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CN111864316B - 一种波导极化转换装置 - Google Patents

一种波导极化转换装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种波导极化转换装置，属于通信技术领域。该装置包括波导腔体以及位于波导腔体内的微波介质板；波导腔体为方波导、扁波导和矩形波导依次连接构成；微波介质板位于波导腔体内，微波介质板平行于波导腔体的延伸方向。本发明具有结构紧凑，简单，尺寸小的特点；并且具90°相移带宽为22％，可满足大部分地球站的对天馈网络的技术要求。

Description

一种波导极化转换装置
技术领域
本发明涉及到通信技术领域，特别涉及一种波导极化转换装置。
背景技术
目前，在卫星通信领域通信的频谱越来越宽，对射频终端的要求也越来越高，这就需要天线的工作带宽也逐渐拓宽。而波导极化转换装置作为为圆极化卫星通信天线网络系统中的一个主要部件越来越受到广大工程技术人员、资深专家和相关学者的重视，其性能的优良程度直接影响卫星通信的质量。
现阶段波导圆极化器主要有以下几种形式：
1、隔板圆极化器件：该形式极化器为一款经典的波导波导极化转换装置，其特点是带宽20％左右，实现左、右旋向同时工作，但其存在的问题是相对尺寸较大，需10个波长的纵向长度，在小口径反射面馈电网络系统中，受到空间安装限制，无法满足使用要求。
2、介质片圆极化器：该形式圆极化器件在方波导或圆波导中插入一介质片，结构紧凑，功率容量适中，其缺点是受其工作原理限制其圆极化轴比带宽有限，无法满足大多数标准卫星通信频谱带宽。
3、波纹圆极化器：该形式圆极化器可实现宽频带性能，通过在方波导(圆波导)加载阶梯波纹，在1.5个倍频内实现宽频带移相值，从而实现宽频带内高性能圆极化辐射，但其结构尺寸庞大、笨重，小口径天线面不易安装。
4、加脊波纹结构圆极化器：该形式与波纹圆极化器性能类似，通过加脊波导内加载阶梯波纹，在2个倍频内实现宽频带移相接，从而实现宽频带内高性能圆极化辐射，但其结构同样尺寸庞大、笨重，不适用于在安装小口径反射面天线微波网络系统中。
以上几种波导极化器各有优缺点，虽个别指标特性较优，它们的共性缺陷是尺寸较大，结构笨重，无法满足小口径反射天线的安装要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种波导极化转换装置。其具有小型化、带宽宽、结构紧凑、低成本的特点。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种波导极化转换装置，包括波导腔体以及位于波导腔体内的微波介质板；所述波导腔体为方波导、扁波导和矩形波导依次连接构成；所述微波介质板与扁波导平行，其位于方波导内并延伸至扁波导。
进一步的，所述扁波导的内壁截面为长方形，内壁长边尺寸与方波导内壁尺寸相同；在扁波导内的中央位置还设有薄片隔板，薄片隔板将扁波导末端分为上、下两个腔。
进一步的，所述薄片隔板的端部设有用于夹持微波介质板的卡槽，所述卡槽的一侧壁设置有矩形开口；所述微波介质板位于卡槽内，并设有与矩形开口重合的矩形缝隙。
进一步的，所述矩形波导连接扁波导具有矩形开口的腔，扁波导的另一腔末端为短路结构；矩形波导的内腔长边尺寸与扁波导内腔的长边尺寸相同，其高的尺寸和扁波导具有矩形开口的腔的高的尺寸相同并均为对应工作频段的标准波导宽边尺寸。
进一步的，所述微波介质板的表面设有金属敷铜图形；所述金属敷铜图形包括金属地、辐射振子和引向单元。
进一步的，所述金属地包括两幅，分别位于微波介质板的两表面，并关于微波介质板镜像对称；每幅金属地的部分外端结构均位于卡槽内，金属地的两边沿位置分别设有与方波导延伸方向相同的一排金属过孔，所述金属过孔连接微波介质板两表面的金属地。
进一步的，所述辐射振子包括两幅，并分别位于微波介质板的两表面，两幅辐射振子关于微波介质板镜像对称。
