一种低无源互调馈源双工器及其用于接收和发射的方法

摘要

一种低无源互调馈源双工器及其用于接收和发射的方法，通过在结构上将双工器腔体与天线馈源底座一体化设计加工，精确计算双工器与天线馈源尺寸，对双工器公共谐振杆和馈源输入接口内外导体共同设计，设计匹配端口阻抗，调节公共谐振杆形状、尺寸和距离，优化两种器件之间的相位，实现一体化设计。避免了传统设计中用电缆连接双工器与天线馈源，减少了电连接器的使用，去掉了依靠弹力连接的部分，避免了敏感部位的接触非线性，大大的改善了产品的PIM特性，从而达到降低系统PIM的目的，解决了微波双工器与天线馈源系统的无源互调抑制难题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种低无源互调馈源双工器及其用于接收和发射的方法，属于微波滤波器及天线领域。

背景技术

随着卫星通信技术的发展，大功率无源器件的使用越来越多，其中收发双工器及天线馈源作为不可或缺的器件，在大功率、低无源互调(PIM：Passive Intermodulation)性能方面要求越来越高。无源互调指两个或两个以上的发射载波通过无源部件时产生的干扰信号，会降低接收系统信噪比，升高误码率，影响整个通信系统的正常工作，严重时导致通道阻塞，通信中断使系统瘫痪。这种危害常发生在收发双工器、天线馈源等部件。PIM产生的原因分为两种：材料非线性和接触面非线性。

目前低PIM系统设计主要考虑单个器件的性能，降低各单板的PIM从而达到保证整个系统性能的目的。对于频率在300MHz到4000MHz的通信系统，采用同轴射频接头及同轴电缆连接微波部件是最常用的方法，但由于同轴射频接头自身的PIM问题、产品体积重量等问题很难解决，所以PIM问题在系统中十分突出。

发明内容

克服现有技术不足，提供一种低无源互调馈源双工器及其用于接收和发射的方法，由于本发明主要针对空间大功率通信系统，降低无源互调产物(PassiveIntermodulation)是主要因素，本发明降低PIM首先要解决的是接触面非线性。由于互调产物的产生主要是由接触面非线性及材料非线性引起的，该发明在结构上考虑将双工器腔体与天线底座一体化设计加工，这样做的好处是去掉了天线与双工器之间连接的电缆和接头，避免了接头处PIM的产生，从而达到降低系统PIM的目的，解决了微波双工器与天线馈源系统的无源互调抑制难题。

本发明的技术方案为：一种低无源互调馈源双工器，包括：双工器腔体(1)、螺旋馈源杯体(2)、公共谐振杆(3)、螺旋天线馈源(4)、双工器盖板(5)和天线介质支撑(6)；

信号馈入到螺旋馈源杯体(2)和由天线介质支撑(6)支撑的螺旋天线馈源(4)组成的螺旋馈源，实现信号的接收和发射；

双工器腔体(1)内部设有发射通道和接收通道对信号进行滤波，螺旋天线馈源(4)连接公共谐振杆(3)，公共谐振杆(3)装在双工器腔体(1)内部并且固定于双工器盖板(5)上，公共谐振杆(3)能够耦合发射通道和接收通道的信号至螺旋天线馈源(4)。

双工器盖板(5)装在双工器腔体(1)上，双工器盖板(5)上设有接收通道的接口和发射通道的接口；螺旋馈源杯体(2)固定在双工器腔体(1)上，螺旋天线馈源(4)缠绕在天线介质支撑(6)上，天线介质支撑(6)固定在螺旋馈源杯体(2)内。

当接收信号时，射频信号馈入到螺旋天线馈源(4)和螺旋馈源杯体(2)组成的螺旋馈源内，实现信号的接收，将信号送入双工器腔体(1)内，经过公共谐振杆(3)进入接收通道，在双工器腔体(1)接收通道内的对射频信号进行滤波后通过双工器盖板(5)上接收通道的接口输出；

当发射信号时，射频信号从双工器盖板(5)上发射通道的接口馈入，进入双工器腔体(1)内的发射通道，进行滤波后，通过公共谐振杆(3)进入螺旋天线馈源(4)和螺旋馈源杯体(2)组成的螺旋馈源内，实现信号的发射。

天线介质支撑(6)包括：底部支撑盘和支撑柱，支撑柱伸出三个棱片，支撑柱与底部支撑盘固定连接，支撑柱为中空圆柱，且表面有镂空，棱片上设有卡槽，用于固定螺旋天线馈源(4)。

