波導頻帶/偏振分路器的製作方法
2023-06-15 13:30:21 4
專利名稱：波導頻帶/偏振分路器的製作方法
技術領域：
本發明涉及到一種波導頻帶/偏振分路器。特別是，本發明涉及到一種線性偏振分路器，它包括波導濾波功能以分離發射波和接收波。
背景技術：
雙路衛星傳輸使用不同的發射和接收頻帶。使用不同的發射和接收偏振是已知的。此外，當分配頻帶時，為了滿足高頻和偏振分離限制，使用波導技術已是公知的。到目前為止，這種類型的裝置還沒有被大規模生產，各個部件生產相對昂貴。
現在，還沒有可以低成本大規模生產的緊湊的高性能分路器。
發明內容
本發明提出一種偏振/頻率分路器的最優化的方案，生產後不需要調整並且可以完全通過模製生產。
本發明是一個包括各種部件的偏振波分路器。至少一個公共波導具有一個適合讓至少兩種不同偏振傳播的截面，公共波導具有第一和第二端，第一端構成公共輸入/輸出。第一狹槽被設置在公共波導的第二端，第一狹槽讓具有第一種偏振的波傳播。第二狹槽被設置在公共波導的側向部分，第二狹槽讓具有第二種偏振的波傳播。第一過渡區在波導橫截面上提供了一個變化。第二過渡區在波導橫截面上提供了一個變化。第一波導濾波器具有第一端，它經由第一過渡區連接到第一狹槽；和第二端，它構成第一單獨的輸入/輸出。第二波導濾波器具有第一端，它經由第二過渡區連接到第二狹槽；和第二端，它構成第二單獨的輸入/輸出。各種部件的整體尺寸是這樣的，在發射頻帶內和在接收頻帶內，一方面在公共輸入/輸出和第一單獨輸入/輸出之間，另一方面在公共輸入/輸出和第二單獨輸入/輸出之間，所測量的分路器的傳遞特性，好於由構成分路器的各部件在所述頻帶內的特性總和所帶來的特性。
在閱讀隨後的描述時，本發明將被更清楚地理解，其他特徵和優點也將變得顯而易見，描述將參考附圖給出，其中圖1顯示了根據本發明的分路器的框圖；和圖2-5顯示了構成本發明的分路器的四個部件。
具體實施例方式
圖1顯示了根據本發明的分路器的框圖。分路器包括一個與波導天線部件連接的公共埠(或公共輸入/輸出)，例如一個角，並包括兩個單獨的埠(或單獨的輸入/輸出)，一方面連接到一個發射電路，另一方面連接到一個接收電路。圖1中標明的箭頭目的僅僅在於，在給定發射或接收配置中指出波行進的方向。假定發射和接收電路(和頻帶)被顛倒，箭頭的方向也可以反轉而分路器不用任何其他的修改。連接著公共埠的偏振分路器1將來自天線的波分離為具有兩種不同偏振的兩組波，在這個例子中，被分離為兩種線性的和相互垂直的偏振。第一過渡區2連接到偏振分路器1，以發射(或接收)來自第一濾波器3第一端的具有第一種偏振的波。濾波器3的第二端構成第一單獨的埠。第二過渡區4連接到偏振分路器1，以接收(或發射)具有第二種偏振的波並將它們傳輸到第二濾波器5的第一端。第二濾波器5的第二端構成第二單獨的埠。
使用這種類型裝置的一種傳統方法包括單獨選擇和確定各種部件的尺寸，利用一個恆定截面且長度至少為λg/2的波導部分將它們連接一起，其中λg為特定于波導的波長，這樣各種部件不會相互幹涉。因此，整個組合件的傳遞特性稍微次於單獨選用各個部件的特性總和。「總和」應該被理解為意味著特性的結合，它不是一個數學總和而是矩陣積(product of matrices)的結果。因此，各種部件必須單獨地具有非常高的性能，這樣才能產生與想要性能相符的組合件。
根據本發明，確定各種部件的尺寸的方法以一種整體的方式進行。首先，要根據特性定義想要的性能等級。例如，想要生產一種分路器，它在發射模式運行在29.5和30GHz之間的頻帶，在接收模式運行在19.7和20.2GHz之間的頻帶。理想的是，各個埠具有的反射係數小於-30dB，在公共埠和具有第一種偏振的第一單獨埠之間且在發射頻帶中的傳輸因數係數大於-0.8dB，在公共埠和具有第二種偏振的第二單獨埠之間和在接收頻帶中的傳輸因數係數大於-0.8dB，在公共埠和具有第一種偏振的第二單獨埠之間和在發射頻帶中的傳輸因數係數小於-30dB，在公共埠和具有第二種偏振的第一單獨埠之間和在接收頻帶中的傳輸因數係數小於-30dB，在第一單獨埠和第二單獨埠之間，無論怎樣的偏振，傳輸因數係數小於-60dB。