进一步的，所述的引向单元包括三个，按尺寸从小到大排序为第一圆形贴片引向单元、第二圆形贴片引向单元以及第三圆形贴片引向单元，所述引向单元的圆心在微波介质板表面几何中心线上，且与方波导延伸方向相同；所述引向单元均在微波介质板的同一表面，且位于辐射振子的顶端，从上到下依次为第一圆形贴片引向单元、第二圆形贴片引向单元、第三圆形贴片引向单元。
进一步的，所述辐射振子包括辐射振子臂和T型带线匹配支节，所述金属地的内端中心位置设置有T型豁口，T型豁口内均设置相同的T型带线匹配支节，两个T型带线匹配支节通过平行双线延伸至各自对应的辐射振子臂。
进一步的，所述辐射振子臂与其对应的平行双线的夹角为60°。
本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
1、本发明具有结构紧凑，简单，尺寸小的特点。
2、本发明波导极化转换装置具90°相移带宽为22％，可满足大部分地球站的对天馈网络的技术要求。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是图1的结构爆炸图。
图3是图1中扁波导的内部部分结构示意图。
图4是图1中微波介质板的上表面示意图。
图5是图1中微波介质板的下表面示意图。
图中：1、微波介质板，2、波导腔体，3、方波导，4、扁波导，5、矩形波导，6、矩形开口，7、卡槽，8、薄片隔板，9、第一圆形贴片引向单元，10、第二圆形贴片引向单元，11、第三圆形贴片引向单元，12、平行双线，13、T型带线匹配支节，14、辐射振子臂，15、T型豁口，16、矩形缝隙，17、金属过孔，18、金属地。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
一种波导极化转换装置，包括波导腔体以及位于波导腔体内的微波介质板；所述波导腔体为方波导、扁波导和矩形波导依次连接构成；所述微波介质板平行于波导腔体其中一壁面。
进一步的，所述扁波导的内壁截面为长方形，内壁长边尺寸与方波导内壁尺寸相同；在扁波导内的中央位置还设有薄片隔板，薄片隔板将扁波导分为两个腔。
进一步的，所述薄片隔板的端部设有用于夹持微波介质板的卡槽，所述卡槽的一侧壁设置有矩形开口；所述微波介质板位于卡槽内，并设有与矩形开口重合的矩形缝隙。
进一步的，所述矩形波导和矩形开口位于薄片隔板的同一侧，矩形波导的内壁长边尺寸与扁波导内壁的长边尺寸相同，宽边尺寸为对应工作频段的标准波导宽边尺寸；扁波导的末端为短路设置，短路的位置与扁波导和矩形波导交接的位置关于薄片隔板对称。进一步的，所述微波介质板的表面设有金属敷铜图形；所述金属敷铜图形包括金属地、辐射振子和引向单元。
进一步的，所述金属地包括两幅，分别位于微波介质板的两表面，并关于微波介质板镜像对称；每幅金属地的部分外端结构均位于卡槽内，金属地的两边沿位置分别设有与方波导延伸方向相同的一排金属过孔，所述金属过孔连接微波介质板两表面的金属地。
进一步的，所述辐射振子包括两幅，并分别位于微波介质板的两表面，两幅辐射振子关于微波介质板镜像对称。
进一步的，所述的引向单元包括三个，按尺寸从小到大排序为第一圆形贴片引向单元、第二圆形贴片引向单元以及第三圆形贴片引向单元，所述引向单元的圆心在微波介质板表面几何中心线上，且与方波导延伸方向相同；所述引向单元均在微波介质板的同一表面，且位于辐射振子的顶端，从上到下依次为第一圆形贴片引向单元、第二圆形贴片引向单元、第三圆形贴片引向单元。
进一步的，所述辐射振子包括辐射振子臂和T型带线匹配支节，所述金属地的内端中心位置设置有T型豁口，T型豁口内均设置相同的T型带线匹配支节，两个T型带线匹配支节通过平行双线延伸至各自对应的辐射振子臂。
进一步的，所述辐射振子臂与其对应的平行双线的夹角为60°。
下面为一更具体的实施例：
如图1～5所示，本实施例包括波导腔体2和微波介质板1组成，微波介质板嵌入在波导腔体内部，波导腔体的一端为矩形波导端口，其为设备网络接口；另一端为方波导端口，其为天线馈源接口。
具体地，波导腔体主要分为三个部分，分别是方波导3，扁波导4，矩形波导5，采用数控铣床加工工艺实现三段为一体化结构。
