一种双极化电磁波转换装置的制作方法

本发明涉及移动通讯领域中天线的极化电磁波转换方法，特别是涉及一种用于ka频段“动中通”天线的双极化电磁波转换装置。

背景技术：

双极化电磁波转换装置广泛应用于双极化天馈系统中,特别是在大容量通信系统中,其性能优劣直接影响整个系统的通信质量。双极化电磁波转换装置可以分离和组合相同频段内的正交模式,从而增加通信系统的通信容量；双极化电磁波转换装置也可设计为双频工作,这种双极化电磁波转换装置常用于两个相距较远的独立频段的同时传输。

现有“动中通”ka双极化电磁波转换装置体积一般在130mm左右、极化转换方式为直接阻抗变换方式，所述直接阻抗变换方式具体为：首先，公共圆波导端口到方波导的直接渐变过渡，逐步变换为第二分离矩形波导端口，通过波导的渐变逐步将电磁波转换为所需的模式；其次，在方波导侧壁开槽引出第一分离矩形波导端口；最后，在方波导中间位置开槽内置短路金属，通过改变短路金属的位置来确定此路输出的性能；这种直接阻抗变换方式较为复杂、而且体积较大、难于量产加工及产品的性能指标不是很优良，如：回拨损耗和插入损耗，然而回拨损耗和插入损耗的性能直接影响整个天线系统的性能指标，特别是对整个天线系统性能贡献最大。基于这些缺点一直影响卫星通信系统的性能，特别是严重影响ka频段“动中通”天线系统的性能指标与系统的小型集成。

技术实现要素：

为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种用于ka频段“动中通”天线的双极化电磁波转换装置，能有效促进电磁波极化的转换，有效的解决了现有“动中通”天线极化转换复杂、体积过大，不易于加工生产等技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种双极化电磁波转换装置，包括公共圆波导端口201、第一分离矩形波导端口202、第二分离矩形波导端口203、第一模式匹配过渡段205和第二模式匹配过渡段206；所述公共圆波导端口201通过第一模式匹配过渡段205与第一分离矩形波导端口202连接，所述公共圆波导端口201通过第二模式匹配过渡段206与第二分离矩形波导端口203连接，所述公共圆波导端口201分别与第一分离矩形波导端口202和第二分离矩形波导端口203垂直；电磁波从所述双极化电磁波转换装置的公共圆波导端口201输入时经第一分离矩形波导端口202和第二分离矩形波导端口203输出时为两个相互独立并且垂直的信号。

进一步地，所述公共圆波导端口201与天线系统连接，用于输入/输出电磁波信号；

所述第一分离矩形波导端口202与第一发射/接收设备3连接，用于发送/接收电磁波信号；

所述第二分离矩形波导端口203与第二发射/接收设备4连接，用于发送/接收电磁波信号。

进一步地，还包括方波导204、h面90°弯波导207和短路面208，所述公共圆波导端口201与方波导204一端直接连接，所述方波导204另一端通过第二模式匹配过渡段206与所述h面90°弯波导207一端连接，所述h面90°弯波导207的另一端与所述第二分离矩形波导端口203连接；所述公共圆波导端口201的侧壁通过第一模式匹配过渡段205与短路面208连接。

进一步地，所述方波导204通过第二模式匹配过渡段206的距离为l1，所述公共圆波导端口201底部与短路面208之间的距离为l2，所述l1和l2根据以下公式计算得来：

l1≈λ/2,l2≈λ/4

其中λ表示temn模式电磁波的波长，可以得出，c＝3×10⁸m/s为光速，表示temn模式电磁波的频率；emw表示波导腔内各个电磁波的模式之和，表示波导腔内te模式电磁波的所有组合模式，表示波导腔内tm模式电磁波的所有组合模式，m表示x方向变化的半周期数；n表示y方向变化的半周期数。

进一步地，所述第一分离矩形波导端口202和第二分离矩形波导端口203的中心线保持在一条直线上。

进一步地，电磁波经第一分离矩形波导端口202和第二分离矩形波导端口203输出时为两个相互独立并且垂直的信号必须满足λ<2a，其中λ表示电磁波波长，a表示矩形波导宽边尺寸。

进一步地，所述两个相互独立并且垂直的信号要满足ka频段动中通天线系统的要求，需满足其中λc＝2a称为截止波长，m表示x方向变化的半周期数；n表示y方向变化的半周期数，a表示矩形波导宽边尺寸，b为矩形波导窄边尺寸；所述第一分离矩形波导端口202采用bj220标准波导，所述第二分离矩形波导端口203采用bj320标准波导。

