一种新型蝶形振子正交模极化耦合器的制作方法

本发明涉及正交模极化耦合器领域，尤其是涉及一种新型蝶形振子正交模极化耦合器。

背景技术：

目前，尽管四脊波导正交模极化耦合器在2.2:1的带宽范围内具有良好的综合性能，但这种正交模极化耦合器的长度通常需要2.4-4个低频波长，不适用于1ghz以下的应用场合。针对低频制冷接收机小型化的需求，本申请设计了一种结构紧凑、长度只有低频波长四分之一的新型蝶形振子宽带正交模极化耦合器。相比于射电天文常用的普通振子型正交模极化耦合器，这种新型蝶形振子正交模极化耦合器的工作带宽从1.7:1拓宽至2:1。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种新型蝶形振子正交模极化耦合器，以解决现有技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种新型蝶形振子正交模极化耦合器，包括：波导、固定设置在所述波导底部的底板以及设置在所述底板上端面上的一对十字形交叉设置的蝶形偶极子构成的蝶形振子馈电结构；

所述蝶形振子馈电结构包括4个金属阵子臂、2个中空圆柱型同轴外导体、2个接地圆柱、2个同轴内探针以及2个馈电连接片；其中，所述中空圆柱型同轴外导体和所述接地圆柱的上下端均固定设置有一三角形底座；中空圆柱型同轴外导体和接地圆柱分别通过其下端的所述三角形底座固定设置在所述底板上；2个中空圆柱型同轴外导体以及2个接地圆柱在底板上形成两行两列的方形结构，2个中空圆柱型同轴外导体相邻设置；中空圆柱型同轴外导体和接地圆柱分别通过其上端的所述三角形底座与1个所述金属阵子臂固定连接；

2个所述同轴内探针的一端与sma内芯连接后分别从底板上的通孔穿入2个所述中空圆柱型同轴外导体，同轴内探针与中空圆柱型同轴外导体之间绝缘放置；同轴内探针的另一端与所述馈电连接片的一端连接，该馈电连接片的另一端与连接接地圆柱的金属振子臂固定电连接；一个馈电连接片连接呈对角线设置的中空圆柱型同轴外导体内的同轴内探针和接地圆柱上的金属振子臂。

作为一种进一步的技术方案，所述中空圆柱型同轴外导体的顶部设置有绝缘套管，所述绝缘套管的上部外径大于下部外径，其下部外径与中空圆柱型同轴外导体的内径相适配。

作为一种进一步的技术方案，所述波导为圆形波导，相应地，所述底板的圆形底板；所述圆形波导与所述圆形底板之间通过螺钉连接。

作为一种进一步的技术方案，所述圆形波导的半径为0.317λ0；其中，λ0对应所需带宽的低频波长。

作为一种进一步的技术方案，所述同轴内探针与所述馈电连接片连接的一端设置有外螺纹，相应地，馈电连接片的相应位置设置有带有内螺纹的凹槽，同轴内探针与馈电连接片通过所述外螺纹以及带有内螺纹的凹槽螺纹连接。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明设计了一种结构紧凑、长度只有低频波长四分之一的新型蝶形振子宽带正交模极化耦合器。相比于射电天文常用的普通振子型正交模极化耦合器，这种新型蝶形振子正交模极化耦合器的工作带宽从1.7:1拓宽至2:1。本发明首次将蝶形振子引入到波导进行馈电，有效抑制了圆波导中tm01、te21和te01模式的激励，单模带宽从1.3:1增加到2.08:1。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的波导和底板的连接结构示意图；

图2为本发明实施例提供的新型蝶形振子正交模极化耦合器去掉波导的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的同轴内探针与馈电连接片连接状态的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的绝缘套管的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的金属阵子臂与接地圆柱的连接结构示意图；

图6为本实施例提供的圆形波导的前六个模式te11模式、tm01模式、te21模式、tm11模式、te01模式和te31模式的电场分布图；

图7为本实施例提供的半径为170mm的圆形波导的前六个模式te11模式、tm01模式、te21模式、tm11模式、te01模式和te31模式的传输函数曲线图；

图8为本实施例提供的蝶形振子正交模极化耦合器同轴馈电输入端口主模tem模式到圆形波导端口的前五个模式te11模式、tm01模式、te21模式、tm11模式、te01模式的传输耦合系数的频率响应曲线图；

图9为本实施例提供的蝶形振子正交模极化耦合器对应水平和垂直极化两个同轴端口的反射因子和极化耦合度曲线图；

图10为本实施例提供的560mhz-1120mhz正交模极化耦合器水平和垂直两个极化同轴端口到圆波导端口两个相互垂直的te11主模的传输耦合系数曲线图；

图11为本实施例提供的蝶形振子正交模极化耦合器波导端口开放于自由空间时两个垂直极化端口实测s参数曲线图；

图12为本实施例提供的蝶形振子正交模极化耦合器波导端口开放于自由空间时s参数的仿真和实测结果曲线图；

图13为本实施例提供的蝶形振子正交模极化耦合器仿真和常温下实测的两个极化方向的tem模到圆波导主模te11模的传输耦合系数曲线图；

图标：1-波导；2-底板；3-金属阵子臂；4-中空圆柱型同轴外导体；5-接地圆柱；6-同轴内探针；7-馈电连接片；8-三角形底座；9-绝缘套管。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