方波导一端为馈源接口，与馈源相连，另一端与扁波导相连，其内腔截面为正方型，边长满足传输信号主模的边界条件，长度约为1.25λ0，长度取决月内部设置的微波印制板的长度，通常其方波导端口的位置超过微波介质板的延伸的终端位置的长度为0.03λ0，其中的λ0为天线工作中心频率对应的波长。
所述方波导的结构尺寸可实现主模传输，波导内腔截面为正方形，一侧端口与馈源相接，另一侧端口与扁波导的一侧端口相连。
扁波导与方波导终端相连，其内壁截面为长方形，内壁长边尺寸与方波导内壁尺寸一致，宽边尺寸小于长边尺寸为0.35λ0，长边尺寸为0.625λ0。
薄片隔板8设置在扁波导腔体内，隔板的厚度为3mm，薄片隔板设置在扁波导的几何中心的位置，将扁波导分割为上、下两部分空间，左、右两部分空间关于隔板镜像对称，为了防止信号泄露，上半空间的末端为短路设置；在下半空间与短路面位置关于薄片隔板镜像的位置为矩形波导接口位置。
在薄片隔板的延伸端设置有卡槽7，其宽度为1mm，与微波介质板厚度一致，在卡槽的下(与矩形波导同侧)侧壁上设置有矩形开口6，其呈长条状延伸方向与矩形波导长边平行，其几何中心点在薄片隔板左侧表面的几何中心线上。
波导内设置有微波介质板，其前端指向方波导的口部位置，后端夹在卡槽内，金属地设置微波介质板的后端，表面涂有导电胶使其和卡槽紧密电接触，实现可靠固定。
微波介质板长边延伸方向与波导走线延伸方向一致，微波介质板窄边与方波导侧壁垂直，其几何中心线与方波导内腔的几何中心线重合。微波印制板两面设置有金属敷铜图形，金属敷铜图形主要构成包括金属地，辐射振子以及三个圆形贴片引向单元。
其中，金属地18部分结构插入扁波导隔板的卡槽内，一方面固定微波印制板体，另一方面和波导整体实现共地。
进一步地，金属地的两边沿各设置有一排金属过孔17，排列方向为波导延伸方向，其作用是实现导通微波介质板两侧的金属地，过孔间隙小于8mm，孔径为3mm，数量覆盖金属地的纵向长度。
在距离金属地底部L5＝0.08λ0的位置设置有长度为0.32λ0的矩形缝隙16，其呈长方形结构，缝隙宽度为1mm。
进一步地，微波介质板介质面两侧金属地敷铜延伸末端中心位置有两个完全一致的T型豁口，两T型豁口内部均设置有完全一样的T型带线匹配支节，T型带线匹配支节通过平行双线延伸至一对辐射振子4。
辐射振子臂14关于微波印制板几何中心线镜像对称，两辐射振子臂14分置于印制板两面,辐射振子臂为倾斜设置，与平行双线夹角为θ＝60°，振子臂长度L4＝0.225λ0，振子臂宽度W＝0.025λ0。
分置于微波印制板两面的平行双线12馈接于辐射振子臂14与T型带线匹配支节之间,平行双线阻抗满足频带内80Ω～110Ω范围内，长度L4＝0.21λ0。
T型带线匹配枝节13设置在金属地上的T型豁口15内，豁口区域包围T型带线匹配枝节，并且二者之间留有间隙。
在辐射振子臂的顶端，依次设置有三个圆形贴片引向单元，分别是第一圆形贴片引向单元9、第二圆形贴片引向单元10和第三圆形贴片引向单元11，直径分别为0.1λ0，0.12λ0，0.15λ0。
进一步地，三个圆形贴片引向单元圆心与微波介质板表面几何中心线共线，且与波导延伸方向一致，三者之间留有一定间隙，第一圆形贴片引向单元与辐射振子臂的顶端的间隙为0.011λ0，第一圆形贴片引向单元和第二圆形贴片引向单元的中心距为0.32λ0，第二圆形引向单元和第三圆形贴片引向单元的中心距为0.29λ0。
三个圆形贴片引向单元与辐射振子臂位于位于微波印制板同侧。
微波介质板板厚为1mm，此数值仅限于工作频段在18GHz以下，当频率高与18GHz时，微波介质板可根据仿真计算选择合适厚度。
本实施例主要其包括波导腔体、微波介质板两个主要部件，波导腔体两端设置有法兰接口，分别于馈源，设备网络实现机械安装，其结构紧凑，与传统极化器比较大大实现小了小型化设计，内腔长度仅为5λ0左右，优势明显。
