专利名称：一种波导型极化分离器的制作方法
技术领域：
本发明涉及卫星收发中的双极化天线结构的领域，特别涉及一种波导型极化分离 器。
背景技术：
在卫星的发射阶段有效载荷的重量和尺寸对卫星来说是很重要的因素，极化分离 器是双极化天线结构的一个很重要的部件，通常位于圆形喇叭的后面，其线极化输出用来 激励圆波导，输入则由两个矩形波导激励，天线馈源的尺寸和重量非常重要，一般来说希望 重量和尺寸越小越好。 现有的波导型双极化分离器，多为正交模耦合器，采用主波导单模片结构，通过耦 合孔将垂直极化信号提取出去，该结构包括主波导管、主波导管顶面上的侧壁波导耦合窗 及主波导管内的模片，如附图1。 其主要不足是1)为了在主波导达到对垂直极化信号的抑制，单膜片结构中膜片 尺寸很长，从而带来耦合器尺寸很长，最终导致卫星收发系统的质量增大；2)可调配的手 段缺乏，模片位置不能固定，只有靠实验确定最终位置；3)为了使正交模耦合器与波纹喇 叭达到良好的匹配，往往需要引入调谐螺钉，导致结构不对称性，正交模耦合器交叉极化电 平不好。现有技术采用的单层膜片从理论分析上较为简化，影响正交模耦合器性能的主要 参数较少，方便调节，但模片长度很长，不利于小型化正交模耦合器。 总之，现有的双极化分离装置(正交模耦合器)存在着质量大、尺寸大、交叉极化 电平差、需要实验定位等缺点。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有的单膜片结构中膜片尺寸很长、单模片设备的调 解困难及正交膜耦合器交叉极化电平不好等问题，从而提出一种波导型极化分离器，以配 合紧凑型波纹喇叭组成卫星天线。 为实现上述目的，本发明提供了一种波导型极化分离器，该极化分离器包括主波
导管、主波导管顶面上的侧壁波导耦合窗及主波导管内的模片，其特征在于，所述的模片为
2个或2个以上，平行放置在主波导管内；所述的主波导管底面上对应地设置有一调谐台
阶位于侧壁波导耦合窗下方；所述的调谐台阶为设置在主波导管底面上的长方形的金属盒
体，该金属盒体的前侧面和后侧面抵于主波导管的前侧面和后侧面。 所述的两个或以上的模片偏离波导耦合窗水平平行放置在主波导管内。 所述的调谐台阶的金属盒体为5个面的盒体，扣在主波导管底面上。 所述的模片的位置和尺寸采用时域有限差分和遗传算法相结合的方法确定。 本发明采用主波导多模片配合对称台阶以及耦合窗结构有效实现质量、尺寸降
低、改善交叉极化电平和加工一次到位等优点。针对这种双膜结构，利用时域有限差分
(FDTD)和遗传算法(Gas)相结合的方法对这种结构进行分析，确定加工尺寸。
由于本发明可以适用于任何频率，因此模片、台阶、耦合孔等结构尺寸是随频率变 化的，如有需要可以得到任何频率下的具体尺寸。 本发明的优点在于，有效抑制垂直极化信号，而模片长度有效减小，耦合器尺寸 合质量减小；引入对称调谐台阶，不改变结构对称性，实现较好的交叉极化电平；同时结合 紧凑型圆锥波纹喇叭，可以大幅度降低馈电系统结构尺寸和质量，结果显示尺寸可以减小 60%，质量减小40 50%。
图1是现有的极化分离器结构图； 图2是本发明的波导型极化分离器； 图3是FDTD和遗传算法迭代过程；
图4-a是测量的本发明极化分离器和波纹喇叭H端口的驻波系数； 图4-b是测量的本发明极化分离器和波纹喇叭V端口的驻波系数； 图5是测量的本发明极化分离器与波纹喇叭的插入损耗系数；
图6-a是测量的本发明极化分离器与波纹喇叭的H平面方向图6-b是测量的本发明极化分离器与波纹喇叭的E平面方向图7-a是测量的可展开天线和本发明极化分离器和波纹喇叭的H平面方向图7-b是测量的可展开天线和本发明极化分离器和波纹喇叭的E平面方向图； 图8用FDTD仿真94GHz与实测结果对比图，其中，Frequency :频率；simulation : 仿真；experiment :实验。
附图标识 1、第一膜片 2、第二膜片 3、调谐台阶
4、耦合窗 5、主波导管 6、侧壁波导管
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。 本发明采用了一种新型的紧凑型双模片结构。为减少波纹喇叭的尺寸和重量，采 用了紧凑型波纹喇叭，使得两个主平面内获得相同的方向图。遗传算法是一种模拟自然选 择的搜索技术。它不像其他优化算法要依赖梯度信息，遗传算法直接给出在全空间的最优 解。另外，遗传算法比较稳健和简单，计算速度也比遍历方法要快。在本申请中，利用FDTD 和微遗传算法相结合来优化的驻波比，优化参数是FDTD单元的尺寸。本例给出了一种用于 双极化可展开天线的紧凑型和圆锥波纹喇叭的分析和设计实例，此系统将用于海洋卫星2
