一种用于线圆极化切换馈源网络的波导极化器的制作方法

1.本发明涉及微波通信技术领域，具体来说，涉及一种用于线圆极化切换馈源网络的波导极化器。

背景技术：

2.在微波通信领域中，随着用户需求愈来愈苛刻，可重构天线和多频复用天线成为目前天线设计领域的热点。同时极化可重构天线能够有效增加通信信道容量，减少系统设计成本，其极化切换、极化跟踪的自适应机动特性使其在卫星通信领域有极高的应用价值。极化可重构因其使用功能可分为线极化可重构、圆极化可重构和线圆极化可重构。关于单线极化和单圆极化的天线设计已经取得了大量的科研成果，相比而言，线圆极化可重构天线的深入研究相对较少。
3.基于可重构技术的线圆极化天线通常指的是能够满足线极化和圆极化自适应切换的天线。目前该种天线的实现方案主要有两种：一种是通过对辐射单元进行极化可重构设计，通过控制辐射单元表面感应电流方向来实现对辐射方向图极化方式的改变；第二种是对后端馈电网络的设计，也是最通用的实现方式，通过对馈源网络系统的极化可重构设计来实时控制天线的极化工作方式。
4.线圆极化可重构馈源网络设计中最重要的是圆极化器和线圆极化切换装置的设计。目前公开的线圆极化切换装置主要是基于圆波导螺钉加载移相器、介质片移相器、波纹移相器、隔板移相器等圆极化器进行设计的，该类圆极化器的共同点是其设计必须在馈源网络的轴向位置。另一方面，传统极化重构方式主要通过伺服驱动圆关节带动不同类型圆极化轴向旋转来实现，或者后端添加波导开关来进行极化切换，这两种方式经常受限于轴向空间或者成本过高。因此亟待寻新的线圆极化切换方式以拓展设计空间，提升线圆极化可重构天线设计水平。

