一种KAQV多频共用功率分配器的制作方法

一种kaqv多频共用功率分配器
技术领域
1.本发明涉及波导技术领域，特别是指一种满足ka收发、q和v的多频共用功率分配器。


背景技术：

2.在微波天线通信领域中，功分网络和功率合成网络是在各种站型天线馈电网络中常见的无源子系统，而为了一站多用和多频复用，降低天线建设成本，增加天线使用功能，用户对多频共用天线需求日益迫切，从而对包含频率分离和功率分配的微波器件设计需求显得更加重要。
3.目前多频共用馈源网络系统主要有同轴分波和共喷口分波两种形式，其中同轴分波已然发展到一定的瓶颈期，共喷口分波形式更为传统，但对于天线综合使用指标来说更有优势。同时众所周知，多频共喷器件对高次模激励数量随相对带宽的增加而激增，这些高次模直接影响最高频以及次级高频段的电气设计指标，天线方向图和交叉极化会因此极端恶化，且不同的高次模对馈源网络系统的影响方向和程度均有区别，而对这些大量有害高次模的控制方法鲜有报道，因此国际上对成熟的多频共用功率分配器设计一直没有系统的介绍，这也相应遏制了多频共喷馈源网络的发展。因此冲破技术壁垒，寻找新型双频或多频共用功率分配器设计新方法势在必行。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种kaqv多频共用功率分配器，能够解决ka频段以上使用带宽超过两倍频三倍频以内多频共喷功率分配器高次模抑制困难，加工困难，天线交叉极化较差，难以满足工程使用需求的问题。该功率分配器具有带宽大、交叉极化低，低驻波比等优良电气指标、且具有结构紧凑、易于加工，工艺设计简单等诸多优点。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种kaqv多频共用功率分配器，为六端口微波器件，包括一个轴向多频共用波导和四个侧壁分支波导；所述的轴向多频共用波导为一圆圆过渡波导，高频段信号（ka发射频段和qv频段信号）沿其轴向传输；所述的四个侧壁分支波导沿轴向多频共用波导的轴向呈90
°
对称分布，为低频段信号（ka接收频段信号）传输通道；所述轴向多频共用波导的内壁上开有四个矩形加脊耦合口，四个矩形加脊耦合口环绕所述多频共用波导的轴线呈90
°
对称分布，并与四个侧壁分支波导一一对应；所述的四个侧壁分支波导均包括滤波器和阶梯阻抗变换器。
6.进一步的，所述圆圆过渡波导的渐变曲线为样条拟合曲线。
7.进一步的，矩形加脊耦合口的矩形长边沿轴线方向，矩形加脊耦合口的端面与多频共用波导的轴线平行。
8.进一步的，所述侧壁分支波导的滤波器为两级滤波器级联式结构；两级滤波器级联式结构的第一级滤波器为块模式滤波器，第一级滤波器的紧挨多频共用波导的耦合口沿
分支波导方向仅有一排金属竖齿；两级滤波器级联式结构的第二级滤波器为高低阻抗变化的横向波纹槽式滤波器。
9.进一步的，所述的第一级滤波器的入口处为矩形空腔结构。
10.进一步的，所述侧壁分支波导的阶梯阻抗变换器为一阶矩形波导阶梯阻抗变换器。
11.本发明与背景技术相比的有益效果在于：1、本发明在电气上，通过新型的分支滤波结构形式和耦合口设计，可以使得最大相对带宽接近3倍频时高频过模段主模对各高次模耦合在
‑
20db以下，解决了超过2倍频使用时大量高次模互耦的问题，改善了高频通道回波损耗，降低了高频通道的线极化交叉极化分量，抑制了低频通带的高次谐波。
12.2、本发明的级联式滤波器中的第二级滤波器采用高低阻抗变化的横向波纹槽式滤波器，并约束耦合口缝隙和微型结构尺寸，合理设置棱边倒角，从而极大程度降低了毫米波段器件的加工难度，具有工程可实现性。
