CN204966650U - Ka宽频带正交模耦合器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种Ka宽频带正交模耦合器设计，实现了Ka频段天线微波信号正交极化的分离。其包括十字分波头，所述的十字分波头的四个波导出口上各接一等相弯波导，其中处于同一直线方向上的两个波导出口上所接的两个等相弯波导成对称关系，每对成对称关系的两个等相弯波导的波导出口都汇聚到一T型合成头上，在每个T型合成头的公共口上都接有一扭波导。该正交模耦合器具有超宽带、高隔离度、等相、驻波小、损耗小、功率容量大的优良特性，能够满足几乎所有Ka卫星通信收发共用天线尤其是圆极化天线的微波网络设计需求，且结构紧凑美观、便于加工，在工程应用当中具有很高的应用价值。

Description

Ka宽频带正交模耦合器

技术领域

本实用新型涉及卫星通信领域中的一种Ka宽频带正交模耦合器设计，能够满足所有Ka频段卫通收发天线的微波网络设计需求，尤其适用于圆极化双反射面天线的微波网络设计。

背景技术

新世纪以来，日新月异的卫星通信技术，要求微波技术随之不断进步，宽带和小型化成为微波无源器件设计的主题。而新思想，新理论和新工艺保证了诸多高精度元器件的设计完成。正交模耦合器，简称OMT，是微波网络中的核心元器件，其主要功能是实现正交极化信号的分离。其应用时直接和馈源相连，因此其工作带宽决定了天线的使用带宽。可见，正交模耦合器的设计好坏对于天线来说至关重要。

正交模耦合器的发展已经有五六十年的历史，但直到上世纪90年代，随着宽带天线技术的发展，宽带正交模耦合器的设计才有了质的进步。正交模耦合器种类很多，不同的类型应用于不同的场所。在此将主要的正交模耦合器类别罗列如下，并将其大概的优缺点做简单的分析总结。

1、传统侧壁耦合正交器。使用频带较窄，结构不对称，但隔离度较高，加工容易；

2、鳍线结构宽带正交器。该类正交器频带设计较宽，应用频率较高，加工容易，但端口隔离度不高，交叉极化性能较差；

3、四脊结构宽带正交器。频带设计很宽，但主要应用于较低频率；

4、结构宽带正交器。设计频率很宽，结构紧凑，但输出口不等相，结构复杂，加工较难；

5、双脊结构正交器。与正交器类似；

6、对称负反馈结构正交器。使用频率较宽，等相输出。但结构复杂，加工较难；

7、传统十字转门结构正交器。设计频率很宽，无探针和膜片，不用调试，但加工复杂，成本较高。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种能够分离正交极化模式的器件—Ka正交模耦合器，本实用新型具有超宽带、高隔离度、输出等相、***损耗小、驻波比小、功率容量大、加工容易等诸多优点。该正交器能够满足Ka通信全频带微波网络的设计需求，尤其适用于圆极化网络的设计。

本实用新型的目的是这样实现的：

Ka宽频带正交模耦合器，其包括，十字分波头1，所述的十字分波头1的四个波导出口上各接一等相弯波导弯2，其中处于同一直线方向上的的两个波导出口上所接的两个等相弯波导2成对称关系，每对成对称关系的两个等相弯波导2的波导出口都汇聚到一T型合成头3上，在每个T型合成头3的公共口上都接有一扭波导。

进一步的，所述的十字分波头1由上下相叠经定位焊接而固定的圆波导11和阻抗匹配块12组成，在阻抗匹配块12的中央设有方形匹配块台阶，所述的阻抗匹配块12的方形匹配块台阶的对称轴与圆波导11的波导腔的中轴线相重合。