号的定标和校正辐射计可展开天线系统，其中，所述的紧凑型波纹喇叭的横截面公式为
y = r+RX (0. 3 X x/L+0. 7 X sin2 (Ji /2 X x/L))
r和R分别是波导和喇叭的半径，L是喇叭的长度。 本申请对新型波导型双模片极化分离器和紧凑型波纹喇叭进行了优化设计，从实 测结果中可以看出，在工作频带内(23. 8GHz， 600MHz带宽)，极化分离器和馈源喇叭的VSWR 小于1. 17(两个极化)，Sll(端口 1)小于-30dB，输出端口间的隔离度小于-50dB，平均隔 离度小于-60dB，波纹喇叭在两个主平面内的方向图非常对称。非常适用于星载、机载以及一般陆基天线使用。
1、设计 假设一个方形端口由水平或垂直极化波激励。对水平极化，yz平面是理想的磁壁 (P丽)，xz平面是理想的电壁(PEW);对垂直极化yz平面是理想电壁，xz平面式理想磁壁， 它们分别激励起相对应的模式。 当垂直极化波激励端口时，垂直于电场的模片对信号的轴向传输影响很小。理论 上，横向端口有信号泄露出去，但可以通过两种方法避免这种现象。首先，横向传输的模式
是消逝模，由横向缝隙隙所构成的波导其截止频率高于垂直极化波的频率。这可以理解为 垂直极化波增加了一个电抗性负载。其次，可以通过调整缝隙的宽度和高度来对这个负载 进行匹配。 水平极化波受缝隙的影响很小。在设计时，应当折中考虑这两种极化方式。从通 用端口来的水平极化波传播到模片区域，电磁场被模片分为三个区域。通过合理设计模片 的横截面，横向波导也可以同时受到激励。 如附图2为新型波导型极化分离器结构。它在主波导里面引入了双模片(传统结 构只有一个)。主要由三部分组成轴向部分，横向部分以及一个三端口接头。轴向部分连 接y向渐变器，方形端口接在轴向部分后面。 这种新型的有两个优点(i)尺寸的减少可以抑制通用端口水平极化各模式之间
的耦合，(ii)更有利于水平极化波横向端口和通用端口的匹配。设计参数为模片的厚度、
长度和位置；容性台阶的宽度、高度和位置。阻抗变换器用来连接标准波导。 遗传算法是从自然选择和遗传衍生而来的自适应启发式搜索算法。遗传算法模拟
达尔文关于生物界的自然选择和适者生存原理。该算法通过巧妙的设计，在搜索空间里随
机地寻找问题的最优解。 选择、杂交、变异是该算法执行的三个操作。优化过程则主要是定义基因、编码、解 码、制定选择标准以及达到一个目标的要求，寻找参数间的相关性等。这里所有术语都是从 生物进化领域里面借鉴的。整个优化过程如附图3所示。
FDTD仿真 用FDTD仿真94GHz 。其尺寸如下(单位mm):主波导2. 032 X 2. 032，侧波导 2. 032 X 1. 016，模片长度3. 81，阶梯高度0. 1778，阶梯长度1. 27，缝隙宽度0. 8636，缝隙长 度1.727，模片和侧波导的距离0.8382。由附图8可以看出，仿真结果和实测结果吻合非常 好。 这里阶梯的高度和宽度、模片的长度和位置、缝隙的宽度和长度是优化参数。优化 目标函数是 F = ClXfl+C2Xf2+.+CnXfn (1) Cl， C2......Cn为系数和fl， f2......fn是波导的驻波比。 在优化过程中，一般遗传算法所用的群体数都非常大，这里用微遗传算法(mGA) 来减少所用群体。微遗传算法用群体重置策略来避免局部极值，并非常巧妙地采用一个优 选算子来保证最优个体的特征能够遗传到下一代。 一般遗传算法的群体数从100到10000， 微遗传算法的群体一般是20到50。遗传算法因子具体包含如下几个参数
群体数50
