CN219575909U

CN219575909U - 一种q频段宽带正交模耦合器

Info

Publication number: CN219575909U
Application number: CN202320569650.2U
Authority: CN
Inventors: 李明
Original assignee: Chengdu Taimai Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Taimai Technology Co ltd
Priority date: 2023-03-22
Filing date: 2023-03-22
Publication date: 2023-08-22
Anticipated expiration: 2033-03-22

Abstract

本实用新型公开了一种Q频段宽带正交模耦合器，工作频段覆盖37GHz～53GHz，相对带宽大于35.5%。在工作频段内，水平极化输出端口和垂直极化输出端口电压驻波比均小于1.15，端口隔离度大于40dB，插损小于0.3dB，属于高性能宽带波导器件设计。Q频段宽带正交模耦合器包括公共方波导、异形阶梯波导和侧臂波导三个部分。所述公共方波导口径小于标准BJ400矩形波导的长边尺寸；所述异形阶梯波导由1个异形四阶方矩过渡波导和1个标准BJ400矩形波导组成；所述侧臂波导由级联的2个T型波导和1个标准BJ400矩形波导组成，T型波导安装在异形四阶方矩过渡波导的一侧阶梯面上。本发明所述Q频段宽带正交模耦合器的有益效果在于，结构简单，便于加工，无需其他调配措施，两个输出端口均为标准矩形波导，适用于30GHz以上宽频带大功率天线馈源。

Description

一种Q频段宽带正交模耦合器

技术领域

本实用新型涉及卫星通信与测控天线技术领域中的一种正交模耦合器，具体涉及一种工作于Q频段，频带范围覆盖37GHz～53GHz，相对带宽大于35.5%，结构紧凑，加工简单，免于调试的宽带高性能正交模耦合器。

背景技术

正交模耦合器，英文简称OMT，是卫星通信与测控天线***中一种基本的元器件，用于实现对公共端口输入的两个电场方向正交的模式信号的极化鉴别和信号分离。对于正交模耦合器来说，工作带宽、端口驻波和隔离度是决定其性能优劣的关键技术指标。经过天线领域科研人员数十年的潜心研究，正交模耦合器的设计技术已日臻完善，相关文献和专利也如恒河沙数。基于波导馈线低损耗和高功率容量的优点，波导形式的正交模耦合器是天线***中最常用的一种类型。目前，正交模耦合器的研究方向和热点是实现更高的频率和更宽的频带。同时，在现有设计方案和技术的基础上，通过器件结构的优化或创新，提升电气性能、降低加工难度和实现器件的免调试能力。

中国专利申请号为201710206900.5，名称为《一种Ku波段宽带正交模耦合器》的发明专利公布了一种方波导形式的宽带正交模耦合器，工作频段为10.7GHz～14.5GHz，相对带宽为30.16%。该正交模耦合器的分支波导输出端口和方矩变换段的末端输出端口均为非标波导口，端口尺寸小于BJ120和BJ140标准波导接口，在实际应用中，输出端口若需过渡扩大为标准波导口，势必增加整个器件的结构复杂程度，并且降低器件的电气性能，在接口要求标准波导端口的天线***中，难以体现该发明所述的结构紧凑，体积小巧的优点。同时，由该发明专利说明书附图（图2）所述输出端口的驻波曲线结果可知，该发明专利在10.7GHz～14.5GHz的频段内，两个端口驻波均小于1.36，当相对带宽超过31%时，驻波性能将急剧恶化，无法实现35%以上的相对带宽。

中国专利申请号为20221028502.4，名称为《一种正交模耦合器及设计方法》的发明专利公布了一种圆波导形式的Ku频段正交模耦合器。该正交模耦合器采用圆波导作为公共端口；直通的矩形端口为发射端口，工作频率13.6GHz～14.6GHz；侧臂的矩形端口为接收端口，工作频率为10.7GHz～12.8GHz。该正交模耦合器实现了在Ku频段一收一发的两端口正交耦合功能，两个矩形端口均无法同时满足10.7GHz～14.6GHz全频带的工作要求，属于窄带应用范畴。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种创新设计的Q频段宽带正交模耦合器，在相对带宽大于35.5%的工作频段内，具备结构紧凑，易于加工，无需调试，端口驻波、隔离度、插损和功率容量等电气性能良好的优点。同时，本实用新型所涉及Q频段宽带正交模耦合器可通过等比缩放，应用于其他频段。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：

一种Q频段宽带正交模耦合器，由公共方波导（1）、异形阶梯波导（2）和侧臂波导（3）构成。所述公共方波导（1）端口A为Q频段宽带正交模耦合器的信号输入端口，公共方波导（1）与端口A正对的波导端口与异形阶梯波导（2）的方波导端口连接；所述异形阶梯波导（2）由异形四阶方矩过渡波导（21）和标准BJ400矩形波导（22）组成，标准BJ400矩形波导（22）的输出端口B为Q频段宽带正交模耦合器垂直极化输出端口；所述侧臂波导（3）由第一级T形波导（31）、第二级T形波导（32）和标准BJ400矩形波导（33）组成，侧臂波导（3）通过第一级T形波导（31）安装在异形四阶方矩过渡波导（21）的上表面阶梯面上，标准BJ400矩形波导（33）输出端口C为Q频段宽带正交模耦合器水平极化输出端口。

