專利名稱：波導(dǎo)頻帶/偏振分路器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種波導(dǎo)頻帶/偏振分路器。特別是，本發(fā)明涉及到一種線性偏振分路器，它包括波導(dǎo)濾波功能以分離發(fā)射波和接收波。
背景技術(shù)：
雙路衛(wèi)星傳輸使用不同的發(fā)射和接收頻帶。使用不同的發(fā)射和接收偏振是已知的。此外，當(dāng)分配頻帶時，為了滿足高頻和偏振分離限制，使用波導(dǎo)技術(shù)已是公知的。到目前為止，這種類型的裝置還沒有被大規(guī)模生產(chǎn)，各個部件生產(chǎn)相對昂貴。
現(xiàn)在，還沒有可以低成本大規(guī)模生產(chǎn)的緊湊的高性能分路器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種偏振/頻率分路器的最優(yōu)化的方案，生產(chǎn)后不需要調(diào)整并且可以完全通過模制生產(chǎn)。
本發(fā)明是一個包括各種部件的偏振波分路器。至少一個公共波導(dǎo)具有一個適合讓至少兩種不同偏振傳播的截面，公共波導(dǎo)具有第一和第二端，第一端構(gòu)成公共輸入/輸出。第一狹槽被設(shè)置在公共波導(dǎo)的第二端，第一狹槽讓具有第一種偏振的波傳播。第二狹槽被設(shè)置在公共波導(dǎo)的側(cè)向部分，第二狹槽讓具有第二種偏振的波傳播。第一過渡區(qū)在波導(dǎo)橫截面上提供了一個變化。第二過渡區(qū)在波導(dǎo)橫截面上提供了一個變化。第一波導(dǎo)濾波器具有第一端，它經(jīng)由第一過渡區(qū)連接到第一狹槽；和第二端，它構(gòu)成第一單獨的輸入/輸出。第二波導(dǎo)濾波器具有第一端，它經(jīng)由第二過渡區(qū)連接到第二狹槽；和第二端，它構(gòu)成第二單獨的輸入/輸出。各種部件的整體尺寸是這樣的，在發(fā)射頻帶內(nèi)和在接收頻帶內(nèi)，一方面在公共輸入/輸出和第一單獨輸入/輸出之間，另一方面在公共輸入/輸出和第二單獨輸入/輸出之間，所測量的分路器的傳遞特性，好于由構(gòu)成分路器的各部件在所述頻帶內(nèi)的特性總和所帶來的特性。


在閱讀隨后的描述時，本發(fā)明將被更清楚地理解，其他特征和優(yōu)點也將變得顯而易見，描述將參考附圖給出，其中圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的分路器的框圖；和圖2-5顯示了構(gòu)成本發(fā)明的分路器的四個部件。
具體實施例方式
圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的分路器的框圖。分路器包括一個與波導(dǎo)天線部件連接的公共端口(或公共輸入/輸出)，例如一個角，并包括兩個單獨的端口(或單獨的輸入/輸出)，一方面連接到一個發(fā)射電路，另一方面連接到一個接收電路。圖1中標(biāo)明的箭頭目的僅僅在于，在給定發(fā)射或接收配置中指出波行進(jìn)的方向。假定發(fā)射和接收電路(和頻帶)被顛倒，箭頭的方向也可以反轉(zhuǎn)而分路器不用任何其他的修改。連接著公共端口的偏振分路器1將來自天線的波分離為具有兩種不同偏振的兩組波，在這個例子中，被分離為兩種線性的和相互垂直的偏振。第一過渡區(qū)2連接到偏振分路器1，以發(fā)射(或接收)來自第一濾波器3第一端的具有第一種偏振的波。濾波器3的第二端構(gòu)成第一單獨的端口。第二過渡區(qū)4連接到偏振分路器1，以接收(或發(fā)射)具有第二種偏振的波并將它們傳輸?shù)降诙V波器5的第一端。第二濾波器5的第二端構(gòu)成第二單獨的端口。
使用這種類型裝置的一種傳統(tǒng)方法包括單獨選擇和確定各種部件的尺寸，利用一個恒定截面且長度至少為λg/2的波導(dǎo)部分將它們連接一起，其中λg為特定于波導(dǎo)的波長，這樣各種部件不會相互干涉。因此，整個組合件的傳遞特性稍微次于單獨選用各個部件的特性總和?！翱偤汀睉?yīng)該被理解為意味著特性的結(jié)合，它不是一個數(shù)學(xué)總和而是矩陣積(product of matrices)的結(jié)果。因此，各種部件必須單獨地具有非常高的性能，這樣才能產(chǎn)生與想要性能相符的組合件。