该极化转换装置的的工作原理如下：当发射信号进入矩形波导口时，在矩形波导内激励其垂直于长边的电场适量的TE01模式电磁场波，该电磁波在扁波导中激励矩形开口，并通过设置在微波印制板金属地上的矩形缝隙在金属地和两侧过孔构成的近似介质表面集成波导(SIW)中激励起震荡的慢波，经由金属地末端的T型带线匹配枝节耦合、经过平行双线传递给振子臂，再由圆形引向贴片单元对电场进一步加强；另一方面，扁波导中另一部分电场能量通过方波导馈线到达方波导端口，与印制板上的能量比较二者电场矢量正交，具有90°相差，且二者信号为同一信源发出，在方波导口处实现电场矢量叠加，实现电场矢量分布为旋转场，这样通过馈源辐射出去，实现圆极化波辐射。
需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的示例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。
此外，出于简化叙述的目的，本专利也可能没有列举一些寻常的具体实施方案，这些方案是本领域普通技术人员在理解了本专利技术方案后能够自然而然想到的，显然，这些方案也应包含在本专利的保护范围之内。
出于简化叙述的目的，上述各具体实施方式对于技术细节的公开程度可能仅仅达到本领域技术人员可以自行决断的程度，即，对于上述具体实施方式没有公开的技术细节，本领域普通技术人员完全可以在不付出任何创造性劳动的情况下，在本专利技术方案的充分提示下，借助于教科书、工具书、论文、专利、音像制品等等已公开文献予以完成，或者，这些细节是在本领域普通技术人员的通常理解下，可以根据实际情况自行作出决定的内容。可见，即使不公开这些技术细节，也不会对本专利技术方案的公开充分性造成影响。
总之，在结合了本专利说明书对权利要求书保护范围的解释作用的基础上，任何落入本专利权利要求书涵盖范围的具体实施方案，均在本专利的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种波导极化转换装置，其特征在于，包括波导腔体以及位于波导腔体内的微波介质板（1）；所述波导腔体（2）为方波导（3）、扁波导（4）和矩形波导（5）依次连接构成；所述微波介质板与扁波导平行，其位于方波导内并延伸至扁波导；
所述扁波导的内腔截面为长方形，内腔长边尺寸与方波导内腔边长尺寸相同；在扁波导内的中央位置还设有薄片隔板（8），薄片隔板将扁波导末端分为上、下两个腔；
所述薄片隔板的前端设有用于夹持微波介质板的卡槽（7），所述卡槽的一侧壁设置有矩形开口（6）；所述微波介质板末端位于卡槽内，并设有与矩形开口重合的矩形缝隙（16）；
所述微波介质板的表面设有金属敷铜图形；所述金属敷铜图形包括金属地、辐射振子和引向单元；所述金属地包括两幅，分别位于微波介质板的两表面，并关于微波介质板镜像对称；每幅金属地的部分外端结构均位于卡槽内，金属地的两边沿位置分别设有与方波导延伸方向相同的一排金属过孔（17），所述金属过孔连接微波介质板两表面的金属地（18）；所述辐射振子包括两幅，并分别位于微波介质板的两表面，两幅辐射振子关于微波介质板镜像对称；所述的引向单元包括三个，按尺寸从小到大排序为第一圆形贴片引向单元（9）、第二圆形贴片引向单元（10）以及第三圆形贴片引向单元（11），所述引向单元的圆心在微波介质板表面几何中心线上，且与方波导延伸方向相同；所述引向单元均在微波介质板的同一表面，且位于辐射振子的顶端，从上到下依次为第一圆形贴片引向单元、第二圆形贴片引向单元、第三圆形贴片引向单元；所述辐射振子包括辐射振子臂和T型带线匹配支节（13），所述金属地的内端中心位置设置有T型豁口（15），T型豁口内均设置相同的T型带线匹配支节，两个T型带线匹配支节通过平行双线（12）延伸至各自对应的辐射振子臂（14）；所述辐射振子臂与其对应的平行双线的夹角为60°。
2.根据权利要求1所述的一种波导极化转换装置，其特征在于，所述矩形波导连接扁波导具有矩形开口的腔，扁波导的另一腔末端为短路结构；矩形波导的内腔长边尺寸与扁波导内腔的长边尺寸相同，其高的尺寸和扁波导具有矩形开口的腔的高的尺寸相同并均为对应工作频段的标准波导宽边尺寸。
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