正交模转换器、天线设备及通信系统
技术领域
本公开涉及通信设备技术领域，特别涉及一种正交模转换器、天线设备及通信系统。
背景技术
随着双工通信技术的不断的升级和发展，可供使用的频段日益紧张，如何实现同频复用，即实现同一个频段的多次利用，成为了研究重点。在该背景下，极化复用技术应运而生，其是指：在同一频段范围内传输两路相互隔离的极化信号，在接收端使用双极化天线接收、分离这两路电磁波信号并进行输出。所以在天线馈源中，需要用到的重要组件就是正交模转换器(Ortho-mode Transducer，OMT)。通过极化复用技术，可以实现频段资源的双倍利用，技术应用前景十分广阔。
对于正交模转换器，如何在满足宽频带和高隔离性需求的前提下，提高其结构的紧凑性，是当前研发的一个重点关注点。
发明内容
本公开实施例提供一种正交模转换器、天线设备及通信系统，以兼顾对正交模转换器的宽工作频带、高隔离性和高紧凑性的使用需求。
根据本公开实施例的一个方面，提供一种正交模转换器，包括：
魔T，包括第一波导体和位于第一波导体内的第一隔板，第一波导体具有E面端口、H面端口、第一连接端口以及第二连接端口，其中，E面端口所在平面与H面端口所在平面正交，第一连接端口和第二连接端口位于同一平面并且所在平面与E面端口所在平面平行，第一隔板所在平面与E面端口所在平面和H面端口所在平面均正交；
极化器，包括第二波导体和位于第二波导体内的第二隔板，第二波导体具有第三连接端口、第四连接端口以及公共端口，其中，第三连接端口和第四连接端口位于同一平面并且所在平面与E面端口所在平面平行，第三连接端口与第一连接端口连接，第四连接端口与第二连接端口连接，公共端口所在平面与E面端口所在平面平行，第二隔板所在平面与E面端口所在平面和H面端口所在平面均正交。
在一些实施例中，第一波导体包括垂直连接的E臂和H臂，其中：
E面端口位于E臂的一端，E臂包括围绕E面端口且依次连接的第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁；
H面端口位于H臂的一端，H臂包括围绕H面端口且依次连接的第五侧壁、第六侧壁、第七侧壁和第八侧壁，第五侧壁与第一侧壁连接，第六侧壁与第二侧壁连接，第八侧壁与第四侧壁连接，第一连接端口和第二连接端口位于第七侧壁。
在一些实施例中，第一侧壁和第三侧壁分别呈平面状，第二侧壁和第四侧壁分别呈脊状并且结构镜像；
第五侧壁呈脊状，第六侧壁和第八侧壁呈平面状，第七侧壁呈平面状或阶梯状。
在一些实施例中，第二波导体为矩形波导体，第三连接端口和第四连接端口的形状均为矩形且尺寸相同，公共端口的形状为矩形。
在一些实施例中，第一隔板呈多阶阶梯状并且延伸至E臂及H臂内，沿远离E面端口的方向，第一隔板的台阶高度依次增大；
第二隔板呈与第一隔板台阶数相等的多阶阶梯状，沿远离E面端口的方向，第二隔板的台阶高度依次减小。
在一些实施例中，第一隔板和第二隔板分别呈四阶阶梯状。
在一些实施例中，E面端口为E面输入端口，H面端口为H面输入端口，公共端口为公共输出端口。
在一些实施例中，E面端口为E面输出端口，H面端口为H面输出端口，公共端口为公共输入端口。
根据本公开实施例的另一个方面，提供一种天线设备，包括前述任一实施例所述的正交模转换器。
根据本公开实施例的再一个方面，提供一种通信系统，包括前述实施例的天线设备。
本公开实施例的正交模转换器，第一连接端口和第二连接端口位于同一平面并且所在平面与E面端口所在平面平行，这样，将第一连接端口和第二连接端口紧凑设置，分别与隔板极化器的第三连接端口和第四连接端口相连，可以使得正交模转换器的整体结构较为紧凑。相比传统的对称结构型正交模转换器而言，本公开实施例的正交模转换器是通过使用折叠魔T结构与隔板极化器实现，因此，具有结构紧凑，体积小的技术优势。
