专利名称：具有双圆极化的频率分隔器波导模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有双圆极化的频率分隔器波导模块，更具体地，希望充当一种用于发射器-接收器的天线接入模块，所述发射器-接收器同时在两个频带操作，并且对于发射和接收具有相反的圆极化。
背景技术：
尤其希望将这种类型的发射器-接收器以及由此得到的这种类型的模块用于经过低轨道卫星，以较高比特率进行发送和接收的系统中。利用同一接入点同时与系统进行发送和接收的可能性是指可以在天线接入点的发射路径和接收路径之间获得较高的隔离度，且双圆极化在较大的频带带宽上具有较高的极化纯度。例如，用于发射路径的右圆极化和用于接收路径的左圆极化是可选的。例如，寻求在发射接入点和接收接入点与小于1dB的轴率相对应的小于-25dB的交叉极化。
图1图解地示出了用于从线性极化场中获得圆极化的传统方法。所述方法使用波导技术将励磁器1与极化器2相结合。励磁器1分隔了用于发射的频带Tx和用于接收的频带Rx。极化器2产生圆极化，如标记RCP和LCP所示，设一个对应于右极化，而另一个对应于左极化，则圆极化的旋向性取决于电场矢量的方向。
可以产生这种圆极化的一种已知波导元件是一种具有中间隔板的系统，其中在隔板边沿产生的梯级(step)建立了与垂直输入场重新结合的水平场，以便产生圆极化。在已知的实施例中，如图2示意所示，极化器2包括由具有相对于线XX’的中间平面而对称排列的、具有矩形截面的波导构成的两个接入点3A和3B，这两个接入点在由隔板4延伸的末端彼此连接，以便于展开放置了隔板的具有方形截面的波导部分5。通过水平电场矢量的累进创建来获得右或左圆极化，这通过形成隔板4的板上的梯级以及将该水平矢量与垂直矢量重新结合来实现，所述垂直矢量与其到达的接入点3A或3B的线性极化相对应。因此，两个接入点3A和3B可以产生两个圆极化，所述圆极化在构成具有方形截面的部分5末端的接入点3C具有对于两个不同频带相反的方向。方形截面上安装了常规的过渡段(未示出)，如果必要，可以从方形截面通到圆形截面。
将分隔器1与极化器2相结合，以便分隔用于各自接入点3A和3B的发射Tx和接收Rx路径。通过负载进行了设置，以吸收对于这些接入点3A和3B均没有用的波段。这是因为，如果单独使用接入点3A和3B而没有设想上述分离器，则存在没有在任一接入点使用的频带的反射，因此，这是在接入点用于发射的情况下用于接收的波段，反之亦然。这些沿着隔板方向的反射结果导致极化的不匹配。这就是将在这种情况下设为50欧姆的负载插入一个臂中的原因，例如在接入点3A处平行于臂7A的臂6A，其中臂7A用于发射，以及是将类似负载插入接入点3B处平行于臂7B的臂6B原因，其中臂7B用于接收。
但是，由于使用了具有用于接入的多个臂的分隔器，这种解决方案具有体积大的缺点。此外，由于使用了诸如滤波器、过渡段和隔板之类难以制造和装配的单元，因此比较昂贵。
发明内容
因此，本发明提供了一种具有双圆极化的频率分隔器波导模块，更具体地，希望用作一种用于发射器-接收器的天线接入模块，所述发射器-接收器同时在两个频带操作，并且对于发射和接收具有相反的极化。
该频率分隔器波导模块包括通往被称作方形波导的具有方形截面的波导的第一末端的输入/输出接入点；由被称作矩形波导的具有矩形截面的波导构成的两个接入点，将所述矩形波导并排放置于所述方形波导的第二末端；以及隔板，位于两个矩形波导共用的中间分隔区域的末端的所述方形波导处，以便于产生分别与所述一个矩形波导相关联的旋向性相反的两个圆极化。
根据本发明的一个特点，设置该模块，从而形成天线双工器，其中包括隔板，通过滤波器延伸矩形波导的接入点，将每一个接入点赋于设置的滤波器，以便发射不同的频带，设置隔板的梯级的尺寸，从而补偿通过朝向所述隔板的每一个滤波器所分别拒绝的频率反射。
本发明还提供了一种用于在两个频带同时操作且对于发射和接收具有相反圆极化的发射器-接收器。
根据本发明的特点，所述发射器-接收器包括如上述限定的、由波导模块组成的天线接入模块。
结合下述附图，下面描述详细说明了本发明的特点及优点。
图1示出了根据现有技术的波导设备的轮廓图，所述技术可以从线性极化场中获得圆极化。
图2示出了涉及用于接入天线的已知波导模块的示意图。
图3示出了涉及根据本发明的用于接入的波导模块的示意图。
图4示出了涉及根据本发明接入模块的可选实施例的透视图。
