專利名稱：一種Ku頻段大功率低PIM寬帶極化頻率雙工饋電組件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種雙線極化收發共用天線饋源，特別是涉及一種Ku頻段大功率(公共端口合成功率達1840W)低PIM (要求在饋電組件與轉發器輸入端連接的端口處，高低溫情況下的7階PIM產物小于-193dBc)寬帶極化頻率雙工饋電組件，屬于新型星載天線饋源系統技術領域。
背景技術：
衛星有效載荷天線分系統可以使實現電磁信號的接收和發射功能，傳統的天線分系統設計采用天線收發分開方案，即一副接收天線和一副發射天線，這種方案的技術難度較小，饋源組件技術易于實現，無需考慮寬頻帶匹配問題，在使用頻率范圍內可以獲得較高的性能。但其弊端也很明顯，兩副天線的體積和質量會使結構布局設計付出很高代價，增加衛星平臺的承載壓力。單天線、雙饋源方案是天線收發分開方案的改進形式，這種方案采用一套反射器和兩套饋源(接收饋源、發射饋源)，饋源組件仍然考慮窄帶使用要求，技術較簡單，并將結構布局的壓力轉移至放射器，但是這會增加反射器賦形難度，并且如果兩個饋源不在最優位置，會犧牲天線整體性能。新一代通信衛星的發展對有效載荷系統提出了更加嚴格要求，比如充分利用有限的頻率資源、系統信道數量和信道功率容量不斷增加，抗PIM能力不斷提升等等，特別是在 Ku頻段，通常要求單幅天線收發共用，這無疑增加了系統的無源互調(PIM)風險，需要嚴格控制系統的線性程度，并且為了提高頻率資源利用率，雙線極化模式也被更多的利用。雙線極化收發共用天線饋源組件中的設計難點是正交模耦合器組件，每一種極化信號的傳輸都涵蓋接收和發射頻段，因此信號的寬帶匹配、高次模抑制以及端口隔離度都是需要重點考慮的問題，現有的一般采用對稱四臂耦合正交模耦合器，雖然對稱四臂耦合正交模耦合器可以在很寬的頻帶范圍內實現較優的性能，但是其結構復雜，不適用于結構布局緊湊的要求。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種解決了 Ku頻段天線系統頻率復用和極化復用這兩個傳統技術難題的緊湊型寬帶極化頻率雙工饋電組件，同時進一步滿足了有效載荷系統所要求的高功率耐受能力和低PIM的嚴格要求。本發明的技術解決方案是一種Ku頻段大功率低PIM寬帶極化頻率雙工饋電組件，由對稱雙臂正交模耦合器和兩個頻率雙工器組成，所述對稱雙臂正交模耦合器包括內部結構和外殼，所述內部結構包括公共方波導、對稱雙臂耦合通路和縱向直通路，形成公共端口、對稱雙臂合成端口和縱向直通端口，所述公共方波導的兩個側面對稱開辟兩個同尺寸的矩形耦合窗口，矩形耦合窗口長邊中線與公共方波導側面中線重合，兩個矩形耦合窗口分別連接對稱雙臂耦合通路的兩個對稱雙臂的一支，矩形耦合窗口與對稱雙臂的夾角為45°，在矩形耦合窗口的短邊中點處插入與矩形耦合窗口長邊平行且等長的感性柱，在公共方波導內居中插入與兩側矩形耦合窗口垂直連接的賦形膜片，賦形膜片的厚度方向與矩形耦合窗口長邊平行，所述賦形膜片上部的線形截取自指數函數曲線的一段，兩側線形對稱一致，下部為矩形，矩形的寬度與公共方波導的邊長一致，上部指數函數曲線與下部矩形的交點落在兩側矩形耦合窗口的遠離公共端口的長邊上，公共方波導連接方矩過渡段和E 面90°彎波導形成縱向直通端口，對稱雙臂耦合通路連接插入三角形膜片的Y型接頭形成對稱雙臂合成端口，縱向直通端口和對稱雙臂合成端口各連接一個頻率雙工器。