此外，极化器与魔T级联形成正交模转换器，由于魔T本身的对称结构，可以实现端口的高隔离度特性。相比常规非对称结构型正交模转换器，本公开实施例的正交模转换器具有较高的隔离性，工作频带也更宽。
当然，实施本公开任一实施例的产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或相关技术中的技术方案，下面对本公开实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为相关技术中一种魔T的结构示意图；
图2为本公开一些实施例的正交模转换器的结构示意图；
图3为本公开一些实施例中魔T的结构示意图；
图4为本公开一些实施例中极化器的结构示意图；
图5为本公开实施例正交模转换器在工作频段内的端口反射系数和传输系数的曲线图；
图6为本公开实施例正交模转换器在工作频段内的端口隔离度的曲线图；
图7为本公开实施例正交模转换器在工作频段内的极化隔离度的曲线图。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
正交模转换器一般包括两个隔离端口(分别为E面端口和H面端口)和一个公共端口。相关技术中，正交模转换器按照结构特点分为三类，分别为双对称结构型正交模转换器、单对称结构型正交模转换器和非对称结构型正交模转换器。双对称结构型正交模转换器和单对称结构型正交模转换器，由于自身结构的对称性特点，可以满足宽频带和高隔离性的需求，但也因此导致体积较大，结构设计比较复杂。非对称结构型正交模转换器，在结构设计上相比前两类正交模转换器可以有所简化，体积也可以做的相对较小，但其工作频带较窄，隔离性也不如前两类正交模转换器。
本公开实施例提供了一种正交模转换器、天线设备及通信系统，以兼顾对正交模转换器的宽工作频带、高隔离性和高紧凑性的使用需求。
将电磁波能量从主波导中分路接出的元件称为波导分支器，它是微波功率分配器件的一种。按照分支设计的不同，波导分支器包括E-T分支型波导分支器、H-T分支型波导分支器和匹配双T型波导分支器。其中，E-T分支是在主波导宽边面上构造的分支，其轴线平行于主波导传输电磁波的电场方向，相当于分支波导与主波导串联。H-T分支是在主波导窄边面上构造的分支，其轴线平行于主波导传输电磁波的磁场方向，相当于并联于主波导的分支线。匹配双T，也称魔T，其在构造上将E-T分支和H-T分支合并。
如图1所示，相关技术中，魔T的结构包括第一端口01、第二端口02、第三端口03和第四端口04，其中第三端口03和第四端口04对称设置。
当第一端口01输入TE10模电磁波时，从第三端口03和第四端口04输出等幅同相的TE10模电磁波；当第二端口02输入TE10模电磁波时，从第三端口03和第四端口04输出等幅反相的TE10模电磁波。当第三端口03和第四端口04输入等幅同相的TE10模电磁波时，从第一端口01输出TE10模电磁波；当第三端口03和第四端口04输入等幅反相的TE10模电磁波时，从第二端口02输出TE10模电磁波。其中，TE波指横电波，电磁波中电场的方向垂直于电磁波的传播方向。TEmn指横电波的波模，其中，m，n分别表示电磁场沿矩形波导宽边方向变化和窄边方向变化的半周期数。TE10模电磁波是矩形波导中的主波，是矩形波导中最重要的波型。
如图2、图3和图4所示，本公开一些实施例提供的正交模转换器，包括：
魔T1，包括第一波导体10和位于第一波导体10内的第一隔板11，第一波导体10具有E面端口12(E面指与电场方向平行的平面，也称电面)、H面端口13(H面指与磁场方向平行的平面，也称磁面)、第一连接端口14以及第二连接端口15，其中，E面端口12所在平面与H面端口13所在平面正交，第一连接端口14和第二连接端口15位于同一平面并且所在平面与E面端口12所在平面平行，第一隔板11所在平面与E面端口12所在平面和H面端口13所在平面均正交；