进一步地，所述信号为主模时，所述主模传输的波长必须满足λc20<λ<λc10，其中λ表示电磁波波长，λc20表示波导腔内传输的te20模式电磁波对应的截止波长，λc10表示波导腔内传输主模电磁波对应的截止波长。

一种双极化电磁波转换装置，所述双极化电磁波转换装置能够应用于多种移动载体卫星通信。

进一步地，所述多种移动载体卫星通信包括车载卫星通信、机载卫星通信和舰载卫星通信。

有益效果：本发明对传统的双极化电磁波转换装置进行改进，主要基于阻抗匹配和模式匹配方法使转换的长度降低到50mm,具有结构简单、体积小、极化转换方法简单，且可实现批量化加工和调试，满足ka频段“动中通”天线系统极化转换的设计要求；同时产品的性能指标达到大幅提高，特别是电性能指标，通过实际加工生产和用矢量网络分析仪进行测试，验证结果回波损耗大于25db，插入损耗小于0.25db，与传统结构回波损耗大于17db，插入损耗小于0.5db，回拨损耗和插入损耗的大幅提高，进而提升了整个天线系统的性能指标。而且本发明能够广泛适用于车载、船载、机载等多种移动载体卫星通信中极化转换应用。

附图说明

图1为实施例提供的双极化电磁波转换装置的结构示意图；

图2为图1双极化电磁波转换装置的剖视简图；

图3为实施例提供的双极化电磁波转换装置各端口即电磁波模式简图；

其中：图3(a)为实施例提供的双极化电磁波转换装置俯视图及公共圆波导端口电磁波模式简图；

图3(b)为实施例提供的双极化电磁波转换装置左视图及第一分离矩形波导端口电磁波模式简图；

图3(c)为实施例提供的双极化电磁波转换装置右视图及第二分离矩形波导端口电磁波模式简图；

图4双极化电磁波转换装置在天线系统中的应用框图；

图5为实施例提供的双极化电磁波转换装置矩形波导中电磁波主模te10模式分布图。

图中：1-天线系统、2-双极化电磁波转换装置、201-公共圆波导端口、202-第一分离矩形波导端口、203-第二分离矩形波导端口、204-方波导、205-第一模式匹配过渡段、206-第二模式匹配过渡段、207-h面90°弯波导、208-短路面、3-第一发射/接收设备、4-第二发射/接收设备。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“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。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。

实施例

参考图1-4，一种双极化电磁波转换装置为三端口波导元件，包括公共圆波导端口201、第一分离矩形波导端口202、第二分离矩形波导端口203、第一模式匹配过渡段205和第二模式匹配过渡段206；所述公共圆波导端口201通过第一模式匹配过渡段205与第一分离矩形波导端口202连接，所述公共圆波导端口201通过第二模式匹配过渡段206与第二分离矩形波导端口203连接，所述公共圆波导端口201分别与第一分离矩形波导端口202和第二分离矩形波导端口203垂直；电磁波从所述双极化电磁波转换装置的公共圆波导端口201输入时经第一分离矩形波导端口202和第二分离矩形波导端口203输出时为两个相互独立并且垂直的信号。

进一步地，所述公共圆波导端口201与天线连接，用于输入/输出电磁波信号；

所述第一分离矩形波导端口202与第一发射/接收设备3连接，用于发送/接收电磁波信号；

所述第二分离矩形波导端口203与第二发射/接收设备4连接，用于发送/接收电磁波信号。

进一步地，参考图1-2，还包括方波导204、h面90°弯波导207和短路面208，所述公共圆波导端口201与方波导204一端直接连接，所述方波导204另一端通过第二模式匹配过渡段206与所述h面90°弯波导207一端连接，所述h面90°弯波导207的另一端与所述第二分离矩形波导端口203连接；所述公共圆波导端口201的侧壁通过第一模式匹配过渡段205与短路面208连接。

需要说明得是，图2中具体为本实施例图1所示装置的内部结构示意图，图2中所示的金属薄壁厚度为立项表面厚度，在本实施例中忽略不计，中间腔体为电磁波传播通道。

进一步地，所述方波导204通过第二模式匹配过渡段206的距离为l1，所述公共圆波导端口201底部与短路面208之间的距离为l2，所述l1和l2根据以下公式计算得来：

l1≈λ/2,l2≈λ/4

其中λ表示temn模式电磁波的波长，可以得出，c＝3×10⁸m/s为光速，表示temn模式电磁波的频率；emw表示波导腔内各个电磁波的模式之和，表示波导腔内te模式电磁波的所有组合模式，表示波导腔内tm模式电磁波的所有组合模式，m表示x方向变化的半周期数；n表示y方向变化的半周期数。

