一种使用带宽超过三倍频的双频共用功率分配器的制作方法

1.本发明涉及波导技术领域，特别是指一种使用带宽超过三倍频的双频共用功率分配器。


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，寻找新型双频或多频共用功率分配器势在必行。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种使用带宽超过三倍频的双频段共用功率分配器，用于解决现有两倍频往上多频共喷功率分配器高次模抑制困难，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。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种使用带宽超过三倍频的双频共用功率分配器，为六端口微波器件，包括一个轴向多频共用波导、四个侧壁分支波导和四个h面弯波导；所述的轴向多频共用波导为一圆圆过渡波导，高频段信号沿其轴向传输；所述的四个侧壁分支波导沿多频共用波导的轴向呈90
°
对称分布，为低频段信号传输通道；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，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，并环绕轴向多频共用波导的轴线呈90
°
对称分布，矩形加脊耦合口的长边沿轴线方向，矩形加脊耦合口的端面与轴向多频共用波导的轴线之间的夹角为7
°
。
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，两级滤波器均为块模式滤波器；所述的块模式滤波器的入口处上下分布有对称金属锯齿结构。
9.进一步的，所述的块模式滤波器中紧挨轴向多频共用波导耦合口的第一级滤波
器，沿分支波导方向仅有两排金属竖齿，第二级滤波器沿分支波导轴向也仅有两排金属竖齿。
10.进一步的，所述的两级滤波器级联式结构在第一级滤波器中心镶嵌有一平行于滤波器宽边的金属薄片。
11.进一步的，所述侧壁分支波导的阶梯阻抗变换器为三阶矩形波导阶梯阻抗变换器。
12.本发明与背景技术相比具有如下有益效果：1、本发明具有相对带宽大、交叉极化低，低驻波比的特点，且结构紧凑，易于加工。
13.2、本发明解决了天线三倍频往上多频使用时馈电网络系统频率分离和功率分配的问题，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。
14.3、本发明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超过3.5倍频时高频段主模对各高次模耦合在
‑
20db以下，改善了高频通道回波损耗，降低了对圆极化网络的系统轴比以及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，经与馈源级联仿真结果和单馈源仿真方向图基本一致。该多频共用功率分配器设计合理，能够满足工程应用需求。
附图说明
15.图1是本发明实施例中四壁耦合式双频共用功率分配器的结构示意图。
16.图2是本发明实施例中双频共用功率分配器的三维总装示意图。
17.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。
18.图4是本发明实施例中侧壁分支波导三维结构示意图。
19.图5是本发明实施例中侧壁分支波导剖视图。
20.图6是主模使用频段回波损耗频响曲线图。
21.图7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)。从图中可见，即使最差指标也具有良好效果。
22.图8是低频端口对高频信号隔离频响曲线图。
23.附图标记说明：1—轴向多频共用波导、2—侧壁分支波导、3—h面弯波导、4—内嵌金属薄片、5—第一级滤波器、6—第二级滤波器、7—阶梯阻抗变换器。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
25.一种使用带宽超过三倍频的双频共用功率分配器，包括轴向多频共用波导、多级侧壁分支波导和h面弯波导，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，低频信号通过耦合口耦合到对应频率侧壁波导支路。除高频外，低频支路传输通道呈四路对称式结构。每个侧壁分支波导均包括滤波器和阶梯波导阻抗变换器，且滤波器为两级滤波器级联式设计。
26.具体来说，本双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、四个侧壁分支波导和四个h面弯波导，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。
27.其中，所述轴向圆圆过渡波导渐变曲线为样条拟合设计。
28.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夹角为7
°
。
29.所述侧壁分支波导的滤波器为块模式滤波器设计，且为两级滤波器级联式设计；所述的块模式滤波器入口为上下分布有对称金属锯齿结构，而非矩形空腔结构。