上述结构中，公共方波导（1）端口A的边长小于标准BJ400矩形波导（22）和标准BJ400矩形波导（33）的长边尺寸。

上述结构中，异形阶梯波导（2）的输入端口为方波导端口，端口尺寸与公共方波导（1）端口A相同。异形阶梯波导（2）由上表面方向的下视图为轴对称图形。异形四阶方矩过渡波导（21）的上、下表面为阶梯结构，上表面为三级阶梯，下表面为四级阶梯，阶梯宽度等于公共方波导（1）端口A的边长。异形四阶方矩过渡波导（21）的下表面四级阶梯分别为阶梯（211）、阶梯（212）、阶梯（213）和阶梯（214）。异形四阶方矩过渡波导（21）的上表面三级阶梯分别为阶梯（215）、阶梯（216）和阶梯（217）和阶梯（214）。阶梯（211）的长度和阶梯（215）的长度相等，阶梯（211）的高度大于阶梯（215）的高度。阶梯（212）的长度和阶梯（216）的长度相等，阶梯（212）的高度大于阶梯（216）的高度。阶梯（213）和阶梯（214）的长度和等于阶梯（217）的长度。

上述结构中异形四阶方矩过渡波导（21）的阶梯（217）与阶梯（216）连接端面有一个矩形凹槽（218），矩形凹槽（218）的下表面与阶梯（216）共面，矩形凹槽（218）的左表面与阶梯（213）的左端面共面。

上述结构中，侧臂波导（3）的第一级T形波导（31）、第二级T形波导（32）和标准BJ400矩形波导（33）为依次级联结构。侧臂波导（3）的正视图均为轴对称图形。第一级T形波导（31）结构尺寸小于第二级T形波导（32）结构尺寸。第一级T形波导（31）的下层结构可以紧配合安装在异形四阶方矩过渡波导（21）的矩形凹槽（218）处。

上述结构中，公共方波导（1）、异形阶梯波导（2）和侧臂波导（3）均为空气腔，实际工程应用中，公共方波导（1）、异形阶梯波导（2）和侧臂波导（3）组成Q频段宽带正交模耦合器后，除端口A、端口B和端口C外，其他外表面边界均为金属。

上述结构中，标准BJ400矩形波导（22）和标准BJ400矩形波导（33）均为执行标准GB11450.2-89的标准矩形波导。

上述结构中，端口B和端口C的电场方向正交。

本实用新型的工作原理是：

根据正交模耦合器的工作原理可知，当信号由公共方波导（1）的公共端口A输入时，通过异形阶梯波导（2）的阶梯的短路作用和侧臂波导（3）第一级T形波导（31）的耦合作用，可以异形阶梯波导（2）的端口B和侧臂波导（3）的端口A分别输出一路垂直极化微波信号和一路水平极化微波信号，从而实现对两路正交极化信号的极化鉴别和分离。Q频段宽带正交模耦合器通过创新设计异形阶梯波导（2）中异形四阶方矩过渡波导（21）的非对称台阶和侧臂波导（3）中第一级T形波导（31）、第二级T形波导（32）两级级联结构，拓宽了正交模耦合器的工作带宽，实现了当前天线馈源设计技术领域紧凑型正交模耦合器无法实现的35.5以上的工作带宽。Q频段宽带正交模耦合器采用标准BJ400矩形波导（22）和标准BJ400矩形波导（33）作为输出端口，可以方便连接标准接口的放大器设备，方便Q频段宽带正交模耦合器应用在实际天线工程中。

本实用新型未详细说明部分属本领域技术人员的公知常识。

本实用新型与背景技术相比具有结构简单、加工方便、尺寸小、精度高、电气性能优异等优点，并且实现了35.5%的工作带宽。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的结构透视图。