接下來，基於現有技術進行技術選擇。偏振分路器1是，例如，一個具有一個側面狹槽並且在一端具有一個狹槽的正方形截面的波導。從現有技術可知，狹槽的使用需要阻抗匹配，利用產生波導/波導過渡區2和4的臺階可以實現它。濾波器3和5例如是具有利用波導E平面短軸(E-pane stub)產生的極的波導濾波器。
優化是從一個原理開始的，即可以引入與各種部件相關的電容或電感型的寄生諧振以有利地與偏振分路器交互作用。因此，優化允許了製造材料的節約，因為用於連接的短軸變得不必要了。
優化的開始點與標準的確定尺寸操作是相對應的。偏振分路器1形成為一個根據技術規則利用空隙耦合的正方形波導並且以有可能最佳的性能精確地覆蓋了Tx(發射)和Rx(接收)頻帶。
圖2顯示了一種偏振分路器的透視圖(圖2a)，和兩個不同角度的兩個側視圖(圖2b和2c)。為了圖2和以下各圖的易讀性，僅僅顯示各部件的活動壁(active wall)。然而，圖2和其他圖對應於由優化產生的各部件，當我們繼續時，將解釋一些細節。
偏振分路器1是一個具有側面C的正方形截面的短軸，它的一端10構成公共埠，另一端被封閉並由一個長度af1、寬度bf1、厚度ef1的狹槽11刺穿。第二狹槽12被放置在短軸的一側，距短軸被封閉端的距離為dcc處，使得波導在用於導波波長的狹槽中心處終止於短路。第二狹槽12的長度為af2、寬度為bf2、厚度為ef2。狹槽與端部10隔開的波導長度為LG。
正方形波導尺寸的選擇依賴於Rx頻帶中的截止頻率——對基諧模傳播是必要的——並依賴於Tx頻帶中的高階模的數量。另外，有必要在導波波長中含有最小可能的變化，這使得在頻帶內的匹配更容易。後一種情況意味著選取一個波導，它的尺寸比Rx頻帶截止處的波導尺寸大約大20％。
在本例中，具有7.7mm大側面的波導給出的截止頻率為19.5GHz；因為TE20模具有的截止頻率為30GHz，所以選擇的尺寸至少大20％，但是小於10mm。因此我們的選擇為C＝9.6mm。
狹槽的尺寸是這樣af＞λm/2，af/bf＞a/b，並且bf非常小，λm是被傳輸頻帶的平均波長，af是狹槽的長度，bf是狹槽的寬度，a和b分別代表所關注的頻帶內的標準波導的長度和寬度，這樣僅僅基諧模TE10可以傳播。這樣一個狹槽在諧振時的等效電路被並聯的LC等效電路給出。通過逐漸增加bf，諧振條件意味著af必須同時增加。因此，從狹槽的已知等效電路圖表中，C減小，L增加，從而產生諧振狹槽的品質因數Q(Q與C/L的平方根成比例)並因此它的帶寬增加。這個帶寬的增加有損於匹配。
狹槽的厚度理論上必須儘可能的小以具有最佳的耦合，然而從機械觀點看，它必須至少為波導的厚度。因此，狹槽的厚度被選擇為ef1＝ef2＝0.5mm。狹槽的厚度對耦合選擇性有影響；這是因為行為(behaviour)不再是單獨的諧振而傳播效果開始形成。這馬上減少了選擇性。根據技術規則執行的尺寸確定操作給出的結果為af1＝4.77mmbf1＝1.96mmaf2＝7.5mm bf2＝0.66mmLG＝λg＝15mm dcc＝λg/4＝3.75mm。
它的一個原因是為了改善匹配，有必要在四分之一波長臺階中使用過渡區。
這些過渡區利用已知的四分之一波長匹配技術來確定尺寸，這些技術例如由Borneman在「天線饋電系統的波導部件理論和CAD」中指出的。
根據第一狹槽11，第一過渡區2有一個臺階，根據第二狹槽12，第二過渡區4有兩個臺階。
在接下來的優化期間，在第一狹槽有單個臺階的事實使得將第一狹槽11與第一過渡區2的波導橫截面合併成為可能，這個過渡區2被分布在對應於偏振分路器1的部件和對應於第一濾波器3的部件上。接地平面13增加在第一狹槽11的末端，以在與它接觸的第一濾波器的短軸處產生臺階。然而，根據初始數據，使用了一個過渡區，它包括橫截面為5.5mm×1.47mm長度為6mm的第一短軸和橫截面為6.6mm×2.29mm長度為3.83mm的一個短軸。