30.所述的块模式滤波器中紧挨多频共用波导耦合口的第一级滤波器沿分支波导方向仅有两排金属竖齿，第二级滤波器沿分支波导轴向也仅有两排金属竖齿。
31.所述的级联式块模滤波器在第一级滤波器中心镶嵌有一平行于滤波器宽边的金属薄片。
32.所述侧壁分支波导的阶梯阻抗变换器为三阶矩形波导阶梯阻抗变换器。
33.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。具体的，多频共用功率分配器主要分为圆圆过渡、过渡段耦合口、分支滤波器和滤波器到标准波导的阻抗匹配几个设计分区。多频共用功率分配器设计核心为侧壁低频通道的耦合匹配和对高频段高次模的有效抑制。简单来说，多频共用功率分配器可以按如下步骤进行设计：1. 根据波导截止理论和实际工程需求，确定圆波导过渡进出口直径尺寸；2. 寻求最优过渡曲线，确定低频段耦合口初始尺寸；3. 设计并优化各级低频分支滤波器；4. 寻找最佳各级低频分支耦合口位置和高次模最优短路位置，并级联优化好的滤波器进行双频仿真优化和验证；5. 微调低频滤波器分支参数并优化分支波导尾部阻抗变换段使低频段阻抗匹配达到最优，经多次迭代后得到四臂耦合系统最优电气设计结果。
34.进一步的，如图2所示，所述的双频段共用功率分配器包括一个轴向多频共用波导、四个侧壁分支波导和四个h面弯波导。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。
35.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夹角为7
°
。
36.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。所述的滤波器为块模式滤波器设计，且为两级滤波器级联式设计。所述的块模式滤波器中紧挨多频共用波导耦合口的第一级滤波器沿分支波导方向仅有两排金属竖齿，第二级滤波器沿分支波导轴向也仅有两排金属竖齿。所述的阶梯阻抗变换器为三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出口。如图4所示，所述的块模式滤波器入口
为上下分布有对称金属锯齿结构，而非矩形空腔结构。
37.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。
38.进一步的，如图5所示，所述的级联式块模滤波器在一级滤波器中心镶嵌有一平行于滤波器宽边的金属薄片。该金属薄片垂直于分支波导主模电场分量，能够有效抑制轴向多频共用波导内反极化分量在耦合分支波导的高次模激励，从而进一步提高极化隔离度并改善高频交叉极化。
39.所述的阶梯阻抗变换段后面连接有h面弯波导与后端其他网络组件对接。
40.如图1所示，该双频段共用功率分配器的工作原理如下：通常双频信号同时接收时，传输到多频共用波导的射频信号途径侧壁耦合口时低频段信号经支路块模滤波器0db耦合和匹配传输，对高频段进行短路抑制，再经过低频段阶梯阻抗变换器传输到后端波导走线；可扩展的，当超过三频共用时，圆圆过渡曲线上类似的在次低频对应耦合位置开设耦合口，将次低频射频信号0db耦合并匹配传输到次低频通道，途径滤波器时完成对前面低频信号和其他高频信号的高隔离度抑制；如此这般将多频共用时各级低频信号逐次耦合匹配输出后，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。
41.为便于理解，下面以一个典型双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。
42.实施例：cku双频共用功率分配器设计频率为c：3.4ghz~4.2ghz；ku：10.7~14.5ghz。
43.该双频共用功率分配器如图1所示，主要结构参数对应数值如下：圆圆过渡大口直径d1=62mm；小口直径d2=20mm；c频段滤波器入口宽边w1=50mm，矩形加脊耦合口宽度aoh1=25.6mm。
44.图6~图8所示为上述双频共用功率分配器仿真结果。由图可见，使用带宽达到3.75倍频，在c和ku频带内主模回波损耗s
1(1)1(1)
均小于
‑
22db，指标优良；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ku频段耦合度小于
‑
20db；主模对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，c频段对ku主模抑制度大于78db。
45.总之，本发明双频段共用功率分配器包括轴向多频共用波导、多级侧壁分支波导和h面弯波导等波导走线，轴向多频共用波导为高频段信号传输通道，低频侧壁分支波导沿轴向分布，且低频信号对应侧壁分支波导相对于多频共用波导呈四路对称式分布。本发明具有相对带宽大、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。解决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。
46.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。