图3是本实用新型的异形阶梯波导（2）的结构透视图。

图4是本实用新型的异形阶梯波导（2）的结构下视图。

图5是本实用新型的异形阶梯波导（2）的结构前视图。

图6是本实用新型的侧臂波导（3）的结构透视图。

图7是本实用新型的侧臂波导（3）的结构前视图。

图8是本实用新型的侧臂波导（3）的结构左视图。

图9是本实用新型的结构前视图。

图10是本实用新型的结构下视图。

图11是本实用新型的驻波仿真结果。

图12是本实用新型的端口隔离度仿真结果。

图13是本实用新型的插损仿真结果。

实施方式

根据上述一种Q频段宽带正交模耦合器的设计方法，设计了工作于Q频段（37GHz~53GHz）的宽带正交模耦合器，其中，公共方波导（1）端口A的尺寸为4.45mm×4.45mm。异形阶梯波导（2）和侧臂波导（3）均为执行标准GB 11450.2-89的标准BJ400矩形波导，波导口径为5.69mm×2.845mm。整个Q频段宽带正交模耦合器的长度为17mm，宽度方向最大尺寸为13mm。在微波专业仿真软件CST中对Q频段宽带正交模耦合器进行仿真，在37GHz～53GHz工作带宽内，两个输出端口驻波均优于1.15，端口隔离度大于40dB，插损小于0.3dB，满足工程应用需求。

本领域内的技术人员可以意识到，上述具体实施方式是为方便读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的具体实施例，本领域的技术人员依据本实用新型公开技术的启示所做各种不脱离本实用新型实质的各种变形或者缩放，这些变形或缩放仍在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种Q频段宽带正交模耦合器，其特征在于，由公共方波导（1）、异形阶梯波导（2）和侧臂波导（3）构成。所述公共方波导（1）端口A为Q频段宽带正交模耦合器的信号输入端口，公共方波导（1）与端口A正对的波导端口与异形阶梯波导（2）的方波导端口连接；所述异形阶梯波导（2）由异形四阶方矩过渡波导（21）和标准BJ400矩形波导（22）组成，标准BJ400矩形波导（22）的输出端口B为Q频段宽带正交模耦合器垂直极化输出端口；所述侧臂波导（3）由第一级T形波导（31）、第二级T形波导（32）和标准BJ400矩形波导（33）组成，侧臂波导（3）通过第一级T形波导（31）安装在异形四阶方矩过渡波导（21）的上表面阶梯面上，标准BJ400矩形波导（33）输出端口C为Q频段宽带正交模耦合器水平极化输出端口。

2.根据权利要求1所述的一种Q频段宽带正交模耦合器，其特征在于，异形阶梯波导（2）的输入端口为方波导端口，端口尺寸与公共方波导（1）端口A相同。异形阶梯波导（2）由上表面方向的下视图为轴对称图形。异形四阶方矩过渡波导（21）的上、下表面为阶梯结构，上表面为三级阶梯，下表面为四级阶梯，阶梯宽度等于公共方波导（1）端口A的边长。异形四阶方矩过渡波导（21）的下表面四级阶梯分别为阶梯（211）、阶梯（212）、阶梯（213）和阶梯（214）。异形四阶方矩过渡波导（21）的上表面三级阶梯分别为阶梯（215）、阶梯（216）和阶梯（217）和阶梯（214）。阶梯（211）的长度和阶梯（215）的长度相等，阶梯（211）的高度大于阶梯（215）的高度。阶梯（212）的长度和阶梯（216）的长度相等，阶梯（212）的高度大于阶梯（216）的高度。阶梯（213）和阶梯（214）的长度和等于阶梯（217）的长度。

3.根据权利要求1所述的一种Q频段宽带正交模耦合器，其特征在于，异形四阶方矩过渡波导（21）的阶梯（217）与阶梯（216）连接端面有一个矩形凹槽（218），矩形凹槽（218）的下表面与阶梯（216）共面，矩形凹槽（218）的左表面与阶梯（213）的左端面共面。

4.根据权利要求1所述的一种Q频段宽带正交模耦合器，其特征在于，侧臂波导（3）的第一级T形波导（31）、第二级T形波导（32）和标准BJ400矩形波导（33）为依次级联结构。侧臂波导（3）的正视图均为轴对称图形。第一级T形波导（31）结构尺寸小于第二级T形波导（32）结构尺寸。第一级T形波导（31）的下层结构可以紧配合安装在异形四阶方矩过渡波导（21）的矩形凹槽（218）处。

5.根据权利要求1所述的一种Q频段宽带正交模耦合器，其特征在于，公共方波导（1）、异形阶梯波导（2）和侧臂波导（3）均为空气腔，实际工程应用中，公共方波导（1）、异形阶梯波导（2）和侧臂波导（3）组成Q频段宽带正交模耦合器后，除端口A、端口B和端口C外，其他外表面边界均为金属。

6.根据权利要求1所述的一种Q频段宽带正交模耦合器，其特征在于，公共方波导（1）端口A的边长小于标准BJ400矩形波导（22）和标准BJ400矩形波导（33）的长边尺寸。

7.根据权利要求1所述的一种Q频段宽带正交模耦合器，其特征在于，标准BJ400矩形波导（22）和标准BJ400矩形波导（33）均为执行标准GB 11450.2-89的标准矩形波导。

8.根据权利要求1所述的一种Q频段宽带正交模耦合器，其特征在于，工作频带为37GHz~53GHz，相对带宽大于35.5%，也可通过等比缩放，适用于其他频段。