图5示出了表示与利用根据现有技术的隔板所获得的类似性能的图，其中接入模块在两个矩形接入点没有滤波器。
图6和图7示出了当隔板与位于矩形接入点延伸的滤波器相结合时，在根据本发明的模块的情况下，表示在示出了引入扰动的优化之前所获得的性能的图。
图8和9示出了更具体地表示优化之前在例如发射和接收波段获得的性能的图，其中利用了上面设想的无滤波器隔板。
图10和11示出了涉及优化之后在例如发射和接收波段获得的更具体性能的放大图，其中隔板上安装了滤波器。
具体实施例方式
图3示意地示出了根据本发明的具有双圆极化的频率分隔器波导模块。该模块包括天线双工器8，其中设置了具有多个梯级9的隔板，将所述隔板用作极化器。将该隔板容纳于具有方形截面的波导部分10中，如这里的虚线所示。天线双工器具有由较短波导单元组成的两个平行的且具有矩形截面的接入点11A和11B，其中一个接入点，例如接入点11A将被用于发射，而另一个，例如接入点11B，将被用于接收。将具有矩形截面的、与这些接入点11A和11B相对应的波导单元在伸入波导部分10一端的中心和共用分隔部分12的每一侧与波导部分10相连。在提出的典型实施例中，隔板9由具有梯级的薄板构成，所述薄板使底部位于波导部分10内部的分隔部分12的一端。这些梯级位于该波导部分的第一部分，从其底部到顶部侧面地减小。此外，该天线双工器包括方形接入点11C，所述方形接入点11C在远离两个矩形接入点11A和11B开口的波导部分10的一端开口。将不同的特定频带提供给这两个接入点中的每一个。这种结构用于获得具有双频带隔板的模块。为了此目的，分别配备了彼此完全独立的两个接入点11A和11B，以使每一个滤波两个频带之一。
如图3所示，通过减小形成用于接入点11A的滤波器的单元13A，通过在该接入点延伸的矩形接入点处减小横截面，可以自然地执行在较高频带的滤波。改变截止频率以防止较低频率的传播。
在另一个矩形接入点执行在较低频带的滤波，这里，假设通过将横向金属插入物或“短截部分(stub)”放置于位于该接入点延伸的部分来获得上述设置，如通过插入物14B所表示的，其中将插入物14B放置于涉及接入点11B的矩形波导部分的每一侧内部。
如图2所示，如果将此模块与根据具有四个臂的分隔器的现有技术的模块相比，对于根据本发明的模块，能够获得关于整体尺寸的明显节约。这便于在需要的情况下，在装配中集成根据本发明的模块，特别是在如上设想的发射器-接收器的情况下，作为用于天线的接入电路。
结合图3提出的解决方案并不是唯一的，特别地，出于紧凑和简化模块的机械制造的目的，提出了如图4中图解所示的解决方案。
图4所示模块由与图3所示天线双工器8相类似的天线双工器8’组成。同样，该天线双工器8’包括具有方形截面的波导部分10’，其中放置了隔板9’。与天线双工器8的接入点11A和11B相同，天线双工器8’使具有矩形截面的两个接入点11A’和11B’并排放置。这些矩形接入点之一，在这种情况下是11A’，通过截面13A’的减小单元被延伸，这与接入点11A构造相同，并且也允许较高频带的滤波。配备有另一个矩形接入点，在这种情况下是11B’，以便在较低频带滤波，这里通过在外部设置横向金属插入物14B’的部分将所述另一接入点延伸，以开口朝向矩形波导部分内部的横向槽的形式来构造这些插入物14B’，将其构造于至少一个矩形且平坦的壁部分上，这些壁部分侧面地限定了该波导部分。在提出的实施例中，在从最外面的平坦壁部分突出的区域构造所述槽。因此，能够获得非常易于实现的机械实施例。
无论选择根据本发明的哪一个解决方案，事实在于，通过位于模块矩形接入点的延伸的手段执行的滤波趋向于在此模块的传输系数中引入扰动，利用没有滤波器的隔板来获得有关的效果。
假设将根据本发明的波导模块用于发射器-接收器，其中在从14延续到14.5GHz的频带Tx中发射，并且在从11.7延续到12.7GHz的频带Rx中接收。此外，假设在发射和接收频带中需要大于-25dB的轴交叉极化以及大于20dB的隔离度。
在模块中设置的隔板使获得的绝缘品质达到要求的范围，所述范围直接取决于交叉极化的鉴别功率。
假设选择了具有隔板的极化器，所述隔板具有从11.7到14.5GHz的频带，已知带宽是由薄板构成的梯级数目的函数，并且利用具有4个梯级的隔板，对于如上设想的频带，可以获得大约0.6dB的轴率。