进一步的，圆波导11底部所带有的四个支路皆相交叉，且在每个交叉位置处都倒有切角。

进一步的，所述的阻抗匹配块12中的方形匹配块台阶的台阶层数为5层。

进一步的，所述的一对成对称关系的等相弯波导2的对称轴和另一对成对称关系的等相弯波导2的对称轴相垂直。

进一步的，在其中一个T型合成头3上接有45°顺扭波导4，在另一个T型合成头3上接有45°逆扭波导5，45°顺扭波导4和45°逆扭波导5的波导口的宽边平行。

进一步的，所述的扭波导由3个开有高精度止口的阻抗匹配块焊接而成。本实用新型与背景技术相比具有如下优点：

1、本实用新型继承十字分波头宽带特性，通过将传统十字分波头中圆柱匹配改为方形柱匹配层，并在圆波导中支路交叉位置加切角实现了带宽的进一步拓展，正交器带宽满足Ka通信频率全带宽覆盖，相对带宽达到54％。

2、本实用新型采用4根等相弯波导组成极化合成网络，保证了正交模耦合器两信号输出通道电气结构和物理结构的对称性，其简单的波导结构极大简化了正交器的加工难度。

3、本实用新型中输出口通过2种45°扭波导将两正交极化波的电场方向变化到同一方向，利于后端的微波网络合成；

4、十字分波头1内匹配块和T型合成器中匹配层的倒角圆滑处理，以及波导合成网络的纯波导结构设计，提高了正交器的功率承受能力。

5、电气指标优良，具有高隔离度，超宽带特性，低驻波，低***损耗的特性；

6、本实用新型原理简单、结构美观、设计简便、易于加工，为Ka通信天线特别是圆极化天线微波网络的设计提供保障。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中十字分波头的结构示意图；

图3是本实用新型中圆波导的底部视图和内部剖面示图；

图4是本实用新型中阻抗匹配块的顶部视图和截面剖示图；

图5是本实用新型中波导合成网络的结构示意图；

图6是本实用新型中Y型合成器的结构示意图；

图7是本实用新型中45°顺扭波导的结构示意图；

图8是本实用新型中45°逆扭波导的结构示意图；

图9是本实用新型中45°逆扭波导的截面剖视图；

附图标记说明：十字分波头—1、等相弯波导—2、T型合成头—3、45°顺扭波导—4、45°逆扭波导—5、圆波导—11、阻抗匹配块—12、第一匹配法兰—51、匹配块—52、第二匹配法兰—53。

如图1所示，本实用新型主要由宽带十字分波头1、四节等相弯波导组成的波导合成网络2、2个T型合成头3、45°顺扭波导4和45°逆扭波导5组成，各零部件通过阴阳法兰加密封圈的螺连方式保证宽带正交模耦合器的气密性设计。矩形波导设计法兰出口为BJ220标准出口，执行国标GB11449.2-89。宽带正交模耦合器设计尺寸为95mm×65mm×50mm。

如图1、2所示，所述的十字分波头1包含上下垂叠在一起的圆波导11和方形的阻抗匹配块12，圆波导11和阻抗匹配块12经过定位焊接相固定，其中阻抗匹配块12中央设有方形匹配块台阶，所述的阻抗匹配块12的方形匹配块台阶的对称轴与圆波导11的波导腔的中轴线相重合，为满足Ka频率全带宽覆盖，方形匹配台阶设计为5层，并在圆波导11底部所带有的四个支路皆相交叉，且在每个交叉位置处都倒有切角。。

如图1、5所示，在十字分波头1四个波导出口上各接一等相弯波导2，其中处于同一直线方向上的两个波导出口上所接的两个等相弯波导2成对称关系，一对成对称关系的等相弯波导2的对称轴和另一对成对称关系的等相弯波导2的对称轴相垂直，保证宽带正交模耦合器的结构对称性。

从电气上讲，由信标接收的信号在圆波导11中为主模TE11模，在十字分波头1中激励起的模式通过底部4个相互正交的支路传输到波导合成网络2中，转换为矩形波导中的TE10模，而由于4根等相弯波导的设计，保证了两路垂直(或水平)极化信号电磁波在重新合成时为等相合成，没有极化能量损失。