技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种用于线圆极化切换馈源网络的波导极化器，为线圆极化可重构馈源网络设计提供新型设计方案，实现结构紧凑、优良电气指标设计，同时解决非轴向使用线圆极化工作状态切换问题。
6.本发明的技术方案是这样实现的，
7.一种用于线圆极化切换馈源网络的波导极化器，其为四端口微波器件，包括主波导和位于主波导内的滑动阶梯块；所述的主波导有四个波导端口，其中一组相邻的两个波导端口均朝上，另一组相邻的两个波导端口均朝下；所述主波导为上下对称、左右对称结构；所述滑动阶梯块为多阶梯长条形组合结构，其位于主波导左右对称的对称面上。
8.进一步的，所述滑动阶梯块可在沿上下对称面和左右对称面的交线移动。
9.进一步的，所述主波导内腔由四个支路弯波导和中心功分耦合结构组成，中心耦合结构包括左右对称的阶梯过渡、与每一弯波导对应的切角弯和上下对称的两个凸字型凹
坑，所述主波导的正面外壁上开设有贯通至内部的阶梯长条型开槽口，且阶梯长条型开槽口正对两个凸字型凹坑。
10.进一步的，所述滑动阶梯块分为上、下两层，上层为三级阶梯对称结构，下层为的两个镜像对称的凸字型结构，且两个凸字型结构之间具有大于零的间距。
11.进一步的，所述滑动阶梯块的下层开口凸字型结构移动至和主波导的凹坑完全重合时，此时为极化器线极化工作状态，等效为两路矩形波导传输线；
12.所述滑动阶梯块下层开口凸字型结构下表面移动至主波导背面内壁，此时为极化器圆极化工作状态，圆极化工作状态时极化器内腔等效于四端口90
°
3db波导电桥。
13.进一步的，所述滑动阶梯块在线极化工作状态时，滑动阶梯块将极化器信号传输通道物理分隔为左右对称两路，两路均有弯波导、切角弯和阶梯匹配段，满足等幅等相传输条件。
14.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
15.1、本发明基于设计的圆极化器与传统线圆切换装置的圆极化器类型不同，极化切换方式不同，为馈源系统线圆极化切换的设计方案提供了新的选择。
16.2、本发明所表述的线圆切换方式避免了圆关节的多余器件使用和波导开关的高成本要求，结构紧凑，电气指标优良，使用可靠性增加，成本降低。
17.3、本发明解决了圆极化器非馈源轴向放置的线圆极化工作状态切换问题，圆极化放置位置非常机动灵活，便于馈源网络和天线系统做低剖面和小型化、紧凑型结构设计，适宜工程应用推广。
18.4、本发明由于在使用时放置位置的机动性，可以配合频率双工器组合使用。通过设计多个不同频段的圆极化器和频率双工器组合可以实现对馈源和天线系统线圆极化切换工作带宽的扩展。
附图说明
19.图1是本发明实施例中可用于线圆极化切换馈源网络的波导极化器结构示意图。
20.图2是本发明实施例中主波导的结构示意图。
21.图3是图2中a-a的剖视图。
22.图4是本发明实施例中主波导平面剖视图。
23.图5是本发明实施例中滑动阶梯块的俯视图。
24.图6是本发明实施例中滑动阶梯块的结构示意图
25.图7是本发明实施例中波导极化器在线极化工作状态时的结构图。
26.图8是图7中b-b的结构示意图。
27.图9是本发明实施例中波导极化器在圆极化工作状态时的结构图。
28.图10是图9中c-c的结构示意图。
29.图11是本发明实施例中波导极化器在线极化工作状态时腔体内信号流图。
30.图12是本发明实施例中波导极化器在圆极化工作状态时腔体内信号流图。
31.图13是本发明实施例中波导极化器在线极化工作状态时回波损耗仿真计算结果。
32.图14是本发明实施例中波导极化器在圆极化工作状态时回波损耗仿真计算结果。
33.图15是本发明实施例中波导极化器在圆极化工作状态时相位特性仿真计算结果。
34.图16是本发明实施例中波导极化器在圆极化工作状态时幅度特性仿真计算结构。
35.附图标记说明：1、主波导，2、滑动阶梯块，1-1、阶梯长条型开槽口，2-1、凸字型凹坑，1-2、阶梯过渡，1-3、切角弯，2-2、三级阶梯对称结构，2-3、凸字型结构。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
37.一种用于线圆极化切换馈源网络的波导极化器，为四端口微波器件，包括一个主波导和一个滑动阶梯块，见图1所示；所述的主波导有四个波导端口，见图2和图3所示，将主波导两个端口朝上、两个端口朝下水平放置桌面时，主波导为上下对称、左右对称结构；所述滑动阶梯块为多阶梯长条形组合结构，位于主波导上下方向中轴面上，该中轴面和滑动阶梯块对称面重合，且所述的滑动阶梯块可以沿桌面法向方向移动。
38.进一步的，所述主波导内腔由四个支路弯波导和中心功分耦合结构组成，中心耦合结构包括对称分布的阶梯过渡、切角弯和上下两个凸字型凹坑，如图4所示；所述的主波导内腔凹坑对面为贯通的对称阶梯长条型开槽口。
39.进一步的，所述滑动阶梯块分为上下两层，上层为三级阶梯对称结构，下层为中间开口的对称凸字型结构，如图5和图6所示。
40.进一步的，所述滑动阶梯块下层开口凸字型结构移动至和主波导凸字型凹坑完全重合，此时为极化器线极化工作状态，如图7和图8所示，等效为两路矩形波导传输线；所述滑动阶梯块下层开口凸字型结构下表面移动至主波导端口宽边所在底部主平面重合时，此时为极化器圆极化工作状态，如图9和图10所示，圆极化工作状态时极化器内腔等效于四端口90
°
3db波导电桥，其信号传输流图见图12所示。
41.进一步的，所述滑动阶梯块在线极化工作状态时，滑动阶梯块将极化器信号传输通道物理分隔为左右对称两路，两路有弯波导、切角、阶梯匹配段组成，满足等幅等相传输条件，其信号传输流图见图11所示。
42.具体来说，极化器设计时需要兼顾线极化工作和圆极化工作两种状态时的电气性能，尤其是滑动阶梯块设计参数需要同时满足两种工作状态的指标要求。
43.在线极化状态时，极化器内腔如图11所示，极化器信号传输通道分为两路，端口1到端口3为左支路，端口2到端口4为右支路，两路对称且物理隔离，每一路均为多级不连续结构级联的波导传输线，波导模式为矩形波导te
10
模。线极化状态时，极化器主要设计重点为阻抗匹配设计，由其不连续结构可知，能够满足相对带宽30％以下的设计需求。
44.在圆极化状态时，极化器内腔和信号传输流向如图12所示，极化器等效为四端口90
°
3db波导电桥，当端口1输入射频信号时，流经中心耦合口区域时，功分为两路信号，分别传输到端口3和端口4，端口2为隔离端口。极化器四个支路波导传输的为矩形波导te
10
模，在极化器中心耦合口区域，由图4所示，dw1～dw3尺寸满足te
20
模激励条件，该区域为te
10
模和te
20
模混合传输区域，同时由于端口1至端口3和端口1至端口4的路径差异，当两路传输相差为90
°
，幅度相等时，极化器满足作为圆极化器使用条件。圆极化状态时，极化器主要设计重点包含阻抗匹配设计和两路幅相特性设计，该圆极化器能够满足相对带宽25％以下的低轴比设计需求。
45.用于线圆极化切换馈源网络的波导极化器工作原理如下：
46.该波导极化器通过移动滑动阶梯块使之分别处于线极化或圆极化两种工作状态。当工作在线极化状态时，某一端口(比如端口1)输入的射频信号直通传输到对应端口(端口3)，极化器等效为两路波导传输线；当工作在圆极化状态时，某一端口(比如端口1)输入的射频信号传输到中心耦合口区域平分为两路幅度相同相位差90
°
的信号分别传输到对面两端口(端口3和端口4)，这两个端口后接正交模耦合器可以实现圆极化信号的合成，该输入端口和其隔离端口旋向相反，极化器等效为3db90
°
波导电桥。
47.为便于理解，下面以一个典型用于线圆极化切换馈源网络的波导极化器为例，并结合相应附图，对本发明的效果进行辅助说明。
48.实施例：一种用于线圆极化切换馈源网络的波导极化器
49.设计频率为ka：17.7ghz～22ghz。
50.该波导极化器如图1所示，主要结构参数对应数值如下：
51.主波导：dl＝15.22mm；dw1＝18.96mm；dw2＝21.2mm；dw3＝24.88mm。滑动阶梯块：l1＝8.88mm；l2＝20.61mm；l3＝36.27mm；w1＝0.75mm；w2＝1.85mm；w3＝3.95mm。
52.图13所示为上述波导极化器在线极化工作状态时端口回波损耗仿真结果，图14、图15和图16分别为上述波导极化器在圆极化工作状态时端口回波损耗、两支路传输相位差和幅度差仿真结果。由图可见，在相对带宽达到22％时，极化器线极化工作端口回波损耗小于-24.8db，圆极化工作回波损耗小于-24.5db，两支路传输相位差90
°±
0.5
°
，幅度差小于0.32db，折合圆极化轴比0.33db。可见该圆极化器设计结果指标优良，能够满足25％带宽左右国内外该类项目大部分市场指标需求，且很方便通过多个该类极化器的集成设计，做到馈源网络系统的多频段共用或相对带宽的扩展。
53.总之，本发明一种用于线圆极化切换馈源网络的波导极化器包括主波导和滑动阶梯块两部分。通过上下移动滑动阶梯块可调整它与主波导腔体的相对位置，从而使波导极化器分别处于线极化工作和圆极化工作两种状态。且本发明不仅具有低回波损耗、低轴比等优良电气性能、且具有结构紧凑、易于多频共用和相对带宽扩展等诸多优点。为线圆切换馈源网络设计提供了新的选择，解决了紧凑型单频天线、多频共用天线使用时线圆极化切换的核心问题，其优良指标能够适应大部分该类天线的指标需求。
54.需要说明的是，以上叙述和案例有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的各种变形、缩放、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均应落入本发明创造的保护范围。