假设使用按照例如19.05乘9.925毫米的WR75标准的波导以及20乘20毫米的方形波导来构造矩形接入点，可以获得与设想频带的优良匹配，对于TE10横向电模式，截止频率是7.49GHz。此外，由于其截止频率是14.99GHZ，因此不可能激发TE20横向电模式。
梯级长度大约是导入波长λg的四分之一，在13.1GHz的中心频率处，这对应于6.97毫米，并且这导致大约35毫米的隔板长度。
众所周知，励磁的品质取决于相对于其作用的波导短路端的励磁探测位置，该位置与远离该端大约四分之一波长λg的探测移动相对应。这里，隔板被放置于远离探测位置大约λg的距离从而可以按照基本模式驱动隔板。
为了获得较好品质的圆极化，将出现在方形波导的正交模式的相位移位90℃，并使其具有相同的幅度，以便对于所使用的每一种模式均具有3dB的传递系数值S13和S23。S13对应于端口1和3之间的传递系数，S23对应于端口2和3之间的传递系数，端口1、2和3分别对应于图3中的接入点11B、11A和11C。此外，模式1和模式2分别对应于电场的垂直方向和该电场的水平方向。
图5所示的图示出了利用根据现有技术的具有四个臂的隔板获得的性能，其中在根据本发明的模块中设置所述隔板，如上所述，在模块的两个矩形接入点之间没有滤波器。
如X轴所示，所包含的频带宽度是从11.5到14.5GHz，在Y轴设置了0到-60dB的刻度。如实质上水平的曲线I概略所示，这部分性能实质上与模式1的传递系数S13和S23相同。如曲线II概略所示，这部分性能实质上与模式2的传递系数S13和S23相同，其中曲线II在频率12.5和13.5GHz附近轻微下降，并且在13.6GHz频率附近有一个达到大于-10dB的负波峰。模式1和2分别对应于电场的垂直和水平极化。
曲线I和II示出了对于11.8和14.3GHz之间的频率，据此对于整个接收频带均保持了3dB的限制，相反没有对于发射频带的所有频率保持该限制，如上所述，尤其是在13.6GHz频率附近。因此，进行设置以便在该级别进行优化。
图6和7所示的图示出了由位于矩形接入点延伸的滤波器的出现而引起的扰动，如上所示，每一个滤波器用于选择性地消除不能被所讨论的接入点发射的频带。
图6所示的曲线III和IV示出了用于模式1和2中系数S23所获得的各个性能。对于从11.5到13.5GHz的频率范围，涉及模式1中系数S23的曲线III实质上与曲线IV一致，除去位于频率12.1GHz邻近的区域，这里曲线III具有高到大约-36dB的波峰，而曲线IV具有低到-59dB的波峰。这两个曲线在频率13.65GHz左右分离，在这里曲线IV具有低到-12dB的波峰，而曲线III具有高到-3dB的波峰。对于此频带，图8中放大了位于大约1 3.7和14.5GHZ之间的频带的部分曲线III和IV，这其中存在发射中使用的14到14.5GHz的频带。对于范围从13.7到14.4GHz的频带，涉及模式1中传递系数S23的曲线III是-1dB到-3dB之间，而对于范围从13.7到14.5GHz的频带，涉及模式2中传递系数S23的曲线IV是-4dB到-7dB之间。这种模块不能获得希望的性能。本发明针对隔板的构造，以便通过重新调整作为构成隔板的薄板的梯级来补偿在发射频带中引起的扰动，通过改变多种梯级的长度和深度，由试验和误差来重新调整梯级。
图7所示曲线V和VI示出了在从11.5延续到15GHz的频带中，对于模式1和模式2中系数S13所获得的各个性能。
在11.5和12.7GHz的频率之间，曲线V和VI处于-2dB到-5dB之间的区域，除了实质上以频率12.1GHz为中心的有限区域之外，接收中使用的频带Rx位于该区域，两个曲线在所述有限区域示出了向下的波峰。图9对应于接收频带的有限频率11.7和12.5GHz之间的部分曲线III和IV的放大。
注意，对于涉及模式1中系数S13的曲线V存在大于-10dB的较低点，而对于涉及模式2中系数S13的曲线VI，存在-19dB的更低点(图7)。
在根据本发明的模块中，通过重新调整隔板梯级的尺寸来补偿这些由滤波引起的影响发射系数的扰动。在梯级中执行这种重新调整，直到获得这里图10和11所示的最优结果。对于根据本发明设想的模块，这些图中的曲线III’、IV’、V’和VI’分别示出了在优化之后模式1和2中的系数S23以及模式1和2中的系数S13的变化，这里以dB量度并且作为频率的函数给出。尤其应该注意，与图9中的对应曲线V和VI相比，由图11中曲线V’和VI’表示负波峰的减小。