极化器2，包括第二波导体20和位于第二波导体20内的第二隔板21，第二波导体20具有第三连接端口22、第四连接端口23以及公共端口24，其中，第三连接端口和22第四连接端口23位于同一平面并且所在平面与E面端口12所在平面平行，第三连接端口22与第一连接端口14连接，第四连接端口23与第二连接端口15连接，公共端口24所在平面与E面端口12所在平面平行，第二隔板21所在平面与E面端口12所在平面和H面端口13所在平面均正交。
从图2中可以看出，正交模转换器整体上具有三个端口，分别为E面端口12、H面端口13和公共端口24。第一隔板11将第一波导体10分隔为两部分，第一连接端口14以及第二连接端口15与这两部分对应连通。第二隔板21将第二波导体20分隔为两部分，第三连接端口和22第四连接端口23与这两部分对应连通。
在本公开的一些实施例中，正交模转换器用于信号发射端，E面端口12为E面输入端口，H面端口13为H面输入端口，公共端口24为公共输出端口。
例如，当一路TE10模电磁波输入魔T1的E面端口12，魔T1的第一连接端口14和第二连接端口15产生等幅同相的电磁波信号，该等幅同向的电磁波信号作为极化器2的第三连接端口22和第四连接端口23的输入激励，最终在极化器2的公共端口24输出TE10模电磁波。
当另一路TE10模电磁波输入魔T1的H面端口13，魔T1的第一连接端口14和第二连接端口15产生等幅反相的电磁波信号，该等幅反向的电磁波信号作为极化器2的第三连接端口22和第四连接端口23的输入激励，最终在极化器2的公共端口24输出TE01模电磁波。
在本公开的一些实施例中，正交模转换器用于信号接收端，公共端口24为公共输入端口，E面端口12为E面输出端口，H面端口13为H面输出端口。
例如，当TE10模电磁波输入极化器2的公共端口24，经过第二隔板21的分隔作用产生两个等幅同相的电磁波信号，该两个等幅同相的电磁波信号从第一连接端口14和第二连接端口15输入魔T1后从E面端口12输出。
当TE01模电磁波输入极化器2的公共端口24，经过第二隔板21的分隔作用产生两个等幅反相的电磁波信号，该两个等幅反相的电磁波信号从第一连接端口14和第二连接端口15输入魔T1后从H面端口13输出。
本公开实施例的正交模转换器，第一连接端口和第二连接端口位于同一平面并且所在平面与E面端口所在平面平行，这样，将第一连接端口和第二连接端口紧凑设置，分别与隔板极化器的第三连接端口和第四连接端口相连，可以使得正交模转换器的整体结构较为紧凑。相比传统的对称结构型正交模转换器而言，本公开实施例的正交模转换器是通过使用折叠魔T结构与隔板极化器实现，因此，具有结构紧凑，体积小的技术优势。
此外，极化器与魔T级联形成正交模转换器，由于魔T本身的对称结构，可以实现端口的高隔离度特性。相比常规非对称结构型正交模转换器，本公开实施例的正交模转换器具有较高的隔离性，工作频带也更宽。
第一波导体10的具体结构形式不限。在一些实施例中，如图2所示，第一波导体10包括垂直连接的E臂10e和H臂10h，其中：E面端口12位于E臂10e的一端，E臂10e包括围绕E面端口12且依次连接的第一侧壁101、第二侧壁102、第三侧壁103和第四侧壁104；H面端口13位于H臂10h的一端，H臂10h包括围绕H面端口且依次连接的第五侧壁105、第六侧壁106、第七侧壁107和第八侧壁108，其中，第五侧壁105与第一侧壁101连接，第六侧壁106与第二侧壁102连接，第八侧壁108与第四侧壁104连接，第一连接端口14和第二连接端口15位于第七侧壁107。
