波导极化转换装置的制作方法

1.本发明涉及卫星地球站天线波导网络系统中的一种关键部件，其作用是将线极化电磁波转换为圆极化电磁波经由馈源、反射体辐射到自由空间，实现与地球轨道上运行的卫星互联通信的功能。


背景技术：

2.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。
3.现阶段波导圆极化器主要有以下几种形式：
4.1、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；
5.2、介质片圆极化器：该形式圆极化器件在方波导(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；
6.3、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。
7.4、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。
8.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。


技术实现要素：

9.有鉴于此，本发明提出波导极化转换装置，其具有小型化、带宽宽、结构紧凑、低成本的特点。
10.基于上述目的，本发明提供的技术方案是：
11.波导极化转换装置，其包括波导腔体、微波介质板两个主要部件，其中，波导腔体主要分为三个部分，分别是方波导馈线段，扁波导馈线段，矩形波导馈线段，区别于拼接设计，三段为一体结构；
12.所述方波导馈线段：其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馈线段的一侧端口相连；
13.扁波导馈线段与方波导终端相连，其内壁截面为长方形，内壁长边尺寸与方波导
馈线段内壁尺寸一致，宽边尺寸小于长边尺寸；
14.进一步地，扁波导内腔设置有一隔板，其为薄片结构，隔板设置在扁波导段的几何中心位置，将扁波导分割为左、右两部分空间，左、右两部分空间关于隔板镜像对称；
15.进一步地，在隔板临近方波导终端的位置设置有卡槽，用于固定印制板，在卡槽的一侧(左侧或右侧)设置有矩形缝隙开口，其位置、尺寸大小由印制板上的矩形缝隙决定；在卡槽的另一侧(右侧或左侧)为实体结构，无开槽设计；
16.在矩形缝隙开口同侧的扁波导终段设置有矩形波导馈线段，其内壁长边尺寸与扁波导馈线段内壁尺寸一致，宽边尺寸为对应工作频段的标准波导宽边尺寸，矩形波导馈线段出口作为收发信号的馈入端口；对应的另一侧扁波导终端做了短路处理，短路位置与扁波导和矩形波导交接位置关于隔板呈镜像关系；
17.波导内设置有微波介质板，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内壁上、两边垂直，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，主要构成分为三个部分：金属地，辐射振子，引向单元；
18.其中，金属地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；
19.进一步地，金属地的上、下两个边各设置有一排金属过孔，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；
20.进一步地，金属地敷铜延伸末端中心位置设置有倒"t"型豁口，在微波介质板两侧的金属地上均有设置，两豁口内部均设置有完全一样的“倒t型”带线匹配支节，“倒t型”匹配支节通过平行双线延伸至一对辐射振子臂上；
21.辐射振子由辐射振子臂、平行双线和倒t型带线匹配枝节构成，其中，辐射振子臂关于微波印制板几何中心线镜像对称，两辐射振子臂分置于微波介质印制板正、反两面；
22.进一步的，分置于微波印制板正反两面的平行双线馈接于辐射振子臂与”倒t型“匹配支节之间；
23.进一步的，辐射振子臂为倾斜设置，与平行双线夹角为60
°
；在辐射振子臂的顶端，依次设置有三个圆形贴片引向单元，分别是圆形贴片引向单元1、圆形贴片引向单元2和圆形贴片引向单元3，直径分别为0.15λ0，0.12λ0，0.1λ0，所述λ0为天线工作频率对应的波长；
24.进一步地，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，圆形贴片引向单元15与辐射振子臂的顶端的间隙为0.011λ0，圆形贴片引向单元15和圆形贴片引向单元16的中心距为0.32λ0，圆形引向单元16和圆形贴片引向单元17的中心距为0.29λ0；
25.进一步地，三个圆形贴片引向单元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；
26.从上面的叙述可以看出，本发明技术方案的有益效果在于：
27.1、本发明波导极化转换装置具有结构紧凑，简单，尺寸小的特点。
28.2、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
29.为了更加清楚地描述本专利，下面提供一幅或多幅附图，这些附图旨在对本专利的背景技术、技术原理和/或某些具体实施方案做出辅助说明。
30.图1是图1是本发明实施例中波导极化转换装置的三维外形结构示意图。
31.图2是本发明实施例中波导极化转换装置的内部结构示意图。
32.图3是本发明实施例中波导极化转换装置侧视图。
33.图4是本发明实施例中微波印制板正面示意图。
34.图5是本发明实施例中微波印制板背面示意图。
具体实施方式
35.为了便于本领域工程技术人员对本专利技术方案的理解，达到阐述本专利技术方案和有益效果更加清晰目的，从而使权利要求书的保护范围得到充分支持，下面以具体案例的形式对本专利的技术方案做出进一步的、更详细的说明。
36.如图1～5所示，波导极化转换装置，其包括波导腔体1和微波介质板2组成，微波介质板2嵌入在波导腔体内部，波导腔体的一端为矩形波导端口3，其为为设备网络接口；另一端为方波导端口4，其为天线馈源接口。