结合图1-5所示，本实施例提供一种新型蝶形振子正交模极化耦合器，包括：波导1、固定设置在所述波导底部的底板2以及设置在所述底板2上端面上的一对十字形交叉设置的蝶形偶极子构成的蝶形振子馈电结构；

所述蝶形振子馈电结构包括4个金属阵子臂3、2个中空圆柱型同轴外导体4、2个接地圆柱5、2个同轴内探针6以及2个馈电连接片7；其中，所述中空圆柱型同轴外导体4和所述接地圆柱5的上下端均固定设置有一三角形底座8；中空圆柱型同轴外导体4和接地圆柱5分别通过其下端的所述三角形底座8固定设置在所述底板2上；2个中空圆柱型同轴外导体4以及2个接地圆柱5在底板上形成两行两列的方形结构，2个中空圆柱型同轴外导体4相邻设置；中空圆柱型同轴外导体4和接地圆柱5分别通过其上端的所述三角形底座8与1个所述金属阵子臂3固定连接；

2个所述同轴内探针6的一端与sma内芯连接后分别从底板上的通孔穿入2个所述中空圆柱型同轴外导体4内部，同轴内探针6与中空圆柱型同轴外导体4之间绝缘放置；同轴内探针6的另一端与所述馈电连接片7的一端连接，该馈电连接片7的另一端与连接接地圆柱5的金属振子臂3固定电连接；一个馈电连接片7连接呈对角线设置的中空圆柱型同轴外导体内的同轴内探针和接地圆柱上的金属振子臂。

本发明的十字形交叉蝶形偶极子采用了空气填充的同轴馈电结构，同轴线的外壁接地，内探针的一端通过馈电连接部件与相对的金属振子臂连接，另一端则连接到圆形地板下面的sma接头，因此可以直接与单端同轴馈电的低噪声放大器相连。与两个极化同轴馈电结构正对的是两个接地圆柱，接地圆柱与同轴馈电结构共同构成折叠型巴伦，实现了平衡馈电到不平衡馈电的转换；同时接地圆柱的引入改善了结构的对称性，可以抑制由同轴外壁产生的辐射；此外，同轴馈电结构和接地圆柱均可以起到支撑蝶形金属臂的作用。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述中空圆柱型同轴外导体4的顶部设置有绝缘套管9，所述绝缘套管9的上部外径大于下部外径，其下部外径与中空圆柱型同轴外导体的内径相适配。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述波导1为圆形波导，相应地，所述底板2为圆形底板；所述圆形波导与所述圆形底板之间通过螺钉实现电连接。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述同轴内探针6与所述馈电连接片7连接的一端设置有外螺纹，相应地，馈电连接片的相应位置设置有带有内螺纹的凹槽，同轴内探针与馈电连接片通过所述外螺纹以及带有内螺纹的凹槽螺纹连接。

结合图6所示，(a)-(f)分别画出了圆波导前六个模式te11模式、tm01模式、te21模式、tm11模式、te01模式和te31模式的电场分布。由于蝶形阵子的电场分布类似于电偶极子，电场线从蝶形振子的一个臂开始终止于相对的金属臂，根据(b)(c)(e)(f)电场分布图可以看出，在圆波导中采用蝶形振子的馈电方式，横截面中心电场为零的高次模tm01、te21、te01和te31模式将无法被激励起来，因此蝶形振子馈电的极化器单模带宽由主模te11模和高阶模式tm11模式的截止频率决定，对应带宽为2.08:1。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述圆形波导的半径为0.317λ0；其中，λ0对应所需带宽的低频波长。在本发明中，圆形波导的半径为170mm。半径170mm圆波导的te11和tm11的截止频率分别为0.52ghz和1.08ghz，因此理论上蝶形振子型极化器的单模带宽为0.52ghz-1.08ghz。在这里，选择圆波导的半径为170mm的主要原因有以下两点：

1)尽管te11模式的截止频率为0.52ghz，但是在截止频率附近会有较大的反射水平，因此必须在低频有一定的冗余，以保证560mhz-1120mhz的正交模极化耦合器在带内主模的反射损耗优于10db。

2)tm11模式的截止频率为1.08ghz，非常接近所需要的工作频带的上边沿1.12ghz。类似于第一条的分析，该高次模式在截止频率附近会有较大的反射并不易传输。

结合图7所示，其为半径为170mm的圆波导前六个模式的传播函数曲线，其中tm11与te01对应的截止频率相同，为简并模式。图中从左到右(从低频到高频)五条曲线分别对应模式te11(咖色)，tm01(宝蓝)，te21(军绿)，tm11/te01(蓝绿)和te31(橘色)传播因子。