为了保证圆波导11和波导合成网络2理论上只传输所需带宽内主模TE11模和TE10模，圆波导半径需满足0.293λmax＜r＜0.61λmin，矩形波导宽边需满足0.5λmax＜a＜λmin，窄边需满足0＜b＜0.5λmin。

如图1、6、7、8所示，每对成对称关系的两个等相弯波导2的波导出口都汇聚到一T型合成头3上，同极化的两个分支路信号可以通过T型合成头重新合成为一路信号。而T型合成头3下接的两个45°扭波导矩形波导出口方向一致，当沿圆波导11波导口法线方向正视宽带正交模耦合器时，若两个扭波导处于圆波导的下方且波导出口宽边恰沿水平线方向放置，则圆波导左下方的扭波导为45°逆扭波导，圆波导右下方的扭波导为45°顺扭波导。T型合成头和2种扭波导的结合共同完成了两个任务，一是多台阶的渐变结构满足2路TE10模信号到1路TE10模信号的阻抗变换，二是使得天线收发共用时，两路合成的正交极化信号电场方向在同一方向。

如图9所示，所述的45°顺扭波导4和45°逆扭波导5的加工步骤相同，结构类似，以45°逆扭波导5为例，从加工工艺考虑，将45°逆扭波导5分为第一匹配法兰51、匹配块52和第二匹配法兰53三部分，其中第一匹配法兰51和第二匹配法兰53做有高精度焊接止口，确保三部分焊接后扭波导各尺寸和角度的精度。

其简要的工作原理如下：

由馈源接收到垂直水平极化波TE11模通过正交器圆波导11时，首先经十字分波头1将垂直或水平极化波能量等分为2部分，进入对应的垂直极化或水平支路即波导合成网络2，电磁场变为矩形波导中的TE10模，然后在对应的T型合成头3位置实现2部分能量的重新合二为一，最后通过45°顺扭波导4或45°逆扭波导实现垂直极化波和水平极化波极化通道出口方向的一致，以便于圆极化微波网络的合成。

Claims (7)

1.Ka宽频带正交模耦合器，其特征在于：包括十字分波头(1)，所述的十字分波头(1)的四个波导出口上各接一等相弯波导弯(2)，其中处于同一直线方向上的的两个波导出口所接的两个等相弯波导(2)成对称关系，每对成对称关系的两个等相弯波导(2)的波导出口都汇聚到一T型合成头(3)上，在每个T型合成头(3)的公共口上都接有一扭波导。

2.根据权利要求1所述的Ka宽频带正交模耦合器，其特征在于：所述的十字分波头(1)由上下相叠经定位焊接的圆波导(11)和阻抗匹配块(12)组成，在阻抗匹配块(12)的中央设有方形匹配块台阶，所述的阻抗匹配块(12)的方形匹配块台阶的对称轴与圆波导(11)的波导腔的中轴线相重合。

3.根据权利要求2所述的Ka宽频带正交模耦合器，其特征在于：圆波导(11)底部所带有的四个支路皆相交叉，且在每个交叉位置处都倒有切角。

4.根据权利要求2所述的Ka宽频带正交模耦合器，其特征在于：所述的阻抗匹配块(12)中的方形匹配块台阶的台阶层数为5层。

5.根据权利要求1所述的Ka宽频带正交模耦合器，其特征在于：所述的一对成对称关系的等相弯波导(2)的对称轴和另一对成对称关系的等相弯波导(2)的对称轴相垂直。

6.根据权利要求1所述的Ka宽频带正交模耦合器，其特征在于：在其中一个T型合成头(3)上接有45°顺扭波导(4)，在另一个T型合成头(3)上接有45°逆扭波导(5)，45°顺扭波导(4)和45°逆扭波导(5)的波导口的宽边平行。

7.根据权利要求1所述的Ka宽频带正交模耦合器，其特征在于：所述的扭波导由3个开有高精度止口的阻抗匹配块焊接而成。