13.3、本发明多频共用功率分配器设计合理，适宜工程应用推广。
附图说明
14.图1是本发明实施例中四壁耦合式多频共用功率分配器的结构示意图。
15.图2是本发明实施例中多频共用功率分配器三维总装示意图。
16.图3是本发明实施例中轴向圆圆过渡和侧壁耦合口腔体示意图。
17.图4是本发明实施例中侧壁分支波导三维结构和剖视图。
18.图5是本发明实施例中侧壁分支波导截面正视图。
19.图6（a）~图6（c）是主模使用频段回波损耗频响曲线图。
20.图7（a）~图7（b）是高频段主模和高次模耦合频响曲线图。图中仅对最差指标的曲线做了区分，即s1(7),1(1)和s1(9),1(1)。从图中可见，即使最差指标也具有良好效果。
21.图8（a）~图8（b）是耦合支路低频端口对高频信号隔离频响曲线图。
22.附图标记说明：1—轴向多频共用波导、2—侧壁分支波导、3—第一级滤波器、4—第二级滤波器、5—阶梯阻抗变换器。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
24.一种kaqv多频共用功率分配器，为六端口微波器件，包括一个轴向多频共用波导和四个侧壁分支波导，轴向多频共用波导为ka发射频段和qv频段信号传输通道，侧壁分支波导为ka接收频段信号的传输通道；所述的轴向多频共用波导为一圆圆过渡波导，高频段信号沿其轴向传输；所述的四个侧壁分支波导沿多频共用波导轴向呈90
°
对称分布，为低频段信号传输通道；所述的侧壁分支波导均包括滤波器和阶梯阻抗变换器。
25.其中，所述轴向圆圆过渡波导渐变曲线为样条拟合设计。
26.所述轴向多频共用波导内壁上开有四个矩形加脊耦合口，并环绕多频共用波导轴线呈90
°
对称分布，矩形长边沿轴线方向，且耦合口端面和多频共用波导轴线平行。
27.所述侧壁分支波导的滤波器为两级滤波器级联式设计；所述的级联式滤波器中第
一级滤波器为快模式滤波器，且紧挨多频共用波导耦合口沿分支波导方向仅有一排金属竖齿，所述的级联式滤波器中第二级滤波器为高低阻抗变化的横向波纹槽式滤波器。
28.所述的第一级块模式滤波器入口为矩形空腔结构，而非上下分布有对称金属锯齿结构。
29.所述侧壁分支波导的阶梯阻抗变换器为一阶矩形波导阶梯阻抗变换器。
30.该多频共用功率分配器具有相对带宽大、交叉极化低，低驻波比的特点，且结构紧凑，易于加工。该多频共用功率分配器解决了超过2倍频使用时高次模抑制困难和ka频段结构尺寸过小难以加工的问题，同时完成了低频宽带阻抗匹配。在接近3倍频带宽内能够有效改善高次模对馈源系统方向图的影响并减小天线交叉极化水平，适宜工程推广。
31.多频共用功率分配器一直是多频网络的最关键部件，从功能上即需要完成对多种频段的高隔离度分离，还要实现对单个频段的正交极化分离和单一极化的等功率分配，可以说其集成了传统频率双工器和宽带正交模耦合器的主要功能。如图1所示，从物理角度看该功率分配器是一锥形渐变六端口器件，从电气上看该功率分配器是输入输出包含两路正交极化的8端口器件。
32.对于ka频段以上的多频共用分配器而言，往往由于结构尺寸过小，严重影响工艺设计和加工，本发明不仅设计时约束了小尺寸结构参数，而且选择了易于加工的耦合形式和滤波器类型，保证了设计的有效性。
33.具体的，如图2所示，该多频段共用功率分配器包括一个轴向多频共用波导、四个侧壁分支波导。如图3所示，所述的轴向多频共用波导主要包括圆圆过渡和侧壁耦合口两个设计分区，为了抑制轴向高次模激励，圆圆过渡曲线采用样条拟合曲线设计。