结合图8所示，该图给出了蝶形振子正交模极化耦合器同轴馈电输入端口主模tem模式到圆波导端口的前五个模式的传输耦合系数的频率响应特性，由于te31模式的截止频率在要求的频率范围之外，因此无需考虑。由图可以看到，tem模式到tm01、te01和te21模式的传输耦合系数非常低，低频在-50db以下，高频也不高于-30db。对于决定单模带宽的高阶模式tm11模，传输耦合系数随着频率的增加变大，但在要求带宽范围内均不超过-20db。由此说明这些高阶模式在蝶形振子正交模极化器中并不能有效地激励，验证了本申请的模式分析和波导尺寸选择的合理性。

结合图9所示，其给出了本发明极化耦合器对应水平和垂直极化两个同轴端口的反射因子和极化耦合度，其中蓝色和红色曲线分别对应本发明的极化耦合器的水平和垂直极化端口的反射因子，下面的咖色曲线为两个极化端口的极化耦合度。可以看到在0.55ghz-1.15ghz的范围内，反射因子小于-10db，端口隔离度优于33db，其中在0.58ghz-1.04ghz内反射因子均在-14db以下。

结合图10所示，其给出了本发明极化耦合器水平和垂直两个同轴端口到圆波导端口两个相互垂直的te11主模的传输耦合系数，其中蓝色曲线为水平极化端口的te11主模传输耦合系数，红色曲线为垂直极化端口的te11主模传输耦合系数；可以看到te11主模传输耦合系数在0.56ghz-1.12ghz范围内大于-0.5db，其中在0.58ghz-1.04ghz范围内大于-0.2db。

本发明的560mhz-1120mhz蝶形振子型正交模极化耦合器采用圆形波导、振子结构与底板分别加工的方法。其中关键的蝶形振子馈电结构分成4个金属阵子臂、2个通孔圆柱型同轴外导体、2个接地圆柱，2个同轴内探针以及两个馈电连接片，对各部分分别加工并完成组装。考虑到结构的稳定性，接地圆柱和通孔圆柱的上下端均有一个三角形底座，每个底座有3个螺丝孔，用螺钉分别与地板和金属阵子臂连接。同轴内探针的一端接sma接头的内芯，从底板的通孔穿入到中空的圆柱形同轴外导体的内部，另一端拧入到有螺纹孔的馈电连接片，馈电连接片的另一侧通过螺钉拧入到连接接地圆柱的金属振子臂，与之形成电连接。

结合图11所示，该图为使用安捷伦e5071cena系列的矢量网络分析仪测试得到的反射因子和极化隔离，其中黑色的s11曲线为本发明中极化器水平极化端口的反射因子，红色的s22曲线为本发明中极化器垂直极化端口的反射因子，蓝色的s21曲线为极化器水平极化端口和垂直极化端口的极化耦合度。图中可以看到在0.56ghz-1.12ghz极化器的反射因子低于-10db，极化隔离优于33db，除了频带上下边沿，带内反射因子基本在-14db以下，且无任何凋落模式存在。测试中蝶形振子正交模极化耦合器带宽受限于波导口开放的辐射边界条件，为了验证仿真和实测的一致性，将置于辐射边界条件的空气盒子内的极化器仿真结果与实测结果进行比对。

如图12所示，玫红色和红色s11曲线分别为仿真和实测得到的水平极化端口的反射因子，浅蓝色和宝蓝色s22曲线分别为仿真和实测得到的垂直极化端口的反射因子，灰色和黑色s21曲线分别为仿真和实测得到的极化器水平极化端口和垂直极化端口的极化耦合度。波导口辐射边界条件下的极化器仿真结果和实测结果有很好的一致性。

结合图13所示，其给出了极化器仿真和常温下实测的两个极化方向主模te11模到tem模的传输耦合系数的比较。其中蓝色和黑色曲线分别为仿真和实测得到的水平极化端口的te11主模传输耦合系数，绿色和红色曲线为仿真和实测得到的垂直极化端口的te11主模传输耦合系数。实测中将两个极化器波导端口相接，测量同一极化传输系数减半得到。如图所示实测的te11模到tem模的主模耦合系数与仿真结果基本一致，在带内的插入损耗基本低于0.3db，上下边沿由于反射因子的增加，插入损耗较大，但仍低于0.45db。实际上纯金属结构的极化器的欧姆损耗比较小，通过-10*log[|s21|2/(1-|s11|2)]计算得到该极化器的欧姆损耗基本低于0.05db，最大不超过0.15db。该极化器工作在70k的真空杜瓦的二级制冷平台，考虑到端口的失配等作用，该极化器引入的噪声将在5-6k左右。

综上，本发明设计了一种结构紧凑，长度只有低频波长四分之一的新型蝶形振子宽带正交模极化耦合器。相比于射电天文常用的普通振子型正交模极化耦合器，这种新型蝶形振子正交模极化耦合器的工作带宽从1.7:1拓宽至2:1。设计中首次将蝶形振子引入到波导进行馈电，有效抑制了圆波导中tm01、te21和te01模式的激励，单模带宽从1.3:1增加到2.08:1。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。