例如，如果选择对于发射正交模式相等的幅度作为用于每一个接入点的优化因子，可以将其转换为下列标准的形式在11.7到12GHz频带上，S13模式1＝S13模式2＝-3dB
在13.9到14.1GHz频带上，S23模式1＝S23模式2＝-3dB特别地，在被优化频带上提高性能得到从以上表示的曲线中获得的值，这些值出现于下面作为示例给出的表中。
考虑到上面设想的具有四个梯级的隔板，假设其底部是20毫米，四个梯级的宽度分别是15.69毫米、9.62毫米、5.67毫米以及2.56毫米，这里提出了与前面具有相同底部的优化隔板，且其四个宽度分别是16.79毫米、9.32毫米、6.71毫米和2.58毫米。
根据上述表，可以获得下列
利用84°到90°之间的相移，幅度之间1.3dB的差值导致轴率好于1.75dB。
在优化中不考虑相位的情况下，可以通过改变隔板梯级的长度来执行附加调整。
改变隔板梯级的宽度可以补偿由位于矩形接入点延伸的滤波器引起的缺陷。确定这些梯级的尺寸可以补偿由每一个朝向隔板的滤波器所分别拒绝的频率反射。例如，通过改变梯级尺寸的试验和误差并且对于每一种变化产生仿真来执行优化。
具有所获得的双频带隔板的极化器可以产生具有双圆极化的频率分隔器波导模块。更具体地，希望将该模块用作天线和发射器-接收器之间的连接，希望同时在两个频带操作所述发射器-接收器，并且对于发射和接收具有相反的圆极化。如上所设想的，如果发射频带高于接收频带，则将发射器与一个配备有减小单元13A或13A’的矩形接入点相连，在这种情况下，假设是接入点11A或11A’。将接收器与另一个矩形接入点相连，并且将天线与位于方形波导部分10或10’另一端的接入点相连。
权利要求
1.一种频率分隔器波导模块，包括输入/输出接入点(10)，位于被称作方形波导的、具有方形截面的波导的第一末端；由被称作矩形波导的、具有矩形截面的波导构成的两个接入点(11A，11B)，将所述接入点并排放置于所述方形波导的第二末端；以及隔板(9)，位于两个矩形波导共用的中间分隔区域的末端(12)的所述方形波导处，以便于产生分别与所述一个矩形波导相关联的旋向性相反的两个圆极化，其特征在于设置该模块，从而形成天线双工器，所述天线双工器中包括隔板，由滤波器(13A，14B)延伸矩形波导的接入点(11A，11B)，将每一个接入点赋于所设置的滤波器，以便发射不同的频带，设置隔板的梯级的尺寸，从而补偿通过朝向所述隔板的每一个滤波器所分别拒绝的频率反射。
2.根据权利要求1所述的模块，其特征在于一个矩形接入点滤波器包括单元(13A)，对于其所在的延伸的矩形波导的接入点，所述单元通过一个或多个截面的减小来提供自然滤波。
3.根据权利要求1或2所述的模块，其特征在于借助于横向金属插入物(14B)来构造用于通过矩形波导接入的滤波器之一，其中将所述横向金属插入物内部地设置于延伸了具有此接入点(11B)的矩形截面的波导的部分的每一侧。
4.根据权利要求1或2所述的模块，其特征在于借助于以横向槽形式构成的插入物(14B’)来构造用于通过矩形波导接入的滤波器之一，所述横向槽的开口朝向所述矩形波导部分的内部，在至少一个侧面地限定了所述矩形波导部分的矩形壁部分上构造所述插入物。
5.一种用于在两个频带同时操作且对于发射和接收具有相反圆极化的发射器-接收器，其特征在于包括根据权利要求1到4其中之一的波导模块所组成的天线接入模块。
全文摘要
一种频率分隔器波导模块，包括输入/输出接入点(10)，位于被称作方形波导的、具有方形截面的波导的第一末端；由被称作矩形波导的、具有矩形截面的波导构成的两个接入点(11A，11B)，将所述接入点并排放置于所述方形波导的第二末端；以及隔板(9)，位于两个矩形波导共用的中间分隔区域的末端(12)的所述方形波导处，以便于产生分别与所述一个矩形波导相关联的旋向性相反的两个圆极化。设置该模块，从而形成天线双工器，所述天线双工器中包括隔板，由滤波器(13A，14B)延伸矩形波导的接入点(11A，11B)，将每一个接入点赋于所设置的滤波器，以便发射不同的频带，设置隔板的梯级的尺寸，从而补偿通过朝向所述隔板的每一个滤波器所分别拒绝的频率反射。
文档编号H01P1/20GK1582514SQ02822011
公开日2005年2月16日 申请日期2002年10月24日 优先权日2001年11月7日
发明者菲利普·尚贝兰, 帕特里斯·伊尔茨林, 让－伊夫·勒纳尔 申请人:汤姆森许可贸易公司