Ku/Ka双波段收发共用馈源

摘要

本发明提供了一种Ku/Ka双波段收发共用馈源，包括：Ku波段收发系统，所述Ku波段收发系统包括依次相连的Ku辐射端、阶梯式扼流环、同轴连接段、Ku波段同轴正交模耦合器和Ku波段接收端滤波器；以及与所述Ku波段收发系统嵌套在同轴中的Ka波段收发系统，所述Ka波段收发系统包括依次相连的介质棒结构、介质圆极化器、Ka波段正交模耦合器和Ka波段接收端滤波器。根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源，Ku波接收端驻波小于1.4，交叉极化小于-30dB，发射端驻波小于1.3，交叉极化小于-23dB，收发隔离度小于-110dB；Ka波接收端驻波小于1.8，发射端驻波小于1.7，轴比小于1.8，收发隔离度小于-82dB。

说明书

技术领域

本发明涉及无线微波通信中天线馈源领域，更具体地涉及Ku/Ka 双波段收发共用馈源。

背景技术

近些年来，卫星通信在商业领域和军事领域发展迅速，用途越来 越多样。传统的C波段S波段已经不能够满足现代卫星通信的需求。最 近，电视、通讯和导航领域提出了新的概念：卫星直播，使用户直接 获得卫星信号而不通过其它中介系统。这要求卫星通信天线系统的成 本更低，集成度更高，并且更加小型化。

若要提高天线系统的性能，首先需要有高性能的天线馈源。

美国John Joseph Hanlin等人在名称为“Dual Band Satellite  Communications Antenna Feed”的美国专利No.6,720,933B2中介绍了一 种同轴嵌套的Ku/Ka双频天线馈源，其内部是Ka波段圆波导加载的介质 天线，外套Ku波段同轴结构连接波纹喇叭。这种结构能使Ku和Ka波的 工作结构分离，独立运行。其缺点是Ka波段只能运行单一频率且只有 一种极化方向，并且馈电和极化隔离系统较为复杂。加拿大 University of Victoria的Hendrik Albertus Thiart等人发表的“Prototype  Design of a Dual-band Dual-polarization Ku/Ka-band Feed” (Proceedings of the European Microwave Association； December 2006；Vol.2；318-325)描述了一种双频双极化Ku/Ka波共 用的天线馈源，其用探针结构实现Ku波的馈电和极化分离，馈电结构 简单，但其Ka波仍只能工作于单一频率及单一极化方向，且Ku和Ka波 不能在结构上实现完全隔离，容易互相干扰。

随着应用技术的发展和高频信道的开发，工程中急需一种能够实 现Ku/Ka双频段、双极化方向、收发一体化的高性能天线馈源。

在杨仕文等人于2011年1月12日提交的中国专利No. 102136634A中公开了一种Ku/Ka频段圆极化一体化收发馈源天线，然 而其仍具有以下缺点：1.整体尺寸偏大；2.使用SMA探头馈电，增加 了损耗；3.驻波比、轴比等数据均未达到国内外先进水平。

发明内容

为了解决现有技术中的上述缺点和问题而提出本发明。

本发明是为了在工程中实现Ku/Ka波段双频共用，每个频段均拥有 双极化方向且收发一体的高性能天线馈源。该馈源拥有良好的Ku/Ka波 频段隔离，频段内良好的极化分离和极化隔离，良好的辐射特性及驻 波比。

根据一个方面，提供了一种Ku/Ka双波段收发共用馈源，包括： Ku波段收发系统，所述Ku波段收发系统包括依次相连的Ku辐射端、 阶梯式扼流环、同轴连接段、Ku波段同轴正交模耦合器和Ku波段接 收端滤波器；以及与所述Ku波段收发系统嵌套在同轴中的Ka波段收 发系统，所述Ka波段收发系统包括依次相连的介质棒结构、介质圆极 化器、Ka波段正交模耦合器和Ka波段接收端滤波器。

根据本发明的一个方面，所述Ku波段同轴正交模耦合器包括：同 轴结构内波导、Ku波同轴正交模耦合器外壁和在Ku波段的两个频段相 应的端口的对称矩形变换结构。

根据本发明的一个方面，所述对称矩形变换结构包括：Ku发射端 矩形变换、Ku发射端矩形变换短路匹配和Ku发射端矩形变换短路匹 配；以及Ku接收端矩形变换、Ku接收端矩形变换短路匹配和Ku接 收端矩形变换短路匹配。