第二過渡區包括三個短軸，其中兩個如圖3所示，第三個短軸與第二濾波器5的短軸合併了。圖3a顯示了第二過渡區4部件的透視圖，圖3b、3c和3d以三個側視圖顯示了相同的部件。第一短軸14與偏振分路器1接觸。第一短軸14具有一個長邊為at1、短邊為bt1和波導長度為Lt1的矩形截面。第二短軸15跟在第一短軸14後面。第二短軸15具有一個長邊為at2、短邊為bt2和波導長度為Lt2的矩形截面。第三個短軸16形成在第二濾波器5上，接地平面17在部件上提供連續性，如圖3所示。第三個短軸16具有一個長邊為at3、短邊為bt3和波導長度為Lt3的矩形截面at1＝7.9mm bt1＝2.55mmLt1＝11.9mmat2＝8.59mmbt2＝3.14mmLt2＝7.8mmat3＝9.28mmbt3＝3.72mmLt3＝6.36mm然而，狹槽有助於整體匹配，因此它們必須根據與它並列的四分之一波長過渡區進行修改。包括偏振分路器1和過渡區2和4的整個系統的全面模擬得以完成。接下來，各狹槽和臺階的尺寸被調整以將測量的特性還原到和想要的特性一致。模擬和調整重複進行直到得到可接受的結果。
分路器展示出很好的性能，但是不能通過其本身確保Tx和Rx頻帶之間的很好的排斥。濾波器設計用來增加一個衰減，它允許得到想要的特徵。
在說明性的例子中，選擇了波導濾波器，它具有由短軸形成的極。濾波器綜合利用了由Borneman在「天線饋電系統的波導部件理論和CAD」中描述的方法。
第二濾波器5在圖4中示出，圖4a顯示了一幅透視圖，圖4b顯示了一幅側視圖。第二濾波器5有兩個端部16和18，它對應於讓Rx頻帶傳播的波導；如上所述，其中一個端部構成了第二過渡區4的第三個短軸16。為了達到所需的性能等級，選擇了一個三極濾波器，它通過放置在中心波導23上的第一到第三個E面短軸20到22製造。中心波導由兩個膜片(irises)24和25連接到兩端。
優選地，濾波器製造成關於濾波器中心軸26對稱的，以將它形成為兩個相同的模製的半殼。為了更容易地將濾器的半殼安裝在一起和更容易地將濾波器安裝到頻率/偏振分路器中，製造了關於中間面27對稱的濾波器。因此，安裝方向不需要考慮——膜片24和25是相同的並且第一和第三個短軸20和22也是相同的。
濾波器的寬度at3在整個長度上保持不變。構成濾波器的各種部件因此定義如下——第一和第三個短軸20和22的長度為Ltg1，高度為htg1；——第二短軸21的長度為Ltg2，高度為htg2；——中心波導的高度為hgc，短軸之間的間距對應於一個長度Ls；和——膜片24和25的高度為hi，高度為Li。
根據現有技術執行確定尺寸操作，以具有例如下面的開始尺寸Ltg1＝0.96mm htg1＝7.34mmLtg2＝0.55mm htg2＝6.49mmhgc＝1.45mmLs＝2.95mmhi＝1.03mm Li＝0.63mm第一濾波器3在圖5中示出，圖5a顯示了透視圖，圖5b顯示了側視圖。第一濾波器3具有兩個端部30和31，對應於讓Tx頻帶傳播的波導——如上所述，其中一個端構成第一過渡區2的第二短軸。為了得到所需的性能等級，選擇了一個兩極濾波器，它由通過中心波導34連接在一起的第一和第二E面短軸32和33來製造。第一和第二短軸32和33通過兩個膜片35和36連接到端部30和31。
優選地，濾波器製造成關於濾波器中心軸37對稱，以將它製造成兩個相同的模製半殼。為了更容易地將濾器的半殼安裝在一起和更容易地將濾波器安裝到頻率/偏振分路器中，製造了關於中間面38對稱的濾波器。因此，安裝方向不需要考慮——膜片35和36是相同的並且第一和第二短軸32和33也是相同的。
濾波器的寬度aff在整個長度上保持不變。構成濾波器的各種部件因此定義如下——端部30和31的長度為Lfe，高度為hfe；——第一和第二短軸32和33的長度為Lft，高度為hft；——中心波導的高度為hfgc，短軸之間的間距對應於一個長度Lfs；和——膜片24和25的高度為hfi，高度為Lfi。
根據現有技術執行確定尺寸操作，以具有例如下面的開始尺寸aff＝7.112mmLfe＝5mmHfe＝3.556mm
Lft＝2.71mm Hft＝2.13mmHfgc＝0.97mm Lfs＝14.47mmHfi＝1.8mm Lfi＝0.52mm然後，通過模擬包括偏振分路器1、第一和第二過渡區2和4以及第一和第二濾器3和5的系統進行優化。然後，狹槽11和12被重新確定尺寸，通過增加它們的長度af1和af2以增加帶寬，並且也因此增加了它們的寬度bf1和bf2。對於各個臺階，H平面的不連續性(誘導效應)和E平面的不連續性(電容效應)被改進以具有一個匹配的整體LC電路。濾波器3和5的第一短軸22和32(和它們對稱的短軸22和33一起)被改進，這樣等效於第一短軸的LC電路被匹配到過渡區。
