CN103337683B - 一种正交模耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种正交模耦合器，属于耦合器技术领域。该耦合器包括方形波导、边臂波导、阻抗调节块和直臂波导；边臂波导通过边臂耦合缝与方形波导进行电磁耦合；直臂波导通过直臂耦合缝与方形波导进行电磁耦合。本发明采用宽缝结构进行阻抗匹配，抛弃了传统正交模耦合器用于匹配的电感棒、膜片以及渐变阻抗变换段等复杂结构，结构更紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及一种正交模耦合器，特别涉及紧凑型正交模耦合器，可单独用作微波器件，也可以用于双极化阵列天线的双极化馈电网络，属于耦合器技术领域。
背景技术
在一些双极化电子系统中，通常需要正交模耦合器用于极化鉴别。特别是在大容量通信系统中，可解决频率复用问题。在同一频率上可使用极化方式不同且互相隔离的信道，这样可以容纳最大的信道数量。传统正交模耦合器通常采用电感棒、膜片以及渐变阻抗变换段等复杂结构来进行阻抗匹配，使得正交模耦合器体积大、结构复杂。在系统对空间尺寸严格限制的情况下，传统正交模耦合器的应用便受到了限制，尤其难以用于双极化阵列天线的馈电网络。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种正交模耦合器，该耦合器结构简单紧凑、易于加工、频带宽、隔离高。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种正交模耦合器，该耦合器包括方形波导、边臂波导、阻抗调节块和直臂波导；
方形波导为一截面为正方形的金属波导，方形波导的四周及底面为金属壁，其中一个侧面上开有边臂耦合缝，边臂耦合缝为矩形缝隙，缝隙厚度为0.5-1.5mm，优选1mm；方形波导的底面开有直臂耦合缝，直臂耦合缝为矩形缝隙，缝隙厚度为0.5-1.5mm，优选1mm；
阻抗调节块为一长方体金属块，阻抗调节块的底面与方形波导的底面相接，阻抗调节块的底面与方形波导的底面沿阻抗调节块突出方向的中心线重合；阻抗调节块的侧面A与方形波导的侧面A相接，方形波导的侧面A为与边臂耦合缝所在的侧面相对的面；阻抗调节块的侧面A与方形波导的侧面A沿方形波导传输方向的中心线重合；阻抗调节块的尺寸与边臂波导、直臂波导的驻波比相关；
方形波导传输方向为其正方形截面的法线方向；
边臂波导的内腔尺寸为标准波尺寸；边臂波导与方形波导的侧面相接，边臂波导的宽边方向平行于方形波导的传输方向，边臂波导的传输方向垂直于方形波导的传输方向；边臂波导通过边臂耦合缝与方形波导进行电磁耦合；
直臂波导的内腔尺寸为标准波尺寸；直臂波导与方形波导的底面相接，直臂波导的传输方向平行于方形波导的传输方向，直臂波导的的窄边方向与边臂波导的窄边方向垂直，直臂波导通过直臂耦合缝与方形波导进行电磁耦合。
所述的边臂耦合缝沿长边方向的中心线、边臂波导沿长边方向的中心线与所在方形波导侧壁在传输方向的中心线平行；
边臂耦合缝的中心与边臂波导的中心在边臂波导传输方向上的投影重合；
边臂耦合缝的缝长和缝宽由该正交模耦合器的工作频率和带宽决定；
所述的直臂耦合缝矩形截面的中心、直臂波导矩形截面的中心与方形波导正方形截面的中心在传输方向上的投影重合；
直臂耦合缝窄边方向与边臂耦合缝窄边方向垂直；
直臂耦合缝的缝长和缝宽由该正交模耦合器的工作频率和带宽决定。
所述的边臂波导沿传输方向的中心线与边臂耦合缝沿同一方向的中心线重合；
所述的直臂波导沿传输方向的中心线与直臂耦合缝沿同一方向的中心线重合。
方形波导、边臂波导和直臂波导的终端可以接法兰盘，用来和其他微波器件连接；方形波导直接与双极化天线单元连接，边臂波导和直臂波导直接与其他微波器件连接，也可以共同组成双极化阵列天线的双极化馈电网络。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明采用宽缝结构进行阻抗匹配，抛弃了传统正交模耦合器用于匹配的电感棒、膜片以及渐变阻抗变换段等复杂结构，结构更紧凑；
本发明采用宽缝耦合的方式进行极化分离，由于缝隙场的极化选择性更强，因此两个边臂波导之间的隔离度更高；
本发明采用宽缝耦合的方式进行电磁能量交换，可以在有限的传输距离内很大程度上抑制高次模，实现很高的极化纯度，因此方形波导的长度能够更短，更适于用于双极化阵列天线的馈电网络；