根据本发明的一个方面，所述Ku波段同轴正交模耦合器包括分别 在所述Ku发射端矩形变换和所述Ku接收端矩形变换后的Ku发射端 90°斜面弯头和Ku接收端90°斜面弯头。

根据本发明的一个方面，所述Ku辐射端采用波纹喇叭。

根据本发明的一个方面，基于驻波比、方向图和交叉极化的要求 来调整所述波纹喇叭的槽的数量、槽深、槽宽及间隔距离。

根据本发明的一个方面，所述阶梯式扼流环能够有效地隔离高频 电磁波并且能很好的调整驻波比。

根据本发明的一个方面，所述介质棒结构由依次相接的介质天线、 介质填充段和介质匹配段组成。

根据本发明的一个方面，根据以下标准来选择介质棒结构的直 径：其中，d表示介质棒的直径，λ表示电磁波在介 质中的波长，ε_r表示介质的介电常数。

根据本发明的一个方面，所述Ku/Ka双波段收发共用馈源进一步 包括在同轴结构内波导末端的圆锥喇叭。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明一些示范性实施例的上述 和其他方面、特征和优点对于本领域技术人员来说将变得显而易见， 其中：

图1是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的外形结构示意 图；

图2和图3是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的正剖视图 和横剖视图；

图4是圆锥喇叭的结构放大图；

图5是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的Ka收发结构、同 轴结构内波导及其组件的原理透视图；

图6是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的Ku接收频段的 仿真驻波比；

图7是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的Ku发射频段的 仿真驻波比；

图8是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的Ka接收频段的 仿真驻波比；

图9是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的Ka发射频段的 仿真驻波比；

图10是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的Ku接收频段中 心频点E面和H面方向图；

图11是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的Ku发射频段中 心频点E面和H面方向图；

图12是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的Ka接收频段中 心频点E面和H面方向图；

图13是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的Ka发射频段中 心频点E面和H面方向图；

图14是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的Ku接收频段中 心频点的交叉极化方向图；

图15是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的Ku发射频段中 心频点的交叉极化方向图；

图16是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的Ku波段的隔离 度；

图17是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的Ka波段的隔离 度；

图18是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的Ku接收频段的 测试驻波比；

图19是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的Ku发射频段的 测试驻波比；

图20是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的Ka接收频段的 测试驻波比；

图21是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的Ka发射频段的 测试驻波比；

图22是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的Ku波段轴比测 试结果；以及

图23是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的Ka波段轴比测 试结果。

具体实施方式

提供参考附图的下面描述以帮助全面理解本发明的示范性实施 例。其包括各种细节以助于理解，而应当将它们认为仅仅是示范性的。 因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做 出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清 楚和简明，省略了对公知功能和结构的描述。

下面将参考附图详细描述本发明。

图1是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的外形结构示意 图。由于本发明实现了Ku/Ka波段中四个频段不同极化的收发功能共型 一体化，并且所以可以从该外形结构示意图中看出本发明在结构上更 加紧凑。

图2和图3是根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的正剖视图 和横剖视图。

如图2和图3中所示，根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源包括 Ku波段收发系统和与Ku波段收发系统嵌套在同轴中的Ka波段收发系 统。

所述Ku波段收发系统包括依次相连的Ku辐射端、阶梯式扼流 环102、同轴连接段103、Ku波段同轴正交模耦合器100和Ku波段接收 端滤波器113。

在本发明中，Ku辐射端采用波纹喇叭101，波纹喇叭101是一种行 波天线，其在工程中使用广泛，设计技术非常成熟，但应用于同轴结 构并不多见。本发明专门为此设计了一款波纹喇叭，以满足需要。具 体地，本发明使用轴向开槽的波纹喇叭101，基于驻波比、方向图和交 叉极化的要求来调整喇叭槽的数量、槽深、槽宽及间隔距离。

阶梯式扼流环102起到带通滤波器的作用，目的是有效的隔离高频 电磁波以及能很好的调整驻波比，即增加高低频的隔离度(主要是避 免Ka波进入Ku波收发结构)。因为Ku和Ka两个波段间隔很大，所以可 以参照相应滤波器理论来设计阶梯式扼流环102。