技术特征：

1.一种用于线圆极化切换馈源网络的波导极化器，其特征在于，其为四端口微波器件，包括主波导和位于主波导内的滑动阶梯块；所述的主波导有四个波导端口，其中一组相邻的两个波导端口均朝上，另一组相邻的两个波导端口均朝下；所述主波导为上下对称、左右对称结构；所述滑动阶梯块为多阶梯长条形组合结构，其位于主波导左右对称的对称面上。2.根据权利要求1所述的一种用于线圆极化切换馈源网络的波导极化器，其特征在于，所述滑动阶梯块可在沿上下对称面和左右对称面的交线方向移动。3.根据权利要求1所述的一种用于线圆极化切换馈源网络的波导极化器，其特征在于，所述主波导内腔由四个支路弯波导和中心功分耦合结构组成，中心耦合结构包括左右对称的阶梯过渡、与每一弯波导对应的切角弯和上下对称的两个凸字型凹坑，所述主波导的正面外壁上开设有贯通至内部的阶梯长条型开槽口，且阶梯长条型开槽口正对两个凸字型凹坑。4.根据权利要求1所述的一种用于线圆极化切换馈源网络的波导极化器，其特征在于，所述滑动阶梯块分为上、下两层，上层为三级阶梯对称结构，下层为的两个镜像对称的凸字型结构，且两个凸字型结构之间具有大于零的间距。5.根据权利要求1所述的一种用于线圆极化切换馈源网络的波导极化器，其特征在于，所述滑动阶梯块的下层开口凸字型结构移动至和主波导的凹坑完全重合时，此时为极化器线极化工作状态，等效为两路矩形波导传输线；所述滑动阶梯块下层开口凸字型结构下表面移动至主波导背面内壁，此时为极化器圆极化工作状态，圆极化工作状态时极化器内腔等效于四端口90
°
3db波导电桥。6.根据权利要求1所述的一种用于线圆极化切换馈源网络的波导极化器，其特征在于，所述滑动阶梯块在线极化工作状态时，滑动阶梯块将极化器信号传输通道物理分隔为左右对称两路，两路均有弯波导、切角弯和阶梯匹配段，满足等幅等相传输条件。

技术总结

本发明公开了一种用于线圆极化切换馈源网络的波导极化器，属于微波通信的技术领域。其为四端口微波器件，包括主波导和位于主波导内的滑动阶梯块；主波导有四个波导端口，其中一组相邻的两个波导端口均朝上、另一组相邻的两个波导端口均朝下；主波导为上下对称、左右对称结构；滑动阶梯块为多阶梯长条形组合结构，其位于主波导左右对称的对称面上。本发明为线圆极化可重构馈源网络设计提供新型设计方案，实现结构紧凑、优良电气指标设计，同时解决非轴向使用线圆极化工作状态切换问题。决非轴向使用线圆极化工作状态切换问题。决非轴向使用线圆极化工作状态切换问题。