34.所述的圆圆过渡曲线上开有四个矩形加脊耦合口，并环绕多频共用波导轴线呈90
°
对称分布，矩形长边沿轴线方向，且如图1所示，耦合口端面和多频共用波导轴线平行。
35.进一步的，如图5所示，所述侧壁分支波导包括滤波器和阶梯阻抗变换器。所述侧壁分支波导的滤波器为两级滤波器级联式设计；所述的级联式滤波器中第一级滤波器为快模式滤波器，且紧挨多频共用波导耦合口沿分支波导方向仅有一排金属竖齿，所述的级联式滤波器中第二级滤波器为高低阻抗变化的横向波纹槽式滤波器。所述的阶梯阻抗变换器为一阶矩形波导阶梯阻抗变换器，最终将分支波导变换到对应耦合频段标准bj220出口。如图4所示，所述的第一级块模式滤波器入口为矩形空腔结构，而非上下分布有对称金属锯齿结构。
36.进一步的，块模滤波器纵向开槽单元对矩形波导高次模有着天然的抑制特性，且具有超宽通道和功率容量特性，通过选择合理截止频率可以满足超过三倍频工程阻带设计需求。
37.如图1所示，该多频段共用功率分配器的工作原理如下：通常多频信号同时接收时，传输到多频共用波导的射频信号途径侧壁耦合口时将ka接收频段信号经支路块模滤波器0db耦合和匹配传输，对ka发射频段和qv频段进行短路抑制，再经过低频段阶梯阻抗变换器传输到后端波导走线，ka发射频段和qv频段最高频率信号由轴向通道低损输出。多频信号发射时工作原理相反，不再赘述。
38.为便于理解，在此以一个具体的kaqv多频共用功率分配器为例，并结合相应附图，对本发明的效果进行辅助说明。
39.实施例：kaqv多频共用功率分配器设计频率为ka：17.7ghz~21.2ghz；27.5~31ghz。
40.qv：37.5ghz~42.5ghz；47.2~51.4ghz。
41.kaqv多频共用功率分配器结构如图1所示，主要结构参数对应数值如下：圆圆过渡大口直径d1=11.6mm；小口直径d2=7.2mm；ka频段滤波器入口宽边w1=8.8mm，矩形加脊耦合口宽度aoh1=5.15mm。
42.图6~图8所示为上述多频共用功率分配器仿真结果，该功率分配器使用带宽接近三倍频。由图6（a）~（c）可见，在ka接收频带内主模回波损耗s
1(1)1(1)
小于
‑
23db，ka发射频段和qv频段为轴向传输通道主模回波损耗s
1(1)1(1)
均小于
‑
27db，指标优良。由图7（a）~（b）可见，主模到第n个高次模的互耦能量主要返回到公共口，以s
1(n)1(1)
表示，在ka发射频段耦合度小于
‑
40db，qv频段由于频段更高，激励起的高次模数量更多，最大耦合度小于
‑
20db。由图8（a）~（b）可见，主模不同高频段的频段隔离以s
3(1)1(1)
表示，即低频段对高频段的抑制度，侧壁分支波导ka接收频段对ka发射频段主模抑制大于60 db，对qv频段主模抑制度大于80db。
43.总之，本发明包括一个轴向多频共用波导和四个侧壁分支波导，轴向多频共用波导为ka发射频段和qv频段信号传输通道，传输ka接收频段信号的侧壁分支波导沿轴向分布，且侧壁分支波导相对于轴向多频共用波导呈四路对称式分布。本发明解决了超过2倍频使用时高次模抑制困难和ka频段结构尺寸过小难以加工的问题，具有相对带宽大、交叉极化低，低驻波比等优良电气指标、且具有结构紧凑、易于加工等诸多优点。完成了天线多频共喷使用时的频率分离、极化分离和功率分配的核心问题，能够适应大部分多频宽带固定站和车载站的需求。
44.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。