本发明可以分解为分层结构，采用螺钉对各层进行连接，免去了传统的焊接工艺；本发明结构简单，更易于加工。
附图说明
图1为本发明的耦合器的三维结构示意图；
图2为本发明的耦合器的三维结构侧面示意图；
图3为本发明的耦合器的局部结构示意图；
图4为本发明的两边臂波导的驻波比曲线；实线为直臂波导端口驻波曲线，虚线为边臂波导端口驻波曲线；
图5为本发明的两边臂波导的隔离度曲线。
具体实施方式
一种正交模耦合器，该耦合器包括方形波导1、边臂波导2、阻抗调节块4和直臂波导6；
方形波导1为一截面为正方形的金属波导，方形波导1的四周及底面为金属壁，其中一个侧面上开有边臂耦合缝3，边臂耦合缝3为矩形缝隙，缝隙厚度为0.5-1.5mm，优选1mm；方形波导1的底面开有直臂耦合缝5，直臂耦合缝5为矩形缝隙，缝隙厚度为0.5-1.5mm，优选1mm；
阻抗调节块4为一长方体金属块，阻抗调节块4的底面与方形波导1的底面相接，阻抗调节块4的底面与方形波导1的底面沿阻抗调节块4突出方向的中心线重合；阻抗调节块4的侧面A与方形波导1的侧面A相接，方形波导1的侧面A为与边臂耦合缝3所在的侧面相对的面；阻抗调节块4的侧面A与方形波导1的侧面A沿方形波导1传输方向的中心线重合；阻抗调节块4的尺寸与边臂波导2、直臂波导6的驻波比相关；
方形波导1传输方向为其正方形截面的法线方向；
边臂波导2的内腔尺寸为标准波尺寸；边臂波导2与方形波导1的侧面相接，边臂波导2的宽边方向平行于方形波导1的传输方向，边臂波导2的传输方向垂直于方形波导1的传输方向；边臂波导2通过边臂耦合缝3与方形波导1进行电磁耦合；
直臂波导6的内腔尺寸为标准波尺寸；直臂波导6与方形波导1的底面相接，直臂波导6的传输方向平行于方形波导1的传输方向，直臂波导6的的窄边方向与边臂波导2的窄边方向垂直，直臂波导6通过直臂耦合缝5与方形波导1进行电磁耦合。
所述的边臂耦合缝3沿长边方向的中心线、边臂波导2沿长边方向的中心线与所在方形波导1侧壁在传输方向的中心线平行；
边臂耦合缝3的中心与边臂波导2的中心在边臂波导2传输方向上的投影重合；
边臂耦合缝3的缝长和缝宽由该正交模耦合器的工作频率和带宽决定；
所述的直臂耦合缝5矩形截面的中心、直臂波导6矩形截面的中心与方形波导1正方形截面的中心在传输方向上的投影重合；
直臂耦合缝5窄边方向与边臂耦合缝3窄边方向垂直；
直臂耦合缝5的缝长和缝宽由该正交模耦合器的工作频率和带宽决定。
所述的边臂波导2沿传输方向的中心线与边臂耦合缝3沿同一方向的中心线重合；
所述的直臂波导6沿传输方向的中心线与直臂耦合缝5沿同一方向的中心线重合。
方形波导1、边臂波导2和直臂波导6的终端可以接法兰盘，用来和其他微波器件连接；方形波导1直接与双极化天线单元连接，边臂波导2和直臂波导6直接与其他微波器件连接，也可以共同组成双极化阵列天线的双极化馈电网络。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1、图2和图3所示，紧凑型正交模耦合器包括方形波导1、边臂波导2、边臂耦合缝3、阻抗调节块4、直臂耦合缝5及直臂波导6。
方形波导1为一截面为正方形的金属波导，截面尺寸应保证方形波导1在工作频段仅传输主模。
方形波导1一侧的金属壁上和底面分别开有两个矩形缝隙：边臂耦合缝3和直臂耦合缝5。两个耦合缝的缝厚度通常为1mm。基于分层结构和机铣工艺，方形波导1和直臂耦合缝5可以导圆角。
阻抗调节块4为一长方体金属块，位于方形波导1底面边臂耦合缝3对面一侧。阻抗调节块4的尺寸与边臂波导2和直臂波导6的驻波特性相关。为了机铣加工方便，阻抗调节块4和方形波导1相交处的拐角可以导圆角。
边臂波导2和直臂波导6分别与方形波导1的侧壁和底面相接，两者波导内腔尺寸为标准波尺寸，根据正交模耦合器的工作频段确定。基于分层结构和机铣工艺，直臂波导6可以导圆角。
方形波导1、边臂波导2和直臂波导6的终端可以接法兰盘，用来和其他微波器件连接。方形波导1直接与双极化天线单元连接，边臂波导2和直臂波导6直接与其他微波器件连接，也可以共同组成双极化阵列天线的双极化馈电网络。
本发明紧凑型正交模耦合器的工作原理如下：
紧凑型正交模耦合器表现为三个物理端口，即方形波导1端口、边臂波导2端口和直臂波导6端口。但在电气上是四端口器件。方形波导1端口为公共端口，边臂波导2端口和直臂波导6端口为两个分支端口。由于方形波导1可以传输电场方向空间正交的两个正交主模式：TE10模和TE01模，所以方形波导1提供了两个电气端口，分别分配给两个正种模式。其余两个端口由标准波导组成，只传输各自的主模。