螺旋馈源杯体(2)，包括两个直径不同中空圆柱，直径小的中空圆柱为轴比对称金属圆环(22)，直径大的中空圆柱为辐射杯体(21)，辐射杯体(21)高度大于轴比对称金属圆环(22)的高度，二者之间形成环形槽。为了保证螺旋天线的PIM性能，轴比对称金属圆环(22)是与辐射杯体(21)一体整体加工的。

螺旋天线馈源(4)具有优异的轴比性能，采用轴比对称金属圆环(22)，使螺旋天线的轴比方向图比经典设计的螺旋天线轴比方向图在相同的张角范围内更小、更对称。

公共谐振杆(3)包括：圆柱形杆(31)、两个阶梯形块(32)(33)、两个阶梯形块呈一定角度固定连接，圆柱形杆(31)安装于两个阶梯形块的交接面的顶端；圆柱形杆(31)的两端加粗成直径更大的圆柱，作为传输线的内导体。

阶梯形块的阶梯高度与双工器的接收通道和发射通道的电性能指标相关，圆柱形杆(31)的尺寸与螺旋天线馈源(4)的电性能指标相关。

双工器腔体(1)包括发射通道和接收通道，发射通道和接收通道之间设有通孔，能穿过公共谐振杆(3)，发射通道位于双工器腔体(1)一侧，发射通道位于双工器腔体(1)另一侧，发射通道为带导角的方形腔体，方形腔体内设置十字形隔断将发射通道分成四个谐振腔体，使四谐振腔体两两之间产生耦合窗，接收通道被隔成五个谐振腔体，相邻两个谐振腔体形成一个耦合窗，接收通道中距离公共谐振杆(3)最远的谐振窗与其他接收通道内的谐振窗位置交错分布。

一种低无源互调馈源双工器用于接收的方法，步骤如下：

(1.1)射频信号馈入到螺旋天线馈源(4)和螺旋馈源杯体(2)组成的螺旋馈源内，实现信号的接收，

(1.2)将信号送入双工器腔体(1)内，经过公共谐振杆(3)进入接收通道，

(1.3)在双工器腔体(1)接收通道内的对射频信号进行滤波后通过双工器盖板(5)上接收通道的接口输出；

一种低无源互调馈源双工器用于发射的方法，步骤如下：

(2.1)射频信号从双工器盖板(5)上发射通道的接口馈入，

(2.2)馈入后的信号进入双工器腔体(1)内的发射通道，进行滤波后；

(2.3)滤波后的信号通过公共谐振杆(3)进入螺旋天线馈源(4)和螺旋馈源杯体(2)组成的螺旋馈源内，实现信号的发射。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过大腔体，粗谐振杆设计，增大谐振杆与盖板的距离，减少互调产物的产生；腔体内侧根据紧固螺钉的位置及大小倒角，从而排布足够多的紧固螺钉用以压紧盖板，减少结构的非线性。

(2)本发明通过在发射通道输出端采用环耦合形式，避免使用过细的探针，减少引起PIM问题的风险，天线和功分器整体镀银，避免材料非线性引起的PIM问题。

(3)本发明天线采用金属线绕在介质柱上形成螺旋形结构的行波天线，用同轴线馈电，天线馈源杯体与双工器腔体一体设计，端口阻抗由双工器公共端谐振柱尺寸调节，减少了电缆和接头的使用，避免了接触非线性产生的PIM。

(4)本发明提出一种新的天线与双工器一体化设计的结构，去掉了天线与双工器之间同轴射频接头及同轴线缆，避免了这些器件产生的接触非线性，达到降低系统PIM的目的，解决了微波双工器与天线馈源系统的无源互调抑制难题，为大功率器件的低PIM设计提供了解决方案，推动有效载荷系统向大功率、小型化、轻量化方向发展。

(5)本发明提出了解决了系统在大功率条件下的PIM问题，可以应用在后续的卫星上。一体化设计使该种馈源双工器最终具有大功率、低PIM、小体积重量等优点，使其可以满足现阶段日益增加的通信系统应用要求，其设计达到了国际水平，具有很强的竞争力。