所述的頻率雙工器由T型接頭和兩個通道濾波器即發射通道濾波器和接收通道濾波器組成，發射通道濾波器和接收通道濾波器采用H面膜片形式，T型接頭的對稱水平端兩側分別通過一段直波導連接發射通道濾波器和接收通道濾波器，T型接頭的垂直端形成公共端口，在T型接頭的公共端口處有一對對稱分布的H面膜片，在T型接頭的水平端中心靠近接收通道濾波器的一側有一調諧齒。所述的對稱雙臂正交模耦合器從與側壁矩形耦合窗口垂直的方向剖分為兩部分， 下部含完整的賦形膜片和縱向直通端口，上部的外殼上端面中部位置有與對稱雙臂耦合通路形成的平面垂直的散熱片，兩部分的內部結構為整體成型。所述的頻率雙工器從濾波器的寬邊對稱剖分，上半含公共端口，下半的外殼一側有與濾波器窄邊平行的散熱片，兩半的內部膜片采用一體化加工。本發明與現有技術相比有益效果為(1)本發明采用對稱雙臂正交模耦合器和兩個頻率雙工器連接的結構完成信號的極化雙工和頻率雙工，解決了 Ku頻段天線系統極化復用和頻率復用這兩個傳統技術難題；(2)本發明的對稱雙臂正交模耦合器，采用特殊的賦形曲線膜片和感性柱，使本發明實現寬帶匹配、避免非對稱性高次模，又具有緊湊的結構形式；(3)本發明的頻率雙工器T型接頭內部增加了調諧齒和膜片，實現頻率雙工器的寬帶匹配；(4)本發明的對稱雙臂正交模耦合器和頻率雙工器采用一體化加工方式，減少法蘭連接面，具備了抗PIM能力；(5)本發明對稱雙臂正交模耦合器和頻率雙工器設計了散熱片，使本發明具有高功率耐受能力；(6)本發明在正交模耦合器的兩個極化信號端口接入頻率雙工器后，就可以實現極化頻率雙工，這種饋源組件具有寬帶匹配特性、較強的高次模抑制能力、較高的極化端口隔離和頻率端口隔離，并且體積小、重量輕；(7)本發明適用于指標要求非常嚴格的星載應用環境，在空間和質量資源非常緊張的情勢下有利于衛星平臺的合理應用，具有很強的實用性和市場競爭力。
圖1為本發明極化頻率雙復用饋電鏈路工作原理2為本發明整體結構示意圖；圖3為本發明對稱雙臂正交模耦合器整體結構示意圖；圖4為本發明對稱雙臂正交模耦合器整體電氣示意圖5為本發明對稱雙臂正交模耦合器局部放大電氣示意圖；圖6為本發明頻率雙工器整體結構示意圖；圖7為本發明頻率雙工器整體電氣示意圖。
具體實施例方式通過對比多種天線饋源方案，結合天線整體技術要求，本發明采用極化頻率雙復用的饋電形式，由對稱雙臂正交模耦合器和頻率雙工器等部件組成。如圖1所示，當天線工作在接收狀態時，喇叭接收到正交的雙線極化信號被對稱雙臂正交模耦合器耦合分離到各自的極化端口，再經過分別接在各個極化端口的頻率雙工器接收通道傳輸給轉發器；當天線工作在發射狀態時，轉發器輸入給天線的兩種極化的信號分別由頻率雙工器發射通道輸入到各自連接的極化端口，再由對稱雙臂正交模耦合器合成并通過喇叭輻射出去。饋電鏈路中對稱雙臂正交模耦合器和頻率雙工器的結合就是實現極化和頻率雙復用的關鍵，稱為極化頻率雙工饋電組件。本發明如圖2所示，包括對稱雙臂正交模耦合器和兩個頻率雙工器，對稱雙臂正交模耦合器的縱向直通端口和對稱雙臂合成端口各連接一個頻率雙工器。本發明各部分都具備寬帶匹配、高功率耐受和抗PIM技術，以保證整個饋源的性能，以下結合附圖具體說明本發明的設計。