根據(jù)本發(fā)明，確定各種部件的尺寸的方法以一種整體的方式進(jìn)行。首先，要根據(jù)特性定義想要的性能等級。例如，想要生產(chǎn)一種分路器，它在發(fā)射模式運行在29.5和30GHz之間的頻帶，在接收模式運行在19.7和20.2GHz之間的頻帶。理想的是，各個端口具有的反射系數(shù)小于-30dB，在公共端口和具有第一種偏振的第一單獨端口之間且在發(fā)射頻帶中的傳輸因數(shù)系數(shù)大于-0.8dB，在公共端口和具有第二種偏振的第二單獨端口之間和在接收頻帶中的傳輸因數(shù)系數(shù)大于-0.8dB，在公共端口和具有第一種偏振的第二單獨端口之間和在發(fā)射頻帶中的傳輸因數(shù)系數(shù)小于-30dB，在公共端口和具有第二種偏振的第一單獨端口之間和在接收頻帶中的傳輸因數(shù)系數(shù)小于-30dB，在第一單獨端口和第二單獨端口之間，無論怎樣的偏振，傳輸因數(shù)系數(shù)小于-60dB。
接下來，基于現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行技術(shù)選擇。偏振分路器1是，例如，一個具有一個側(cè)面狹槽并且在一端具有一個狹槽的正方形截面的波導(dǎo)。從現(xiàn)有技術(shù)可知，狹槽的使用需要阻抗匹配，利用產(chǎn)生波導(dǎo)/波導(dǎo)過渡區(qū)2和4的臺階可以實現(xiàn)它。濾波器3和5例如是具有利用波導(dǎo)E平面短軸(E-pane stub)產(chǎn)生的極的波導(dǎo)濾波器。
優(yōu)化是從一個原理開始的，即可以引入與各種部件相關(guān)的電容或電感型的寄生諧振以有利地與偏振分路器交互作用。因此，優(yōu)化允許了制造材料的節(jié)約，因為用于連接的短軸變得不必要了。
優(yōu)化的開始點與標(biāo)準(zhǔn)的確定尺寸操作是相對應(yīng)的。偏振分路器1形成為一個根據(jù)技術(shù)規(guī)則利用空隙耦合的正方形波導(dǎo)并且以有可能最佳的性能精確地覆蓋了Tx(發(fā)射)和Rx(接收)頻帶。
圖2顯示了一種偏振分路器的透視圖(圖2a)，和兩個不同角度的兩個側(cè)視圖(圖2b和2c)。為了圖2和以下各圖的易讀性，僅僅顯示各部件的活動壁(active wall)。然而，圖2和其他圖對應(yīng)于由優(yōu)化產(chǎn)生的各部件，當(dāng)我們繼續(xù)時，將解釋一些細(xì)節(jié)。
偏振分路器1是一個具有側(cè)面C的正方形截面的短軸，它的一端10構(gòu)成公共端口，另一端被封閉并由一個長度af1、寬度bf1、厚度ef1的狹槽11刺穿。第二狹槽12被放置在短軸的一側(cè)，距短軸被封閉端的距離為dcc處，使得波導(dǎo)在用于導(dǎo)波波長的狹槽中心處終止于短路。第二狹槽12的長度為af2、寬度為bf2、厚度為ef2。狹槽與端部10隔開的波導(dǎo)長度為LG。
正方形波導(dǎo)尺寸的選擇依賴于Rx頻帶中的截止頻率——對基諧模傳播是必要的——并依賴于Tx頻帶中的高階模的數(shù)量。另外，有必要在導(dǎo)波波長中含有最小可能的變化，這使得在頻帶內(nèi)的匹配更容易。后一種情況意味著選取一個波導(dǎo)，它的尺寸比Rx頻帶截止處的波導(dǎo)尺寸大約大20％。
在本例中，具有7.7mm大側(cè)面的波導(dǎo)給出的截止頻率為19.5GHz；因為TE20模具有的截止頻率為30GHz，所以選擇的尺寸至少大20％，但是小于10mm。因此我們的選擇為C＝9.6mm。