如图2所示，该实施例中，第一侧壁101和第三侧壁103分别呈平面状，第二侧壁102和第四侧壁104分别呈脊状并且结构镜像；第五侧壁105呈脊状，第六侧壁106和第八侧壁108呈平面状，第七侧壁107呈平面状。在另一些实施例中，第七侧壁107也可以呈脊状。
第二波导体20的具体结构形式不限。在一些实施例中，第二波导体20为矩形波导体，第三连接端口22和第四连接端口23的形状均为矩形且尺寸相同，公共端口24的形状为矩形。
如图2所示，在一些实施例中，第一隔板11呈多阶阶梯状并且延伸至E臂10e及H臂10h内，沿远离E面端口12的方向，第一隔板11的台阶高度依次增大；第二隔板21呈与第一隔板11台阶数相等的多阶阶梯状，沿远离E面端口12的方向，第二隔板21的台阶高度依次减小。
第一隔板11和第二隔板21的具体台阶数不限，在一个实施例中，第一隔板11和第二隔板21分别呈四阶阶梯状。
以上关于第一波导体10、第一隔板11和第二隔板21的脊状或阶梯状结构设计，用于实现阻抗的匹配，减少功率反射，以获得更好的器件效果。在本公开的其它实施例中，E臂和H臂也可以呈规则的矩形波导状。
如图5、图6和图7所示，其中，图5为本公开实施例正交模转换器在工作频段内的端口反射系数和传输系数的曲线图，图6为本公开实施例正交模转换器在工作频段内的端口隔离度的曲线图，图7为本公开实施例正交模转换器在工作频段内的极化隔离度的曲线图。
图中，S参数是建立在入射电磁波与反射电磁波关系基础上的参数。在曲线示例Sa(c)b(d)中，a，b表示端口，E面端口用数字1表示，H面端口用数字2表示，公共端口用数字3表示；c，d分别表示a,b端口的电磁波的模式，TE10用数字1表示，TE01用数字2表示。其中，S1(1)1(1)为E面端口的输入反射系数，S1(1)3(1)为E面端口至公共端口的传输系数，S2(1)2(1)为H面端口的输入反射系数，S2(1)3(2)为H面端口至公共端口的传输系数，S1(1)2(1)为端口隔离度系数，S1(1)3(2)为E面端口至公共端口的极化隔离度，S2(1)3(1)为H面端口至公共端口的极化隔离度。
从图中可以看出，本公开实施例正交模转换器在工作频段内的端口反射系数在-15dB以下，传输系数在0dB附近，端口隔离度在-48dB以下，极化隔离度在-57dB以下，工作带宽为20％。在目前现有的OMT设计中，非对称结构的OMT结构简单，但是极化隔离度基本上在-40dB左右，工作带宽为10％左右；双对称结构的OMT中，可以实现-50dB的极化隔离度和30％的工作带宽，但是结构尺寸过大，不利于设备小型化；单对称结构的OMT可以实现25％的工作带宽，但是结构较为复杂，极化隔离度也只能实现-40dB以下。因此，本公开实例的正交模转换器与双对称结构的正交模转换器相比，结构简单，有益于设备小型化，；和单对称结构的正交模转换器相比，隔离度更好，并且结构也较为简单；与非对称结构的正交模式转换器相比，具有好的隔离度，并且工作带宽更宽。
本公开实施例还提供一种天线设备，包括前述任一实施例的正交模转换器。该正交模转换器可以用于圆极化天线。
本公开实施例还提供一种通信系统，包括前述实施例的天线设备。该通信系统包括但不限于雷达通信系统。
由于正交模转换器兼具宽工作频带、高隔离性和高紧凑性的优势，上述天线设备和通信系统也具有较佳的通信效果，提高了频段资源的利用率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。
以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并非用于限定本公开的保护范围。凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本公开的保护范围内。