1、對稱雙臂正交模耦合器本發明如圖3所示，對稱雙臂正交模耦合器包括內部結構和外殼，內部電氣形式如圖4、5所示，包括公共方波導、對稱雙臂耦合通路和縱向直通路，形成公共端口、對稱雙臂合成端口和縱向直通端口。對稱雙臂耦合通路由堆成分布的側臂和Y型接頭組成，縱向直通路由公共方波導、方矩過渡段和E面90°彎波導組成。在公共方波導的兩個側面對稱開辟了兩個同尺寸的矩形耦合窗口，窗口長邊中線與方波導側邊中線重合，兩個窗口分別連接對稱雙臂的一支，連接角度為45°。在矩形耦合窗口的短邊中點處插入與矩形耦合窗口長邊平行并且等長的感性柱；在公共方波導內居中插入與兩側矩形耦合窗口垂直連接的賦形膜片，賦形膜片厚度方向與矩形耦合窗口長邊平行，賦形膜片上部的線形截取自指數函數曲線的一段，兩側線形對稱一致，下部為矩形，矩形的寬度與公共波導的邊長一致，上部指數函數曲線與下部矩形的交點落在兩側矩形耦合窗口的遠離公共端口的長邊上；公共方波導連接方矩過渡段和E面90°彎波導形成縱向直通端口，對稱雙臂耦合通路連接插入三角形膜片的Y型接頭形成對稱雙臂合成端口。對稱雙臂正交模耦合器的電氣設計關鍵在實現兩個正交極化信號的寬帶匹配以及抑制公共波導內激勵起來的高次模分量。采用圖5所示的對稱雙臂正交模耦合器時，正交主模信號(TE10模、TEOl模)通過對稱分支分離傳輸，激勵起的非對稱性高次模量級最小；賦形膜片和感性柱可以實現兩種主模信號的寬帶匹配。如圖4所示，每個通路的雙接頭末端連接專門設計的合成器(插入三角形膜片的Y型接頭和方矩過渡段、E面90°彎波導)將主模信號合成，以最終完成信號的極化雙工；對稱雙臂正交模耦合器內部的高功率考核點位于側壁矩形耦合窗口，采用窄邊波導形式的矩形耦合窗口可以保證足夠的功率容量；波導部件的PIM水平與其法蘭接觸面的緊密程度、接觸面材料、和接觸面電流密度都有關系，因此低PIM設計主要是從結構設計和工藝設計方面考慮，例如采用一體化加工、減少接口數量、特殊法蘭和線性材料等措施。對稱雙臂正交模耦合器采用的關鍵技術具體包括(1)信號寬帶匹配和高次模抑制如圖4、5所示，首先根據主模信號的工作頻率確定公共方波導的尺寸，使公共方波導腔內能夠同時傳輸發射和接收兩個頻段信號；其次要考慮分支結構，采用對稱雙臂耦合通路，可以避免在分離兩個正交的主模信號時產生非對稱性高次模，抑制高次模量級；在公共方波導內部插入賦形膜片，賦形膜片兩側與矩形耦合窗的寬邊相接，對稱雙臂和公共波導的夾角為45°，這使從對稱雙臂耦合傳輸的信號寬帶匹配效果最佳；在矩形耦合窗口的短邊中點處插入與長邊平行的感性柱，可以調節縱向直通路的信號寬帶匹配；用插入三角形膜片的Y型接頭將對稱雙臂耦合通路的雙接頭合成，方矩過渡段和E面90°彎波導將縱向直通路的雙接頭合成。(2)高功率耐受在加工能力能夠實現的前提下，感性柱的直徑越小越好，這樣可以增加耦合窗口處的微放電余量，提高功率耐受能力；同時根據結構熱分析得出正交模耦合器的熱場分布， 在正交模耦合器上端面設計與其垂直的散熱片，如圖3所示，散熱片厚度的漸變角度是根據熱傳導的方向性確定的，保證其工作在大功率狀態時因波導歐姆損耗產生的熱能很好的散去，防止產品表面溫度過高。