进一步地，所述第一分离矩形波导端口202和第二分离矩形波导端口203的中心线保持在一条直线上。

进一步地，电磁波经第一分离矩形波导端口202和第二分离矩形波导端口203输出时为两个相互独立并且垂直的信号必须满足λ<2a，其中λ表示电磁波波长，a表示矩形波导宽边尺寸。

进一步地，所述两个相互独立并且垂直的信号要满足ka频段动中通天线的要求，需满足其中λc＝2a称为截止波长，m表示x方向变化的半周期数；n表示y方向变化的半周期数，a表示矩形波导宽边尺寸，b为矩形波导窄边尺寸；所述第一分离矩形波导端口202采用bj220标准波导，所述第二分离矩形波导端口203采用bj320标准波导。

进一步地，所述信号为主模时，所述主模传输的波长必须满足λc20<λ<λc10，其中λ表示电磁波波长，λc20表示波导腔内传输的te20模式电磁波对应的截止波长，λc10表示波导腔内传输主模电磁波对应的截止波长。

一种双极化电磁波转换装置，所述双极化电磁波转换装置能够应用于多种移动载体卫星通信。

进一步地，所述多种移动载体卫星通信包括车载卫星通信、机载卫星通信和舰载卫星通信。

需要说明得是，参考图4，本实施例中第一发射/接收设备3和第二发射/接收设备4为天线系统1接收h11模式电磁波经过双极化电磁波转换装置后产生的两路频段不同且相互正交隔离的te10模式电磁波实际用户应用设备；根据用户的实际需求不同，用户可以自定义第一发射/接收设备3和第二发射/接收设备4，第一发射/接收设备3和第二发射/接收设备4为用户外购设备，具体性能指标不在本发明讨论范围之内，因此，本发明所述第一发射/接收设备3和第二发射/接收设备4在本实施例当中不加以详细说明。所述天线系统1为收发共用系统，经过双极化电磁波转换装置后产生的两路信号可以根据用户的实际需求进行分配，可以用作接收信号，也可以用作发射信号。

天线系统1接收双极化电磁波至双极化电磁波转换装置的公共圆波导端口201，经过公共圆波导端口201后天线1接收的电磁波计划方式发生分离，至第一分离矩形波导端口202和第二分离矩形波导端口203；波导中电磁波传输时存在两种模式te模和tm模，本实施例仅以te模为例进行说明，天线系统1接收电磁波极化方式为横电波模11(h11模式)，经过公共圆波导端口201转换后至第一分离矩形波导端口202和第二分离矩形波导端口203，输出横电波模10(te10模式)，且两路输出电磁波信号相互独立且正交，从图2即可详细看出，经过双极化电磁波转换装置后天线的接收信号转换为两路电磁波信号，图2中箭头的指向方向即为电磁波中电场的指向方向，根据电磁波理论可知磁场的指向应与电场正交且相位相差90°。

需要说明得是，本发明实施例所述双极化电磁波转换装置内部为金属波导空腔，本实施例中所述双极化电磁波转换装置的长度为50mm，高度35mm。

需要说明的是，参考图1和2，第一分离矩形波导端口202的尺寸为a1xb1，第二分离矩形波导端口203的尺寸为a2xb2，为了满足ka频段频率的有效传输，可以通过以下分析来确定矩形波导的宽边与窄边，即图1中的a1，b1，a2，b2。

波导中电磁波传输时存在两种模式te模和tm模，本实施例仅以te模为例进行说明。当传输te模时，即电磁波的电场纵向分量为零即ez＝0，对于纵向分量只需讨论磁场纵向分量hz。

根据maxwell方程加波导边界条件可以得出：

其中：hz为磁场z轴纵向分量，h0为归一化磁场分量，kx为x轴方向角速度，ky为y轴方向角速度，为x轴方向初始相位，为y轴方向初始相位，r为传播常数。同时根据横向分量可以用纵向分量表示，能够得出如下公式：

其中：ex为x轴方向电场强度，ey为y轴方向电场强度，ω为电磁波传输的角速度，u为磁导率，kc为截止波数，j为虚数常量，表示对z轴磁场分量在y轴方向求一阶偏微分，表示对z轴磁场分量在x轴方向求一阶偏微分。

利用边界条件，即在波导的四个边壁上电场切向分量为零，有

ey＝0x＝0、x＝a

ex＝0y＝0、y＝b

将边界条件带入式2和式3，确定kx、ky、和有

x＝0,ey＝0,可得

x＝a,ey＝0,可得kxa＝mπ

y＝0,ex＝0,可得

y＝b,ex＝0,可得kyb＝nπ

其中：a为矩形波导宽边尺寸，b为矩形波导窄边尺寸，m和n均为整数。

最后得出波导中电磁波的传输方程：

ez＝0(式7)