同轴连接段103加入在阶梯式扼流环102和Ku波段正交模耦合器 100之间，用于完整同轴结构。

Ku波段同轴正交模耦合器100首先包括同轴结构内波导117和Ku 波同轴正交模耦合器外壁121。

Ku波段同轴正交模耦合器100可以进一步包括在Ku波段的两个频 段相应的端口的对称矩形变换结构，包括：Ku发射端矩形变换106、Ku 发射端矩形变换短路匹配107和Ku发射端矩形变换短路匹配118；以 及Ku接收端矩形变换110、Ku接收端矩形变换短路匹配111和Ku接收 端矩形变换短路匹配119。这就避免在馈源后使用180°电桥的功分器 或合路器。

不仅如此，本发明在每个频段统一使用单端口结构，这就不需要 再连接功分器或合路器，便于连接并且大大简化了整体系统。

为了方便工程连接，在Ku发射端矩形变换106和Ku接收端矩形变 换110后分别连接Ku发射端90°斜面弯头108和Ku接收端90°斜面弯头 112。在Ku接收端114前设计了Ku波段接收端滤波器113，用来实现收发 隔离。

所述Ku波段同轴正交模耦合器100进一步可以包括匹配环组104和 匹配圆台116，用于调整Ku波收发结构整体的驻波比。此外，匹配环组 104也具有一定的滤波作用。为了配合工程制造，匹配环组104和匹配 圆台116可以集成到同轴结构内波导117上。

所述Ku波段同轴正交模耦合器100进一步可以包括栅式垂直极化 反射器105，用于反射垂直极化，其不用连接同轴的内外壁，在加工中 不用在外壁上开定位槽，并且节省了安装步骤，降低了安装定位难度。 较之传统的平板反射器，其在同轴系统中拥有更加良好的回波损耗。 所述Ku波段同轴正交模耦合器100进一步可以包括水平极化反射器 115，其与以往的水平极化反射器不同，其对信号的反射更为主动，并 增加了匹配圆台116，更有利于信号的反射以及驻波比的调整。

为了配合工程制造，本发明将栅式垂直极化反射器105、水平极化 反射器115集成到同轴结构内波导117上。Ku波段正交模耦合器采用正 交的极化波进行激励，从而有效的遏制了TEM模的产生，最大程度的 激励TE₁₁模。接收信号和发射信号使用正交结构工作，可以有效的进行 极化隔离。

应注意的是，在上面没有描述Ku波段同轴正交模耦合器100的一些 部件的相对位置或如何定位，但是本领域技术人员将清楚地理解在保 证驻波比最小且极化隔离最大的情况下可以对各部件进行相应的调 整。

所述Ka波段收发系统包括依次相连的介质棒结构、介质圆极化器 和Ka波段正交模耦合器。

所述介质棒结构由依次相接的介质天线201、介质填充段203和介 质匹配段204组成。介质棒结构的作用是将圆波导的主传输模TE₁₁转换 成HE₁₁混合模，并进行接收和发射工作。为了避免产生HE₁₁之外的高 次模，可以采用以下标准来选择介质棒结构的直径(即介质填充段203 的直径)：

$d/\lambda <0.626/\sqrt{{ϵ}_r}$

其中，λ表示电磁波在介质中的波长，ε_r表示介质的介电常数。

Ka辐射端包括介质天线201，其是一种表面波天线。Ku辐射端和 Ka辐射端分别使用行波天线和表面波天线来分别控制Ku和Ka波段的 辐射特性，使得这两个波段之间几乎不会相互影响，且有利于设计出 良好的辐射特性。为了适应工程需要，本发明对传统的介质天线201进 行了改造，其特别之处在于：为了增强辐射特性，在同轴结构内波导 117末端添加了圆锥喇叭202。也就是说，本发明的Ka辐射端由介质天 线201和圆锥喇叭202组成。可以调整相应的尺寸，来优化驻波比和方 向图。

由于电磁波在介质中的波长小于其在空气中的波长，因此本发明 在设计时将介质填充段203扩展至全部同轴内波导117，这样做可以使 发明的整体尺寸减小，从而使波纹喇叭101小型化，减少对天线反射系 统的遮挡。同时，设计了圆锥过渡205，以连接空气圆波导相应结构。

介质填充段203不仅充满整个同轴结构内波导117，在其后有一段 延伸，以满足工程连接的需要。本发明将介质匹配段204放置于一段圆 锥过渡段205中，由此连接介质填充圆波导结构和空气圆波导结构。

为了实现Ka波圆极化的特征，本发明采用了介质圆极化器，包括 介质片206和介质片导轨207，其主要部分是介质片206。介质圆极化器 可将圆波导中的主模TE₁₁模分解为两个正交、等幅、相位相差90°的主 模信号，以此实现信号的圆极化。实现其作用的关键是保证介质片206 与信号的极化方向在轴向上成45°夹角。而介质片206的总长度影响相 位差值。介质移相器的设计直接影响了Ka圆极化波的轴比。