(3)抗 PIM 設計為了增加正交模耦合器的抗PIM能力，在進行結構設計時，采用圖3所示的剖分方式，對稱雙臂正交模耦合器從與側壁矩形耦合窗口垂直的方向剖分為兩部分，下部含完整的賦形膜片和縱向直通端口，上部的外殼上端面中部位置有與對稱雙臂耦合通路形成的平面垂直的散熱片，兩部分的內部結構為整體成型，內部無焊接工藝，避免的接觸面材料的非線性，這種剖分方式使得耦合器接口法蘭數目減少，以降低波導結構不連續性；根據法蘭面接觸面積與壓強的關系改變法蘭接觸面的形狀，增強法蘭面的連接緊密度。2、頻率雙工器頻率雙工器采用T型波導接頭連接兩個通道濾波器的形式，用于分離接收和發射頻段的信號。如圖6、7所示，T型接頭的對稱水平端兩側分別通過一段直波導連接發射通道和接收通道濾波器，T型接頭的垂直端形成公共端口，在T型接頭的公共端口處有一對對稱分布的H面膜片，在T型接頭的水平端中心靠近接收通道濾波器的一側有一調諧齒。通道濾波器采用H面膜片(感性膜片)濾波器，這樣可以滿足大功率工作的要求。 除了前述的低PIM設計方法外，雙工器采用不可調諧形式以及寬邊剖分加工方式都可以有效控制PIM水平。 頻率雙工器采用的關鍵技術具體包括(1)信號寬帶匹配首先，通道濾波器應設計達到較優的通帶回波損耗和阻帶抑制度；其次，兩個通道濾波器與T形接頭連接后，反射系數的相位發生了變化，這時需要在T形接頭內部增加調諧齒和膜片，如圖7所示，通過改變調諧齒和膜片的形狀、位置，調整連接處的波導長度，來補償反射系數相位的變化。由于這些調諧環節之間的相互影響較復雜，需要將它們的尺寸、位置設置成優化變量，將頻率雙工器的通帶回波損耗和阻帶抑制設置成優化目標，通過模式匹配法進行優化，實現頻率雙工器的寬帶匹配。(2)高功率耐受由于濾波器采用諧振腔形式，信號在諧振腔產生諧振，電流累加效應很大，因此采用圖7所示的H面膜片濾波器，使得波導內電場傳輸的距離最大，以提高其微放電余量；同時根據頻率雙工器的熱場分布，在熱場傳輸最快的位置設計散熱片，如圖6所示，可以降低部件表面溫度，保護其正常工作。(3)抗 PIM 設計頻率雙工器通過充分優化和容差分析，使得加工誤差對電性能的影響達到最小， 因此無任何可調環節，避免因不連續性引起的PIM ；采用寬邊對稱剖分(如圖6所示位置)， 上半含公共端口，下半的外殼一側有與濾波器窄邊平行的散熱片，兩半的內部膜片采用一體化加工。剖分面電流密度最低，可以避免電場非線性引起的接觸面電流激增；通道濾波器膜片采用一體化加工方式，無焊接工藝，避免因材料的非線性產生PIM。本發明的測試試驗結果如下端口性能通過電性能測試得到饋電組件的實際性能，收發寬頻帶內的駐波比 < 1. 3，極化端口隔離度> 45dB，頻率端口隔離度> 45dB。高功率耐受性能饋電組件通過了一個極化通道輸入脈沖功率為2350W的準鑒定級真空微放電試驗；通過了全功率輸入狀態下的功率耐受試驗，饋源表面溫度低于70°C， 滿足鑒定試驗要求；抗PIM能力在兩路100W發射信號輸入下，當試驗溫度分別為低溫(_55°C )、 室溫、高溫(+142°C)時，在饋電組件與轉發器輸入端連接的端口測得的7階PIM產物小于-194dBc。本發明未詳細說明部分屬本領域技術人員公知常識。
權利要求