狹槽的尺寸是這樣af＞λm/2，af/bf＞a/b，并且bf非常小，λm是被傳輸頻帶的平均波長，af是狹槽的長度，bf是狹槽的寬度，a和b分別代表所關(guān)注的頻帶內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的長度和寬度，這樣僅僅基諧模TE10可以傳播。這樣一個狹槽在諧振時的等效電路被并聯(lián)的LC等效電路給出。通過逐漸增加bf，諧振條件意味著af必須同時增加。因此，從狹槽的已知等效電路圖表中，C減小，L增加，從而產(chǎn)生諧振狹槽的品質(zhì)因數(shù)Q(Q與C/L的平方根成比例)并因此它的帶寬增加。這個帶寬的增加有損于匹配。
狹槽的厚度理論上必須盡可能的小以具有最佳的耦合，然而從機械觀點看，它必須至少為波導(dǎo)的厚度。因此，狹槽的厚度被選擇為ef1＝ef2＝0.5mm。狹槽的厚度對耦合選擇性有影響；這是因為行為(behaviour)不再是單獨的諧振而傳播效果開始形成。這馬上減少了選擇性。根據(jù)技術(shù)規(guī)則執(zhí)行的尺寸確定操作給出的結(jié)果為af1＝4.77mmbf1＝1.96mmaf2＝7.5mm bf2＝0.66mmLG＝λg＝15mm dcc＝λg/4＝3.75mm。
它的一個原因是為了改善匹配，有必要在四分之一波長臺階中使用過渡區(qū)。
這些過渡區(qū)利用已知的四分之一波長匹配技術(shù)來確定尺寸，這些技術(shù)例如由Borneman在“天線饋電系統(tǒng)的波導(dǎo)部件理論和CAD”中指出的。
根據(jù)第一狹槽11，第一過渡區(qū)2有一個臺階，根據(jù)第二狹槽12，第二過渡區(qū)4有兩個臺階。
在接下來的優(yōu)化期間，在第一狹槽有單個臺階的事實使得將第一狹槽11與第一過渡區(qū)2的波導(dǎo)橫截面合并成為可能，這個過渡區(qū)2被分布在對應(yīng)于偏振分路器1的部件和對應(yīng)于第一濾波器3的部件上。接地平面13增加在第一狹槽11的末端，以在與它接觸的第一濾波器的短軸處產(chǎn)生臺階。然而，根據(jù)初始數(shù)據(jù)，使用了一個過渡區(qū)，它包括橫截面為5.5mm×1.47mm長度為6mm的第一短軸和橫截面為6.6mm×2.29mm長度為3.83mm的一個短軸。
第二過渡區(qū)包括三個短軸，其中兩個如圖3所示，第三個短軸與第二濾波器5的短軸合并了。圖3a顯示了第二過渡區(qū)4部件的透視圖，圖3b、3c和3d以三個側(cè)視圖顯示了相同的部件。第一短軸14與偏振分路器1接觸。第一短軸14具有一個長邊為at1、短邊為bt1和波導(dǎo)長度為Lt1的矩形截面。第二短軸15跟在第一短軸14后面。第二短軸15具有一個長邊為at2、短邊為bt2和波導(dǎo)長度為Lt2的矩形截面。第三個短軸16形成在第二濾波器5上，接地平面17在部件上提供連續(xù)性，如圖3所示。第三個短軸16具有一個長邊為at3、短邊為bt3和波導(dǎo)長度為Lt3的矩形截面at1＝7.9mm bt1＝2.55mmLt1＝11.9mmat2＝8.59mmbt2＝3.14mmLt2＝7.8mmat3＝9.28mmbt3＝3.72mmLt3＝6.36mm然而，狹槽有助于整體匹配，因此它們必須根據(jù)與它并列的四分之一波長過渡區(qū)進(jìn)行修改。包括偏振分路器1和過渡區(qū)2和4的整個系統(tǒng)的全面模擬得以完成。接下來，各狹槽和臺階的尺寸被調(diào)整以將測量的特性還原到和想要的特性一致。模擬和調(diào)整重復(fù)進(jìn)行直到得到可接受的結(jié)果。
分路器展示出很好的性能，但是不能通過其本身確保Tx和Rx頻帶之間的很好的排斥。濾波器設(shè)計用來增加一個衰減，它允許得到想要的特征。
在說明性的例子中，選擇了波導(dǎo)濾波器，它具有由短軸形成的極。濾波器綜合利用了由Borneman在“天線饋電系統(tǒng)的波導(dǎo)部件理論和CAD”中描述的方法。
第二濾波器5在圖4中示出，圖4a顯示了一幅透視圖，圖4b顯示了一幅側(cè)視圖。第二濾波器5有兩個端部16和18，它對應(yīng)于讓Rx頻帶傳播的波導(dǎo)；如上所述，其中一個端部構(gòu)成了第二過渡區(qū)4的第三個短軸16。為了達(dá)到所需的性能等級，選擇了一個三極濾波器，它通過放置在中心波導(dǎo)23上的第一到第三個E面短軸20到22制造。中心波導(dǎo)由兩個膜片(irises)24和25連接到兩端。