附图说明

图1是低无源互调馈源双工器的爆炸结构图；

图2是双工器腔体结构图；

图3是螺旋天线馈源杯体结构图；

图4是双工器公共谐振杆和馈源输入接口；

图5是螺旋天线结构；

图6是双工器盖板结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

如图1所示，本发明的低无源互调馈源双工器包括：双工器腔体(1)、螺旋馈源杯体(2)、公共谐振杆(3)、螺旋天线馈源(4)、双工器盖板(5)和天线介质支撑(6)；

信号馈入到螺旋馈源杯体(2)和由天线介质支撑(6)支撑的螺旋天线馈源(4)组成的螺旋馈源，实现信号的接收和发射；

如图2所示，双工器腔体(1)内部设有发射通道和接收通道对信号进行滤波，其中发射通道为带一个零点的四阶广义切比雪夫滤波器，接收通道为五阶广义切比雪夫滤波器，其耦合矩阵与典型的广义切比雪夫滤波器相同，现有自编程序可以得出满足指标要求的滤波器耦合矩阵，发射通道滤波器共有输入输出，主耦合，交叉耦合和四个自耦合共八个耦合量，都可以对应在6X6的耦合矩阵中找到相应耦合量，接收通道共有输入输出，主耦合和五个子耦合，可以对应在7X7阶耦合矩阵中找到相应的耦合量。通过自编程序综合出发射及接收通道耦合矩阵，并对双工器电路建模、仿真、优化得到双工器耦合矩阵。

双工器发射通道要求大功率，低PIM，故采用大腔体，粗谐振杆，其输入耦合采用耦合环形式，避免探针过细引起PIM问题。谐振柱采用同轴谐振柱，传统同轴滤波器腔体谐振杆采用单独加工，调试时再行组装的形式，本发明将谐振柱直接加工在盖板上，大大减少了谐振柱与腔体间的非线性接触面，减少PIM的产生。接收通道由较小的方腔组成，靠近公共端的三个耦合窗分布在腔体的一侧，远离公共端的耦合窗位于另一侧，这种排布有效得改善了带外抑制。腔间耦合窗又本征模求解方式得到，在商用仿真软件HFSS中建立两腔的模型，通过特征模求解器计算出两腔之间的耦合量。两腔之间的耦合量等于求解的模式之间的差值，该值应该等于耦合系数与设计带宽的乘积，即：Coup＝M_ij×B_ω，其中M_ij为对应耦合系数；B_ω为带宽，Coup为对应的实际耦合量。

如图4所示，螺旋天线馈源(4)连接公共谐振杆(3)，公共谐振杆(3)装在双工器腔体(1)内部并且固定于双工器盖板(5)上，公共谐振杆(3)能够耦合发射通道和接收通道的信号至螺旋天线馈源(4)。如图4所示，双工器公共端谐振杆，采用耦合柱形式，包括：圆柱形杆(31)、两个阶梯形块(32)(33)、两个阶梯形块呈一定角度固定连接，圆柱形杆安装于两个阶梯形块的交接面的顶端；两端加粗成直径更大的圆柱，形成传输线的内导体与螺旋天线馈源相连，如图5所示，输出端长度及直径影响天线馈源与双工器电性能，通过精确计算得到。阶梯高度及角度通过计算双工器公共谐振杆双峰时延得到，用群时延仿真法计算，建立双工器模型，将各通道滤波器第二谐振腔短路，调整谐振柱高度及耦合窗大小，使公共段群时延两峰值分别位于两通道中心频率处，且大小等于电路计算的时延值。

如图6所示，双工器盖板(5)装在双工器腔体(1)上，如图6所示，双工器盖板(5)上设有接收通道的接口和发射通道的接口；接口处输入输出耦合利用对应耦合矩阵计算，群时延与输入输出耦合量的关系为其中M₀₁为输入或输出耦合，B_ω为带宽，τ(ω₀)为群时延；调整耦合窗大小，使仿真的群时延与耦合矩阵计算出的群时延相等。得出滤波器的输入输出窗口尺寸。

通过上述步骤得到了初始的腔体尺寸、公共谐振杆和窗口尺寸，可以反复调节各尺寸，通过比较S参数的优略来改变耦合窗口及频率螺钉的尺寸，最终达到优良的仿真结果。当然也可以采用其它方法进行整体仿真。