1.一種Ku頻段大功率低PIM寬帶極化頻率雙工饋電組件，其特征在于由對稱雙臂正交模耦合器和兩個頻率雙工器組成，所述對稱雙臂正交模耦合器包括內部結構和外殼， 所述內部結構包括公共方波導、對稱雙臂耦合通路和縱向直通路，形成公共端口、對稱雙臂合成端口和縱向直通端口，所述公共方波導的兩個側面對稱開辟兩個同尺寸的矩形耦合窗口，矩形耦合窗口長邊中線與公共方波導側面中線重合，兩個矩形耦合窗口分別連接對稱雙臂耦合通路的兩個對稱雙臂的一支，矩形耦合窗口與對稱雙臂的夾角為45°，在矩形耦合窗口的短邊中點處插入與矩形耦合窗口長邊平行且等長的感性柱，在公共方波導內居中插入與兩側矩形耦合窗口垂直連接的賦形膜片，賦形膜片的厚度方向與矩形耦合窗口長邊平行，所述賦形膜片上部的線形截取自指數函數曲線的一段，兩側線形對稱一致，下部為矩形，矩形的寬度與公共方波導的邊長一致，上部指數函數曲線與下部矩形的交點落在兩側矩形耦合窗口的遠離公共端口的長邊上，公共方波導連接方矩過渡段和E面90°彎波導形成縱向直通端口，對稱雙臂耦合通路連接插入三角形膜片的Y型接頭形成對稱雙臂合成端口，縱向直通端口和對稱雙臂合成端口各連接一個頻率雙工器。
2.根據權利要求1所述的一種Ku頻段大功率低PIM寬帶極化頻率雙工饋電組件，其特征在于所述的頻率雙工器由T型接頭和兩個通道濾波器即發射通道濾波器和接收通道濾波器組成，發射通道濾波器和接收通道濾波器采用H面膜片形式，T型接頭的對稱水平端兩側分別通過一段直波導連接發射通道濾波器和接收通道濾波器，T型接頭的垂直端形成公共端口，在T型接頭的公共端口處有一對對稱分布的H面膜片，在T型接頭的水平端中心靠近接收通道濾波器的一側有一調諧齒。
3.根據權利要求1所述的一種Ku頻段大功率低PIM寬帶極化頻率雙工饋電組件，其特征在于所述的對稱雙臂正交模耦合器從與側壁矩形耦合窗口垂直的方向剖分為兩部分， 下部含完整的賦形膜片和縱向直通端口，上部的外殼上端面中部位置有與對稱雙臂耦合通路形成的平面垂直的散熱片，兩部分的內部結構為整體成型。
4.根據權利要求2所述的一種Ku頻段大功率低PIM寬帶極化頻率雙工饋電組件，其特征在于所述的頻率雙工器從濾波器的寬邊對稱剖分，上半含公共端口，下半的外殼一側有與濾波器窄邊平行的散熱片，兩半的內部膜片采用一體化加工。
全文摘要
一種Ku頻段大功率低PIM寬帶極化頻率雙工饋電組件，由對稱雙臂正交模耦合器和兩個頻率雙工器組成，所述對稱雙臂正交模耦合器包括內部結構和外殼，所述內部結構包括公共方波導、對稱雙臂耦合通路和縱向直通路，形成公共端口、對稱雙臂合成端口和縱向直通端口，所述公共方波導的兩個側面對稱開辟兩個同尺寸的矩形耦合窗口，在矩形耦合窗口的短邊中點處插入與矩形耦合窗口長邊平行且等長的感性柱，在公共方波導內居中插入與兩側矩形耦合窗口垂直連接的賦形膜片。本發明采用對稱雙臂正交模耦合器和兩個頻率雙工器連接的結構完成信號的極化雙工和頻率雙工，解決了Ku頻段天線系統極化復用和頻率復用這兩個傳統技術難題；本發明的對稱雙臂正交模耦合器，采用特殊的賦形曲線膜片和感性柱，使本發明實現寬帶匹配、避免非對稱性高次模，又具有緊湊的結構形式。
文檔編號H01Q13/02GK102299425SQ201110159278
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月14日 優先權日2011年6月14日
發明者萬小平, 呂慶立, 宋文超, 張蕾, 楊恪, 王耀霆 申請人:西安空間無線電技術研究所