優(yōu)選地，濾波器制造成關(guān)于濾波器中心軸26對稱的，以將它形成為兩個相同的模制的半殼。為了更容易地將濾器的半殼安裝在一起和更容易地將濾波器安裝到頻率/偏振分路器中，制造了關(guān)于中間面27對稱的濾波器。因此，安裝方向不需要考慮——膜片24和25是相同的并且第一和第三個短軸20和22也是相同的。
濾波器的寬度at3在整個長度上保持不變。構(gòu)成濾波器的各種部件因此定義如下——第一和第三個短軸20和22的長度為Ltg1，高度為htg1；——第二短軸21的長度為Ltg2，高度為htg2；——中心波導(dǎo)的高度為hgc，短軸之間的間距對應(yīng)于一個長度Ls；和——膜片24和25的高度為hi，高度為Li。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)執(zhí)行確定尺寸操作，以具有例如下面的開始尺寸Ltg1＝0.96mm htg1＝7.34mmLtg2＝0.55mm htg2＝6.49mmhgc＝1.45mmLs＝2.95mmhi＝1.03mm Li＝0.63mm第一濾波器3在圖5中示出，圖5a顯示了透視圖，圖5b顯示了側(cè)視圖。第一濾波器3具有兩個端部30和31，對應(yīng)于讓Tx頻帶傳播的波導(dǎo)——如上所述，其中一個端構(gòu)成第一過渡區(qū)2的第二短軸。為了得到所需的性能等級，選擇了一個兩極濾波器，它由通過中心波導(dǎo)34連接在一起的第一和第二E面短軸32和33來制造。第一和第二短軸32和33通過兩個膜片35和36連接到端部30和31。
優(yōu)選地，濾波器制造成關(guān)于濾波器中心軸37對稱，以將它制造成兩個相同的模制半殼。為了更容易地將濾器的半殼安裝在一起和更容易地將濾波器安裝到頻率/偏振分路器中，制造了關(guān)于中間面38對稱的濾波器。因此，安裝方向不需要考慮——膜片35和36是相同的并且第一和第二短軸32和33也是相同的。
濾波器的寬度aff在整個長度上保持不變。構(gòu)成濾波器的各種部件因此定義如下——端部30和31的長度為Lfe，高度為hfe；——第一和第二短軸32和33的長度為Lft，高度為hft；——中心波導(dǎo)的高度為hfgc，短軸之間的間距對應(yīng)于一個長度Lfs；和——膜片24和25的高度為hfi，高度為Lfi。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)執(zhí)行確定尺寸操作，以具有例如下面的開始尺寸aff＝7.112mmLfe＝5mmHfe＝3.556mm
Lft＝2.71mm Hft＝2.13mmHfgc＝0.97mm Lfs＝14.47mmHfi＝1.8mm Lfi＝0.52mm然后，通過模擬包括偏振分路器1、第一和第二過渡區(qū)2和4以及第一和第二濾器3和5的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。然后，狹槽11和12被重新確定尺寸，通過增加它們的長度af1和af2以增加帶寬，并且也因此增加了它們的寬度bf1和bf2。對于各個臺階，H平面的不連續(xù)性(誘導(dǎo)效應(yīng))和E平面的不連續(xù)性(電容效應(yīng))被改進(jìn)以具有一個匹配的整體LC電路。濾波器3和5的第一短軸22和32(和它們對稱的短軸22和33一起)被改進(jìn)，這樣等效于第一短軸的LC電路被匹配到過渡區(qū)。
基本思想包括在狹槽的平面中引入失配以在Tx和Rx模式中補償這個狹槽的失配。狹槽的LC特性將被修改，以得到想要的帶寬、頻帶位置和匹配等級，其他參數(shù)被修改以補償由狹槽的修改產(chǎn)生的失配。在詳細(xì)的例子中，這樣一個確定尺寸操作導(dǎo)致第一狹槽被擴(kuò)大以與第一過渡區(qū)的短軸合并。