基本思想包括在狹槽的平面中引入失配以在Tx和Rx模式中補償這個狹槽的失配。狹槽的LC特性將被修改，以得到想要的帶寬、頻帶位置和匹配等級，其他參數被修改以補償由狹槽的修改產生的失配。在詳細的例子中，這樣一個確定尺寸操作導致第一狹槽被擴大以與第一過渡區的短軸合併。
結果是，得到了以下的最終尺寸af1＝5.32mm bf1＝3.556mmef1＝0.5mm ef2＝0.5mmaf2＝8.43mm bf2＝1.65mmLG＝15mm dcc＝1.09mmat1＝8.5mm bt1＝4.17mmLt1＝0.96mm at2＝8.61mmbt2＝4.318mm Lt2＝2.94mmat3＝10.668mmbt3＝4.318mmLt3＝5.7mm htg1＝6.56mmLtg1＝1.36mm htg2＝6.81mmLtg2＝1.21mm Ls＝3.42mmhgc＝1.48mm Li＝0.8mmhi＝1.29mm aff＝7.112mmLfe＝2.03mm hfe＝3.556mmLft＝2.7mm hft＝1.86mmhfgc＝1.16mm Lfs＝14.14mm
hfi＝1.8mm Lfi＝0.55mm在這個過程的最後，得到了一套部件(狹槽，過渡區和濾波器)，它們被確定尺寸以用在頻率/偏振分路器中。然而，單獨選用這些部件在想要的頻帶中不是高效的。本領域熟練的人員甚至注意到各個部件的特定特性不允許先驗要得到濾波器的全部特性，因為它們的總和不是一個允許得到所述濾波器最終特性的先驗。然而，各種部件的寄生交互作用使得通過在系統中執行一個整體確定尺寸操作以得到非常高等級的特性成為可能。
本發明不限於所述的實施例。本領域熟練人員可以改變某個部件而仍然遵從相同的方法。所用的該類型的波導濾波器可以用任何其他類型的波導濾波器來代替。正方形和矩形的波導截面可以用圓和橢圓波導截面代替。
權利要求
1.一種偏振波分路器，它包括至少以下的部件一個公共波導(1)，其具有一個適合讓至少兩種不同偏振傳播的橫截面，公共波導具有第一和第二端，第一端構成公共輸入/輸出(10)；第一狹槽(11)，其設置在公共波導(1)的第二端上，第一狹槽讓具有第一種偏振的波傳播；第二狹槽(12)，其設置在公共波導(1)的側向部分上，第二狹槽讓具有第二種偏振的波傳播；第一過渡區(2)，其在波導橫截面上提供了一個變化；第二過渡區(4)，其在波導橫截面上提供了一個變化；第一波導濾波器(3)，其具有第一端和第二端，其中第一端經由第一過渡區(2)連接到第一狹槽(11)，而第二端構成第一單獨的輸入/輸出；和第二波導濾波器(5)，具有第一端和第二端，其中第一端經由第二過渡區(4)連接到第二狹槽(12)，而第二端構成第二單獨的輸入/輸出；其特徵在於，各種部件的整體尺寸是這樣的，在發射頻帶內和在接收頻帶內，一方面在公共輸入/輸出和第一單獨輸入/輸出之間，另一方面在公共輸入/輸出和第二單獨輸入/輸出之間，所測量的分路器的傳遞特性，好於由構成分路器的各部件在所述頻帶內的特性總和所帶來的特性。
2.如權利要求1所述的分路器，其特徵在於，濾波器(3，5)是關於中間平面對稱的。
3.如權利要求1和2中任一項所述的分路器，其特徵在於，構成分路器的部件是通過模製生產的。
全文摘要
本發明提出一種偏振/頻率分路器的優化的方法，生產後不需要調整並且可以完全通過模製生產。偏振波分路器包括各種部件，包括一個經由過渡區(2和4)連接到兩個濾波器(3和5)的偏振分路器(1)。各種部件的整體尺寸是這樣的，分路器的傳遞特性好於由構成分路器的各部件的特性總和所帶來的特性。
文檔編號H01P1/209GK1759498SQ200480006314
公開日2006年4月12日 申請日期2004年3月16日 優先權日2003年3月20日
發明者菲利普·錢貝林, 阿利·洛齊爾, 亨利·福爾多伊克斯 申請人:湯姆森特許公司