所述Ka波段正交模耦合器可以包括如图所示的水平极化反射板 208、Ka接收端矩形变换209、Ka接收端90°斜面弯头210、Ka波段接收 端滤波器211、Ka接收端接口212、Ka发射端矩形变换213、Ka发射端 接口214。与Ku波段类似，在接收端也使用了Ka接收端90°斜面弯头210 和Ka波段接收端滤波器211。由于本发明的Ka波段正交模耦合器与传统 的正交模耦合器结构相似，所以在此不再进行详细描述。

图4以放大图的形式示出了圆锥喇叭202。

图5以透视原理图的形式示出了根据本发明的Ku/Ka双波段收发共 用馈源的Ka收发结构、同轴结构内波导及其组件。

图6至图23示出了根据本发明的Ku/Ka双波段收发共用馈源的仿真 结果。

本发明是以在工程中实现为设计原则，并使用工程仿真软件HFSS 进行设计仿真。

首先，确定介质棒的直径。如之前所述的，采用以下标准来选择 介质棒结构的直径：

$d/\lambda <0.626/\sqrt{{ϵ}_r}$

其中，d是介质棒结构的直径，λ表示电磁波在介质中的波长，ε_r表示介质的介电常数。只有确定了介质棒的直径后，才能进行下一步 工作。接下来，决定同轴结构内波导117的外径尺寸，因为在末端有Ka 波的辐射辅助结构——圆锥喇叭202，所以应在满足圆锥喇叭202的设 计要求(例如配合介质天线，拥有良好的驻波比和方向图)下，选择 最小的外径。然后依据同轴理论选择同轴结构外壁的内径，即同轴连 接段外壁120和Ku波同轴正交模耦合器外壁121的内径。

然后设计Ka辐射端，其由介质天线201和圆锥喇叭202组成。 例如，可以针对Ka频段的驻波比和方向图来调整介质天线201和圆锥 喇叭202的尺寸。例如，波纹喇叭101的开槽方向、开槽数量和张角 角度视具体的工程需求决定；槽深应大于等于λ/4；槽间距和槽宽之比 为1∶2左右。例如，例如，介质天线201的直径d≈λ_min/(3～4)，长度 l≈0.5λ_min。

完成以上步骤后，设计Ku波段同轴正交模耦合器结构100。由于在 上面已详述了本发明的Ku波段同轴正交模耦合器结构100的构成，所 以在此不再重复。

完成Ku波段收发结构的初步设计后，同轴结构的长度就大致成形。 然后进行Ka波段收发结构的设计。

在完成各部分的独立设计后，进行联合仿真。其主要目的是使各 端口同时拥有良好的驻波比。首先对公共部分进行调整，然后调整各 端口的独有部分，已达到预期目标。公共部分调整主要是指同轴连接 段103的长度在工程需要范围内进行调整。

介质移相器中介质片要求相对介电常数ε_r要大，而损耗正切 tanδ要小，厚度一般为 t＝λ/10，斜边长总长度

其中λ_g中——介质在波导中间时的波导波长

λ_g边——介质在波导边上时的波导波长

φ——要求的相移量。

其他部分的调整都是为了满足驻波比、极化隔离、轴比等数据进 行的微调。

如图6-23中所示，本发明完成全部设计的仿真结果为：

1.Ku波接收端驻波小于1.4，交叉极化小于-30dB，发射端驻波 小于1.3，交叉极化小于-23dB，收发隔离度小于-110dB。

2.Ka波接收端驻波小于1.8，发射端驻波小于1.7，轴比小于1.8， 收发隔离度小于-82dB。

虽然本说明书包含许多特定实施方式细节，但是不应当将这些细 节解释为对任何发明或可以主张的内容的范围的限制，而应当解释为 对可以特定于特定发明的特定实施例的特征的描述。还可以将在本说 明书中在分离的实施例的情境中描述的某些特征组合在单个实施例中 实现。相反地，也可以将在单个实施方式的情境中描述的各个特征分 离地在多个实施方式中实现或在任何适当的子组合中实现。此外，尽 管可能在上面将特征描述为在某些组合中起作用，甚至最初主张如此， 但是可以在一些情况下将来自所主张的组合的一个或多个特征从组合 中删去，并且可以将所主张的组合指向子组合或者子组合的变体。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域 技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种 各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内 所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。