37.具体地，波导腔体主要分为三个部分，分别是方波导馈线段l1，扁波导馈线段l2，矩形波导馈线段l3，采用数控铣床加工工艺实现三段为一体化结构；
38.方波导馈线段l1，一端为馈源接口，与馈源相连，另一端与扁波导馈线段相连，其内腔截面为正方型，边长满足传输信号主模的边界条件，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4的位置超过微波介质板的延伸的终端位置的长度为0.03λ0，
39.所述方波导馈线段：其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馈线段的一侧端口相连；
40.所述扁波导馈线段l2主要由几部分组成，分别是扁波导腔体、隔板5、短路面6，卡槽7、矩形缝隙开8，
41.具体地，扁波导馈线段l2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馈线段内壁尺寸一致，宽边尺寸小于长边尺寸，约为0.35λ0，长度l2约为0.625λ0。
42.隔板5设置在扁波导馈线段l2腔体内，隔板的厚度为3mm，长度l4隔板板设置在扁波导段的几何中心位置，将扁波导分割为左、右两部分空间，左、右两部分空间关于隔板镜像对称，右半空间的末端设置由于，防止信号泄露，在左半空间与短路面6位置关于隔板5镜像的位置为矩形波导接口位置。
43.在隔板5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，开槽深度为l5,在卡槽的左侧(与矩形波导同侧)外壁上设置有矩形缝隙开口8，其呈长条状延伸方向与矩形波导长边平行，其几何中心点在隔板左侧表面的几何中心线上。
44.波导内设置有微波介质板2，其前端指向方波到口4，后端放置在卡槽7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；
45.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内壁上、两边垂直，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，主要构成分为三个部分：金属地9，平行双线13，一对辐射振子臂14，三个圆形贴片引向单元15、16、17；
46.其中，金属地9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；
47.进一步地，金属地的上、下两个边各设置有一排金属过孔10，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9的纵向长度即可；
48.进一步地，在距离金属地底部l5，设置有长度为l6缝隙18，其呈长方形结构，其中l5＝0.08λ0,l6＝0.32λ0，缝隙宽度为1mm；
49.进一步地，微波介质板介质面两侧金属地9敷铜延伸末端中心位置有两个完全一致的倒"t"型豁口11，两豁口内部均设置有完全一样的“倒t型”带线匹配支节12，“倒t型”匹配支节12通过平行双线13延伸至一对辐射振子臂14；
50.辐射振子由一对辐射振子臂14、平行双线13和一对倒“t”型带线匹配枝节12构成，
51.其中，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；
52.其中，倒t型匹配枝节12的长度为l8＝0.11λ0；
53.进一步的，分置于微波印制板两面的平行双线馈接于辐射振子臂与”倒t型“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；
54.倒“t”型带线匹配枝节12设置在金属地上的"t"型豁口11内，豁口区域包围倒“t”型带线匹配枝节12，二者之间留有间隙。
55.在辐射振子臂14的顶端，依次设置有三个圆形贴片引向单元，分别是圆形贴片引向单元15、圆形贴片引向单元16和圆形贴片引向单元17，直径分别为0.15λ0，0.12λ0，0.1λ056.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，圆形贴片引向单元15与辐射振子臂的顶端的间隙为0.011λ0，圆形贴片引向单元15和圆形贴片引向单元16的中心距为0.32λ0，圆形引向单元16和圆形贴片引向单元17的中心距为0.29λ0；
57.进一步地，三个圆形贴片引向单元与振子臂14位于位于微波印制板同侧；
58.进一步地，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；
59.本波导极化转换装置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
60.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te
01
模式电磁场波，该电磁波在扁波导中激励矩形缝隙开口8，并通过设置在微波印制板金属地上的缝隙18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，经由金属地末端的倒"t"型匹配枝节12耦合、经过平行双线13传递给振子臂14，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；
61.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。
62.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。
63.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。
64.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。