一种紧凑型线极化跟踪器的制作方法

本发明涉及卫星通信天线技术领域中的一种紧凑型线极化跟踪器，具体涉及一种结构紧凑、用于实现移动载体卫星通信天线无源线极化跟踪的波导极化跟踪器。

背景技术：

随着卫星通信技术的发展，车载、机载或船载等移动载体卫星通信天线的应用日益广泛。卫星通信天线随移动载体时刻运动，由于卫星天线线极化角的固定不变，为了保证卫星通信天线线极化收发信号的过程中，天线极化角始终与卫星天线的极化角匹配，避免因为极化适配造成的能量损失，要求卫星通信天线线极化角度能够随时旋转，补偿由于载体移动带来的极化角度相对变化。

实际工程中，对于反射面天线，一般通过旋转线极化馈源网络来实现线极化跟踪，但是对于目前广泛应用的平板阵列天线，上述方法显然无从实施，对于圆形或近似圆形的平板阵列天线，可通过旋转整个平板阵列实现线极化跟踪，但是整个天线结构将非常复杂；对于具有一定长宽比的平板阵列天线，旋转整个平板阵列造成的空间上的变化显然无法被接受，所以设计可用于载体卫星通信天线，特别是平板阵列天线的线极化跟踪装置成为了制约相关天线极化发展的关键。

当前，线极化跟踪主要有有源和无源两种实现方式。有源线极化跟踪，原理简单，跟踪时间短，但是仅能实现对于接收频段线极化信号的跟踪，且系统驻波、隔离度等关键指标无法通过仪器直接测试，无源线极化跟踪，特别是波导线极化跟踪装置因为其对接收、发射频段的普适性以及低损耗、大功率、可测试性等特点，逐渐取代有源线极化跟踪成为主流。

中国专利申请号为201510549806.0，名称为《一种新型极化跟踪器》，公布了一种新型极化跟踪器，“解决了当前极化跟踪器两输出臂不平行输出的问题”。然而，这一发明所述极化跟踪器存在以下几个问题：一、工作带宽窄，仅在14GHz～14.5GHz频带内具体实现了极化跟踪能力，扩展到目前宽带Ku频段卫星通信频段(接收：10.95GHz～12.75GHz，发射：13.75GHz～14.5GHz)以后，驻波、相位一致性等性能指标恶化明显。制约性能的原因在于：首先，这一发明实现极化跟踪的关键技术是通过旋转内置于波导系统中同轴线形式的U形“旋转转子”实现线极化的跟踪，而同轴线到波导系统的过渡匹配带宽较窄，且功率容量不大。其次，这一发明通过改变波导宽边尺寸以改变波导波长的方法实现了正交模耦合器公共端口和两个独立正交端口之间的相位一致性问题，然而随着工作带宽的展宽，这一手段受到波导相位色散效应的影响，带宽越宽，色散越大，相位差越大。最致命的问题是，在实际工程应用中发现，即便上述发明的正交模耦合器的两个输出端口的相位差得很好，如果于其连接的平板阵列天线两个端口的相位差较大时，同样会在极化跟踪器腔体内激励反极化信号，虽然能量很弱，但是如果反极化信号不能被吸收，带来的影响是，在极化跟踪的过程中，不同的频点极化跟踪器旋转的角度是不同的，而对于某个卫星转发器天线，整个工作频带内，所有频点的极化角是固定不变的，这将极大增加极化跟踪器伺服系统的设计难度并影响通信效果。

技术实现要素：

本发明的目的是：针对现有技术的不足，提供一种紧凑型线极化跟踪器，在宽带Ku频段卫星通信频段的工作带宽内，结构紧凑，体积小，端口驻波、隔离度、相位一致性、功率容量等电气性能良好，特别是利用同轴探针耦合反极化信号，并通过同轴负载吸收，避免了平板阵列天线系统相位一致性问题对通信造成的影响。同时，本发明所涉及紧凑型线极化跟踪器可通过等比缩放，应用于其他频段。

本发明的目的是这样实现的：一种紧凑型线极化跟踪器，包括等相位正交模耦合器1、步进电机驱动总成4、旋转正交模耦合器2和L形波导旋转关节3；所述的等相位正交模耦合器1的公共端口与旋转正交模耦合器2的公共端口相连接；

