间的连接腔体的剖面按照方-圆渐变曲线过度；所述圆形波导法兰（303）与馈源支架紧固连接。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的双频收发共用双圆极化馈源，其特征在于，所述馈源喇叭（4）包括：圆波导段（401）和波纹辐射段（402），所述波纹辐射段（402）包括至少有一个波纹槽。

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