紧凑型正交模耦合器可鉴别方形波导1端口上两个正交主模式，并将它们提供给边臂波导2端口和直臂波导6端口的主模，使所有端口匹配且在两个端口信号之间有很高的极化鉴别能力。
位于方形波导1端口的主模TE10经过边臂耦合缝3进行极化过滤后，馈给边臂波导2端口。正交主模TE01在边臂耦合缝3中消失，被耦合或反射到直臂波导6端口中去。
位于方形波导1端口的主模TE01经过直臂耦合缝5进行极化过滤后，馈给直臂波导6端口。正交主模TE10在直臂耦合缝5中消失，被耦合或反射到边臂波导2端口中去。
Ku频段的紧凑型正交模耦合器，其电压驻波比随频率变化曲线如图4所示，隔离度如图5所示。该正交模耦合器相关尺寸为：方形波导1内腔正方形截面边长为14.5mm，内腔高度为1mm，圆角半径为1.5mm；边臂波导2为标准BJ140波导，内腔长边为15.8mm，短边为7.9mm。边臂耦合缝3缝长为11.6mm，缝宽为2.7mm，缝厚度为1mm；阻抗调节块4高为6mm，长为3.5mm，宽为2.5mm。其中高度方向为方形波导传输方向，长度方向为直臂耦合缝5的长边方向，宽度方向为直臂耦合缝5的短边方向；直臂耦合缝5缝长为11.6mm，缝宽为3.5mm，缝厚度为1mm；直臂波导6为标准BJ140波导，内腔长边为15.8mm，短边为7.9mm。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种正交模耦合器，其特征在于：该耦合器包括方形波导(1)、边臂波导(2)、阻抗调节块(4)和直臂波导(6)；
方形波导(1)为一截面为正方形的金属波导，方形波导(1)的四周及底面为金属壁，其中一个侧面上开有边臂耦合缝(3)，边臂耦合缝(3)为矩形缝隙，方形波导(1)的底面开有直臂耦合缝(5)，直臂耦合缝(5)为矩形缝隙；
阻抗调节块(4)为一长方体金属块，阻抗调节块(4)的底面与方形波导(1)的底面相接，阻抗调节块(4)的底面与方形波导(1)的底面沿与阻抗调节块(4)突出方向的中心线平行的方向重合；阻抗调节块(4)的侧面与方形波导(1)的侧面相接，方形波导(1)的上述侧面为与边臂耦合缝(3)所在的侧面相对的面；阻抗调节块(4)的上述侧面与方形波导(1)的上述侧面沿与方形波导(1)传输方向的中心线平行的方向重合；
边臂波导(2)与方形波导(1)的侧面相接，边臂波导(2)的宽边方向平行于方形波导(1)的传输方向，边臂波导(2)的传输方向垂直于方形波导(1)的传输方向；边臂波导(2)通过边臂耦合缝(3)与方形波导(1)进行电磁耦合；
直臂波导(6)与方形波导(1)的底面相接，直臂波导(6)的传输方向平行于方形波导(1)的传输方向，直臂波导(6)的窄边方向与边臂波导(2)的窄边方向垂直，直臂波导(6)通过直臂耦合缝(5)与方形波导(1)进行电磁耦合。
2.根据权利要求1所述的一种正交模耦合器，其特征在于：边臂耦合缝(3)的缝隙厚度为1mm。
3.根据权利要求1所述的一种正交模耦合器，其特征在于：直臂耦合缝(5)的缝隙厚度为1mm。
4.根据权利要求1所述的一种正交模耦合器，其特征在于：边臂耦合缝(3)沿长边方向的中心线、边臂波导(2)沿长边方向的中心线与所在方形波导(1)侧壁在方形波导(1)的传输方向的中心线平行。
5.根据权利要求1所述的一种正交模耦合器，其特征在于：边臂耦合缝(3)的中心与边臂波导(2)的中心在边臂波导(2)传输方向上的投影重合。
6.根据权利要求1所述的一种正交模耦合器，其特征在于：直臂耦合缝(5)矩形截面的中心、直臂波导(6)矩形截面的中心与方形波导(1)正方形截面的中心在方形波导(1)的传输方向上的投影重合。
7.根据权利要求1所述的一种正交模耦合器，其特征在于：直臂耦合缝(5)窄边方向与边臂耦合缝(3)窄边方向垂直。
8.根据权利要求1所述的一种正交模耦合器，其特征在于：边臂波导(2)沿边臂波导(2)传输方向的中心线与边臂耦合缝(3)沿同一方向的中心线重合。
9.根据权利要求1所述的一种正交模耦合器，其特征在于：直臂波导(6)沿直臂波导(6)传输方向的中心线与直臂耦合缝(5)沿同一方向的中心线重合。
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