L形波导旋转关节3包括一端带有齿轮的动波导31和带座波导36，动波导31带有齿轮的一端与旋转正交模耦合器2的直通端口相连接，动波导31的另一端与带座波导36的关节轴承腔体37相连接；带座波导36加工有用于安装步进电机驱动总成4的安装法兰38，安装法兰38上加工有微型轴承腔体39；

步进电机驱动总成4包括步进电机41、驱动齿轮42、电机支座43、两只小齿轮44和传动杆45，步进电机安装于电机支座43上，驱动齿轮42安装于步进电机41的驱动轴上，两只小齿轮44通过传动杆45分别安装在L形波导旋转关节3的微型轴承腔体39的两侧；两只小齿轮44中的一只与驱动齿轮42啮合，另一只与L形波导旋转关节3的动波导31的齿轮啮合；电机支座43与L形波导旋转关节3的安装法兰38相连接。

其中，所述的等相位正交模耦合器1包括第一结构块11、第二结构块12、公共端口和第一至第二输出端口；第一结构块11和第二结构块12外形尺寸相同，两个输出端口关于等相位正交模耦合器1的对称轴左右对称；

第一结构块11中加工有：圆柱形耦合腔体111、圆柱形阶梯匹配块112、镜像对称分布的两组分支腔体113和两组矩形阶梯匹配块114，其中，圆柱形阶梯匹配块112位于第一结构块11的中心位置，有N级阶梯，最底层阶梯直径最大，且其底面与圆柱形耦合腔体111的底面共面；圆柱形耦合腔体111和圆柱形阶梯匹配块112同心且圆柱形耦合腔体111的直径大于圆柱形阶梯匹配块112的最大直径；两个分支腔体113均为矩形直角弯结构，其内端口与圆柱形耦合腔体111连接，两个内端口呈90°夹角，其外端口的长度为等相位正交模耦合器1输出端口长度的一半；每个分支腔体113的直接拐弯处均设置有一个两级矩形阶梯匹配块114；其中，N为大于等于3的自然数；

第二结构块12中加工有：直通圆波导121、两个关于第二结构块12对称轴左右对称分布的分支腔体122和轴承腔体123；直通圆波导121位于第二结构块12的中心位置，两个分支腔体122位于第二结构块12的一面，轴承腔体123位于第二结构块12的另一面；两个分支腔体122均为矩形结构，两者呈90°夹角，两个内端口均短路，两个外端口的长度为等相位正交模耦合器1输出端口长度的一半；轴承腔体123和直通圆波导121同心；第一结构块11和第二结构块12组合成等相位正交模耦合器1后，直通圆波导121和圆柱形耦合腔体111同心，两个分支腔体122和两个分支腔体113对应的内表面重合。

其中，所述的旋转正交模耦合器2包括圆波导21、耦合同轴探针22和SMA同轴负载23，耦合同轴探针22的一端垂直于圆波导21的中心轴线且插入圆波导21，另一端连接SMA同轴负载23。

其中，紧凑型线极化跟踪器的工作频带为：13.75GHz～14.5GHz。

其中，本紧凑型线极化跟踪器通过等比缩放的方式适用于预设带宽的频段。

其中，L形波导旋转关节3的输入端口和等相位正交模耦合器1的任意一个输出端口位于紧凑型线极化跟踪器的同一侧，两者的电场方向正交。

本发明与背景技术相比的有益之处在于：

(1)等相位正交模耦合器1、旋转正交模耦合器2、L形波导旋转关节3和步进电机驱动总成4位于同一条轴线上，等相位正交模耦合器1两个输出端口B和输出端口C位置对称，使得整个紧凑型线极化跟踪器结构紧凑、连接方便，便于加工和应用；

(2)旋转正交模耦合器可360°不间断旋转，实现了对线极化信号的无缝跟踪，且利用同轴负载吸收反旋极化信号，保证跟踪效果更优；

(3)利用同轴探针耦合反极化信号，并通过同轴负载吸收，避免了平板阵列天线系统相位一致性问题对通信造成的影响；

(4)带宽、驻波、隔离度、相位一致性、耐功率、损耗以及可靠性等各项性能优秀，既适合用于发射线极化也适合接收线极化极化跟踪。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的等相位正交模耦合器的结构示意图。