世代200 交叉率0. 5 应用7位2进制编码系统 微遗传算法执行过程中，有限的群体可能导致结果停留在一个伪最优值上面，即 使群体中还存在其他的备选结果。这种现象叫做遗传漂移。在自然界和算法执行过程中都 存在这种现象。 当出现遗传漂移时，所有的可能的点都认为是合适的，同时群体只收敛到折中表 面的一小块区域。通过引入niche感应法可以利用群体中的多样性，来同时拾取多个备选 点。个体一般都分布在最优值点附近，这就是所谓的niches。利用最优值共享及限制匹配 技术能够阻止遗传向最小值漂移。由于个体并不单独存在，结果最优值在群体中重新分布， 并且存在于染色体很少的区域。对于个体i，其共享最优值f' i用fi表示如下 N代表群体数，dij代表个体i和j的距离。共同函数Sh代表群体元素间的相似度， 判据是相异阈值os。 2、本申请利用FDTD方法分析设计了带宽为23. 8GHz的极化分离器。耦合器在主 波导里采用双模片结构(传统结构只有一个)。这种结构有两个优先(i)尺寸的减少能够 抑制通用端口水平极化模式之间的耦合；(ii)更有利于水平极化方式下横向端口和通用 端口的匹配。阻抗转换器用来连接标准波导。紧凑型波纹喇叭也用来进一步减少天线系统 的尺寸。波纹喇叭的横截面方程为 y = r+RX (0. 3Xx/L+0. 7Xsin2(Ji/2Xx/L)) (4)
r和R分别是波导和喇叭的半径，L是喇叭的长度。 附图4-附图7是在暗室中对天线方向图、VSWR以及隔离度的测量结果。
由图中可以看出新型比一般小很多，实际这种长度不到20mm，不到普通的三分之 一。同时波纹喇叭的长度大约是普通圆锥波纹喇叭的一半，并且相位中心靠近喇叭口，交叉 极化也比较低。图4测的是驻波系数，所述的驻波系数表示待发送的无线电信号经过天线 传播是否有反射损耗，该系数的理想值为l，此时表示待发送的无线信号经过天线时没有反 射损耗。 一般工程上要求驻波系数低于2，附图4-a和附图4-b测量结果显示水平极化(H 端口 )和垂直极化(V端口 )的驻波比系数(VSWR)都小于1. 17 ;附图5所示的，水平(H) 端口和垂直(V)端口之间的隔离度小于-45dB，其中该值表示水平和垂直的两个极化信号 之间干扰的值，附图5得到的测量值均小于_50dB，即水平极化信号与垂直极化信号干扰很 小。 附图6-a和附图6-b是磁场平面(H)和电场平面(E)的方向图。在图中可以看出， 波纹喇叭和极化分离器的交叉极化小于-35dB，电场平面和磁场平面的相似性非常高。方向 图的这种对称性正是辐射计测量所要求的。 紧凑型波纹喇叭以及可展开天线系统的磁场平面(H)和电场平面(E)的方向图如 附图7-a和7-b所示。其副瓣小于_30(18，和仿真结果吻合非常好。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
权利要求
一种波导型极化分离器，该极化分离器包括主波导管、主波导管顶面上的侧壁波导耦合窗及主波导管内的模片，其特征在于，所述的模片为2个或2个以上，平行放置在主波导管内；所述的主波导管底面上对应地设置有一调谐台阶位于侧壁波导耦合窗下方；所述的调谐台阶为设置在主波导管底面上的长方形的金属盒体，该金属盒体的前侧面和后侧面抵于主波导管的前侧面和后侧面。
2. 根据权利要求1所述的波导型极化分离器，其特征在于，所述的两个或以上的模片 偏离波导耦合窗水平平行放置在主波导管内。
3. 根据权利要求1所述的波导型极化分离器，其特征在于，所述的调谐台阶的金属盒 体为5个面的盒体，扣在主波导管底面上。
4. 根据权利要1所述的波导型极化分离器，其特征在于，所述的模片的位置和尺寸采 用时域有限差分和遗传算法相结合的方法确定。
全文摘要
本发明提出一种波导型极化分离器，该极化分离器包括主波导管、主波导管顶面上的侧壁波导耦合窗及主波导管内的模片，其特征在于，所述的模片为2个或2个以上，平行放置在主波导管内；所述的主波导管底面上对应地设置有一调谐台阶位于侧壁波导耦合窗下方；所述的调谐台阶为设置在主波导管底面上的长方形的金属盒体，该金属盒体的前侧面和后侧面抵于主波导管的前侧面和后侧面。所述的模片为2个或2个以上，偏开波导耦合窗水平平行放置在主波导管内。所述的调谐台阶的金属盒体为5个面的盒体，偏开或正对侧壁波导耦合窗扣在主波导管底面上。所述的模片的位置、尺寸采用时域有限差分和遗传算法相结合的方法确定。
文档编号H01P1/16GK101794923SQ200910242268
公开日2010年8月4日 申请日期2009年12月8日 优先权日2009年12月8日
发明者刘广, 王宏建, 程岳云, 陈雪 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心