結(jié)果是，得到了以下的最終尺寸af1＝5.32mm bf1＝3.556mmef1＝0.5mm ef2＝0.5mmaf2＝8.43mm bf2＝1.65mmLG＝15mm dcc＝1.09mmat1＝8.5mm bt1＝4.17mmLt1＝0.96mm at2＝8.61mmbt2＝4.318mm Lt2＝2.94mmat3＝10.668mmbt3＝4.318mmLt3＝5.7mm htg1＝6.56mmLtg1＝1.36mm htg2＝6.81mmLtg2＝1.21mm Ls＝3.42mmhgc＝1.48mm Li＝0.8mmhi＝1.29mm aff＝7.112mmLfe＝2.03mm hfe＝3.556mmLft＝2.7mm hft＝1.86mmhfgc＝1.16mm Lfs＝14.14mm
hfi＝1.8mm Lfi＝0.55mm在這個過程的最后，得到了一套部件(狹槽，過渡區(qū)和濾波器)，它們被確定尺寸以用在頻率/偏振分路器中。然而，單獨選用這些部件在想要的頻帶中不是高效的。本領(lǐng)域熟練的人員甚至注意到各個部件的特定特性不允許先驗要得到濾波器的全部特性，因為它們的總和不是一個允許得到所述濾波器最終特性的先驗。然而，各種部件的寄生交互作用使得通過在系統(tǒng)中執(zhí)行一個整體確定尺寸操作以得到非常高等級的特性成為可能。
本發(fā)明不限于所述的實施例。本領(lǐng)域熟練人員可以改變某個部件而仍然遵從相同的方法。所用的該類型的波導(dǎo)濾波器可以用任何其他類型的波導(dǎo)濾波器來代替。正方形和矩形的波導(dǎo)截面可以用圓和橢圓波導(dǎo)截面代替。
權(quán)利要求
1.一種偏振波分路器，它包括至少以下的部件一個公共波導(dǎo)(1)，其具有一個適合讓至少兩種不同偏振傳播的橫截面，公共波導(dǎo)具有第一和第二端，第一端構(gòu)成公共輸入/輸出(10)；第一狹槽(11)，其設(shè)置在公共波導(dǎo)(1)的第二端上，第一狹槽讓具有第一種偏振的波傳播；第二狹槽(12)，其設(shè)置在公共波導(dǎo)(1)的側(cè)向部分上，第二狹槽讓具有第二種偏振的波傳播；第一過渡區(qū)(2)，其在波導(dǎo)橫截面上提供了一個變化；第二過渡區(qū)(4)，其在波導(dǎo)橫截面上提供了一個變化；第一波導(dǎo)濾波器(3)，其具有第一端和第二端，其中第一端經(jīng)由第一過渡區(qū)(2)連接到第一狹槽(11)，而第二端構(gòu)成第一單獨的輸入/輸出；和第二波導(dǎo)濾波器(5)，具有第一端和第二端，其中第一端經(jīng)由第二過渡區(qū)(4)連接到第二狹槽(12)，而第二端構(gòu)成第二單獨的輸入/輸出；其特征在于，各種部件的整體尺寸是這樣的，在發(fā)射頻帶內(nèi)和在接收頻帶內(nèi)，一方面在公共輸入/輸出和第一單獨輸入/輸出之間，另一方面在公共輸入/輸出和第二單獨輸入/輸出之間，所測量的分路器的傳遞特性，好于由構(gòu)成分路器的各部件在所述頻帶內(nèi)的特性總和所帶來的特性。
2.如權(quán)利要求1所述的分路器，其特征在于，濾波器(3，5)是關(guān)于中間平面對稱的。
3.如權(quán)利要求1和2中任一項所述的分路器，其特征在于，構(gòu)成分路器的部件是通過模制生產(chǎn)的。
全文摘要
本發(fā)明提出一種偏振/頻率分路器的優(yōu)化的方法，生產(chǎn)后不需要調(diào)整并且可以完全通過模制生產(chǎn)。偏振波分路器包括各種部件，包括一個經(jīng)由過渡區(qū)(2和4)連接到兩個濾波器(3和5)的偏振分路器(1)。各種部件的整體尺寸是這樣的，分路器的傳遞特性好于由構(gòu)成分路器的各部件的特性總和所帶來的特性。
文檔編號H01P1/209GK1759498SQ200480006314
公開日2006年4月12日 申請日期2004年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月20日
發(fā)明者菲利普·錢貝林, 阿利·洛齊爾, 亨利·福爾多伊克斯 申請人:湯姆森特許公司