如图3所示，螺旋馈源杯体(2)固定在双工器腔体(1)上，螺旋天线馈源(4)缠绕在天线介质支撑(6)上，天线介质支撑(6)固定在螺旋馈源杯体(2)内。

当接收信号时，射频信号馈入到螺旋天线馈源(4)和螺旋馈源杯体(2)组成的螺旋馈源内，实现信号的接收，将信号送入双工器腔体(1)内，经过公共谐振杆(3)进入接收通道，在双工器腔体(1)接收通道内的对射频信号进行滤波后通过双工器盖板(5)上接收通道的接口输出；

当发射信号时，射频信号从双工器盖板(5)上发射通道的接口馈入，进入双工器腔体(1)内的发射通道，进行滤波后，通过公共谐振杆(3)进入螺旋天线馈源(4)和螺旋馈源杯体(2)组成的螺旋馈源内，实现信号的发射。

天线介质支撑(6)包括：底部支撑盘和支撑柱，支撑柱伸出三个棱片，支撑柱与底部支撑盘固定连接，支撑柱为中空圆柱，且表面有镂空，棱片上设有卡槽，用于固定螺旋天线馈源(4)。螺旋天线缠绕在支撑柱上，天线散热更好，通过计算螺距即卡槽之间的距离从而获得良好的电性能，同时可减少介电常数对天线电性能的影响。

螺旋馈源杯体(2)，外层圆柱与轴比金属圆环之间形成扼流槽，外层圆柱的高度和直径经计算得到，其作用是提高天线增益，使能量更集中。杯体内直径在0.85λ～1.1λ之间，高度在0.25λ～0.35λ之间；轴比对称金属圆环(22)的高度与螺旋线第一圈螺距中间位置距离辐射杯体(2)内底部的距离相等，轴比对称金属圆环(22)的内直径比螺旋线2绕制的螺旋的直径大，且差值在0.2λ～0.3λ之间。使用HFSS建立天线模型，通过不断调整螺旋馈源杯体(2)的内直径和高度、天线支撑柱上卡槽的数目、张角和深度及轴比金属圆环的高度、直径，得到最终的参数。

本发明的一种低无源互调馈源双工器用于接收的方法，步骤如下：

(1.1)射频信号馈入到螺旋天线馈源(4)和螺旋馈源杯体(2)组成的螺旋馈源内，实现信号的接收，

(1.2)将信号送入双工器腔体(1)内，经过公共谐振杆(3)进入接收通道，

(1.3)在双工器腔体(1)接收通道内的对射频信号进行滤波后通过双工器盖板(5)上接收通道的接口输出；

本发明的一种低无源互调馈源双工器用于发射的方法，步骤如下：

(2.1)射频信号从双工器盖板(5)上发射通道的接口馈入，

(2.2)馈入后的信号进入双工器腔体(1)内的发射通道，进行滤波后；

(2.3)滤波后的信号通过公共谐振杆(3)进入螺旋天线馈源(4)和螺旋馈源杯体(2)组成的螺旋馈源内，实现信号的发射。

计算好的天线与双工器在商用软件des igner中联合仿真，通过调整双工器尺寸等参数，协同仿真得到良好性能。

传统的双工器馈源系统，无源互调测试结果-135dBm，经设计、加工、调试、测试，本发明的双工器馈源一体化样机，无源互调测试结果低于-150dBm，PIM降低了15dBm，推进载荷向大功率、小型化、轻量化方向发展。

本发明通过大腔体，粗谐振杆设计，增大谐振杆与盖板的距离，减少互调产物的产生；腔体内侧根据紧固螺钉的位置及大小倒角，从而排布足够多的紧固螺钉用以压紧盖板，减少结构的非线性；通过在发射通道输出端采用环耦合形式，避免使用过细的探针，减少引起PIM问题的风险，天线和功分器整体镀银，避免材料非线性引起的PIM问题。

天线采用金属线绕在介质柱上形成螺旋形结构的行波天线，用同轴线馈电，天线馈源杯体与双工器腔体一体设计，端口阻抗由双工器公共端谐振柱尺寸调节，减少了电缆和接头的使用，避免了接触非线性产生的PIM；本发明去掉了天线与双工器之间同轴射频接头及同轴线缆，避免了这些器件产生的接触非线性，达到降低系统PIM的目的，解决了微波双工器与天线馈源系统的无源互调抑制难题，为大功率器件的低PIM设计提供了解决方案，推动有效载荷系统向大功率、小型化、轻量化方向发展。

本发明可以应用在后续的卫星上。一体化设计使该种馈源双工器最终具有大功率、低PIM、小体积重量等优点，使其可以满足现阶段日益增加的通信系统应用要求，达到了国际水平。