图3是本发明的等相位正交模耦合器的轴向剖视图。

图4是本发明的等相位正交模耦合器的第一结构块的结构示意图。

图5是本发明的等相位正交模耦合器的第二结构块的结构示意图。

图6是本发明的等相位正交模耦合器的第二结构块的后视图。

图7是本发明的旋转正交模耦合器的结构示意图。

图8是本发明的旋转正交模耦合器的轴向剖视图。

图9是本发明的L形波导旋转关节的分解结构示意图。

图10是本发明的步进电机驱动总成的分解结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本本发明作进一步详细的说明。

一种紧凑型线极化跟踪器，主要由以下4个依次连接且位于同一条轴线上的部件组成：等相位正交模耦合器1、旋转正交模耦合器2、L形波导旋转关节3和步进电机驱动总成4。

上述结构中，等相位正交模耦合器1是一个3端口器件，3个端口分别是公共端口A、输出端口B、输出端口C，其中输出端口B、输出端口C作为紧凑型线极化跟踪器的两个输出端口，两个输出端口关于等相位正交模耦合器1的对称轴左右对称。等相位正交模耦合器1由第一结构块11和第二结构块12组成，第一结构块11和第二结构块12外形尺寸相同。

第一结构块11中加工有：圆柱形耦合腔体111、圆柱形阶梯匹配块112、镜像对称分布的两组分支腔体113和矩形阶梯匹配块114，其中，圆柱形耦合腔体111、圆柱形阶梯匹配块112同心，圆柱形阶梯匹配块有三级阶梯，最底层阶梯直径最大，且其底面与圆柱形耦合腔体底面共面。两个分支腔体113外形均为矩形直角弯，两个矩形阶梯匹配块114为两级台阶，分别位于两个分支腔体113直角弯处。两个分支腔体113各有一内端与圆柱形耦合腔体111连接，且两个内端呈90°夹角，另外各有一外端，尺寸为等相位正交模耦合器1输出端口B和输出端口C矩形波导口尺寸的一半。

第二结构块12加工有：直通圆波导121，两个关于第二结构块12对称轴左右对称分布的分支腔体122，两个分支腔体122外形为矩形，两者呈90°夹角，内端均短路，两个外端尺寸为等相位正交模耦合器1输出端口B和输出端口C矩形波导口尺寸的一半。第二结构块12中与两个分支腔体122背对的另一面加工有轴承腔体123，轴承腔体123和直通圆波导121同心。

第一结构块11和第二结构块12组合成等相位正交模耦合器1后，直通圆波导121和圆柱形耦合腔体111同心，两个分支腔体122和两个分支腔体113对应的内表面重合。

上述结构中，旋转正交模耦合器2是一个3端口器件，3个端口分别是公共端口D、直通端口E和侧端口F。等相位正交模耦合器1的公共端口A与旋转正交模耦合器2的公共端口D相连接。旋转正交模耦合器2结构上由圆波导21、耦合同轴探针22、SMA同轴负载23、栅片24、两只阶梯过渡块25、双工器轴承26、轴承螺母27和双工器轴承盖板28组成。圆波导21的一端面加工有用于扼流的圆柱形扼流槽29；圆波导21的外壁上开设有用于放置SMA同轴负载23和耦合同轴探针22的侧端口F。耦合同轴探针22一端垂直于圆波导21中心轴线插入圆波导21，另一端连接SMA同轴负载23。双工器轴承26通过轴承螺母27安装于圆波导21加工有圆柱形扼流槽29一端。栅片24沿圆波导21未加工有圆柱形扼流槽29端插入，栅片24端面与圆波导21端面重合，栅片24宽面垂直与耦合同轴探针22。两只阶梯过渡块25对称安装于圆波导21安装有栅片24的一端。旋转正交模耦合器2通过双工器轴承盖板28与等相位正交模耦合器1的第二结构块12连接，旋转正交模耦合器2的轴线与等相位正交模耦合器1的轴线重合。

上述结构中，L形波导旋转关节3是一个两端口器件，2个端口分别是固定端口G和旋转端口H。L形波导旋转关节3结构上由动波导31、耦合探针32、两个关节轴承33、关节轴承盖板34、关节轴承螺母35和带座波导36组成。动波导31一端为矩形波导端口H，矩形波导端口H的法兰为加工有齿轮的圆形法兰，矩形波导端口H通过圆形法兰与旋转正交模耦合器2的直通端口E连接；另一端与安装在动波导31中的耦合探针32组成同轴线端口。两个关节轴承33由关节轴承螺母35串联固定于动波导31同轴线端口一端。带座波导36一端为带方法兰的矩形波导端口，另一端为加工有关节轴承腔体37，动波导31通过关节轴承盖板34与带座波导36加工有关节轴承腔体37一端连接。带座波导36加工有用于安装步进电机驱动总成4的安装法兰38，安装法兰的一角加工有微型轴承腔体39。