其中hx、hy分别与ex、ey对应，是maxwell方程的标准表示形式。

其中，有约束条件：

其中m表示x方向变化的半周期数；n表示y方向变化的半周期数。

本实施例当中当m＝1,n＝0时，即为本发明两个独立输出口的主模，即te10模式：

工程中的实部解为：

其中，e^-jβz表示电磁波传播的相位因子，β表示为相移常数。

参考图5，图5中给出了双极化转换装置详细的电场与磁场的场结构，其中，图5(a)和图5(b)中的箭头表示电场运行状况，图5(b)为图5(a)的切向视图。图5(c)和图5(d)所示为磁场运行状况，其中图5(d)为图5(c)的俯视图，图5(e)所示为波导内电磁场分布立体图，箭头为电场运行状况，回路磁场运行状况。从图4中能够看出场存在方向和大小两个不同的概念，场的大小是以力线密度表示的，并且同一点不能有两根以上的力线；磁力线永远闭合，电力线与导体边界垂直；电力线与磁力线相互正交。

由于r描述电磁波的传播常数，r＝α+jβ,α为衰减因子，β为相移因子；由于近似认为波导传输线为无耗传输线，故α＝0,又j²＝-1，结合式10，与m＝1,n＝0所以有而传播的相位因子中e^-jβz中，β需要是实数，必须满足β²＝k²-kc²>0,或者k>kc，ω为电磁波角频率，u＝4π×10^-7n/a²，(近似值)，也即要传输te10模必须满足：为此定义其中λc＝2a称为截止波长；kc是对应的截止波数。

te10单模存在的条件，当b<a时，m＝1,n＝0的λc最大(或者fc最低)，其中，fc为λc对应的频率，c＝3×10⁸m/s。te10模称为主模(优势模)，在多数传输应用情况下都希望只传输te10模，而其他模式都衰减不传输。因此，te10模传输的波长条件应满足：

λc20<λ<λc10

其中λ表示电磁波波长，λc20表示波导腔内传输的te20模式电磁波对应的截止波长。在本实施例当中主模为te10模，因此λc10表示波导腔内传输te10模式电磁波对应的截止波长。

通过以上分析可知，在保证te10单模传输的同时，要满足本发明工作的ka频段要求，通过上述可知截止波长为：要通过ka频段19ghz-21.2ghz和29ghz—31ghz两个不关联的频段，由上述可以得出，公共圆波导端口的直径为10.00mm即可满足此模式电磁波传输，第一分离矩形波导端口202输出te10单模电磁波信号为19ghz-21.2ghz即可选择bj220标准波导：a1xb1＝10.668mmx4.318mm，第二分离矩形波导端口203输出te10单模电磁波信号为29ghz-31ghz即可选择bj320标准波导：a2xb2＝7.112mmx3.556mm，此标准波导尺寸即可满足te10模式电磁波单模传输；由于采用bj系列标准波导，此产品易于加工和匹配生产配套设备和测试配件。

在本实施例中为了满足小体积，在公共圆波导与方波导、公共圆波导与第一分离矩形波导端口202(a1xb1)和第二分离矩形波导端口203(a2xb2)连接时存在了很多的不连续性，当主模在传输波导中有不连续性时，由主模激励起的电磁波(emw)模式是所有可能的高阶模式的叠加，其中可以表示为：

本发明中有不连续性和两个正交极化模式都呈对称性出现，可知波导内主模激励起的模式组合可以表示为：

l1≈λ/2,l2≈λ/4(式19)

其中λ表示temn模式电磁波的波长，可以得出，c＝3×10⁸m/s为光速，表示temn模式电磁波的频率；emw表示波导腔内各个电磁波的模式之和，表示波导腔内te模式电磁波的所有组合模式，表示波导腔内tm模式电磁波的所有组合模式，m表示x方向变化的半周期数；n表示y方向变化的半周期数。

通过以上分析，特别是式17与式18的分析计算可以计算出第二分离矩形波导端口203模式匹配过渡段206的距离l1＝10.292mm，h面90°弯波导及第一分离矩形波导端口202短路面208的距离l2＝5.632mm的有效值，可以直接用于设计验证，通过实际加工生产和用矢量网络分析仪进行测试，验证结果回波损耗大于25db，插入损耗小于0.25db，可以很好的满足实际产品的生产需求。

本发明所述公共圆波导端口201主要接收h11模式电磁波，经过本发明上述公式变换计算及相对应的物理模式匹配结构后，从第一分离矩形波导端口202和第二分离矩形波导端口203分别单独输出。

以上是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。