L形波导旋转关节3用于实现在旋转正交模耦合器2 360°旋转过程中，信号输入(输出)端口的固定不动，并且支撑步进电机驱动总成4。

上述结构中，步进电机驱动总成4由步进电机41、驱动齿轮42、电机支座43、两只小齿轮44、传动杆45、两个微型轴承46和微型轴承盖板47组成。驱动齿轮42安装于步进电机41驱动轴上。步进电机安装于电机支座43上。电机支座43与L形波导旋转关节3的安装法兰38连接。两只小齿轮44安装于传动杆45两端，且两者转动方向一致。两个微型轴承46串联安装于传动杆45上，通过微型轴承盖板47与L形波导旋转关节3中的微型轴承腔体39连接。两只小齿轮44中的一只与驱动齿轮42啮合，另一只与L形波导旋转关节3的动波导31矩形波导端口法兰上的齿轮啮合。

步进电机驱动总成4带动旋转正交模耦合器2绕自身轴线作360°旋转，在某个角度保证旋转正交模耦合器2的直通端口的电场方向与等相位正交模耦合器1的公共端口中的电场方向匹配，从而实现线极化跟踪。

根据上述紧凑型线极化跟踪器，设计了工作于卫星通信扩展Ku发射频段(13.75GHz～14.5GHz)的线极化跟踪器，其中，等相位正交模耦合器1的直通圆波导121的直径为15mm，圆柱形耦合腔体111的直径为18.96mm，高度为7.9mm，分支腔体113和分支腔体122均为执行标准GB 11450.2-89的标准BJ140矩形波导，波导口径为15.8mm×7.9mm。圆柱阶梯匹配块112为3级阶梯结构，第一级阶梯、第二级阶梯和第三级阶梯的直径和高度尺寸分别为：13.62mm×1.87mm，10.24mm×2.52mm和3.04mm×6.43mm。两个矩形阶梯匹配块114为两级台阶，第一级台阶和第二级台阶的尺寸分别为：5.87mm×5.87mm×4.14mm，3.68mm×3.68mm×5.89mm。旋转正交模耦合器2圆波导21的直径为15mm。双工器轴承内径为25mm，外径为32mm，厚度为4mm。耦合同轴探针22为方法兰标准SMA同轴探针，深度为4.13mm，与直通端口E的距离为28.6mm。栅片24厚度为1mm，插入深度为23mm。L形波导旋转关节3的两个端口均为标准BJ140波导口，耦合探针32直径为2mm，深度为26.88mm，关节轴承33内径为17mm，外径为26mm，厚度为5mm。微型轴承腔体39直径为7mm。步进电机驱动总成4中微型轴承46内径为17mm，外径为26mm，厚度为5mm。

按照上述设计尺寸进行计算机仿真，在13.75GHz～14.5GHz工作带宽内，公共端口驻波优于1.25，隔离度大于30dB，传输相位差小于1°，满足工程应用需求。

按工作频带中心频率的比值缩放，即可设计工作于卫星通信扩展Ku接收频段(10.95GHz～12.75GHz)的线极化跟踪器。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员的公知常识。

本发明的工作原理是：

用于发射频段线极化跟踪时，L形波导旋转关节3的固定端口G用作信号输入端口，步进电机驱动总成4驱动旋转正交模耦合器2绕轴线360°旋转，在某一角度旋转正交模耦合器2的直通端口E的电场极化方向与卫星接收天线极化角方向相同，发射信号经由旋转正交模耦合器2的圆波导21传入等相位正交模耦合器1，分别由输出端口B、输出端口C等幅同相输出，完成线极化跟踪功能。

接收频段线极化跟踪与发射频段线极化跟踪互易。

本领域内的技术人员可以意思到，上述具体实施方式是为方便读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的具体实施例，本领域的技术人员依据本发明公开技术的启示所做各种不脱离本发明实质的各种变形或者缩放，这些变形或缩放仍在本发明的保护范围内。