具有电介质基板和波导过渡的混合耦合器的制作方法

本公开涉及一种具有电介质基板和波导的混合耦合器，特别是一种具有矩形波导过渡的悬置带状线混合耦合器，其能够用于卫星通信天线阵列，特别是用于对用于基于卫星的通信的ka波段的发射和接收。

背景技术：

1、用于卫星通信的天线阵列的设计要满足严格的机械和射频(rf)性能要求。主要的目标是将射频性能保持在符合公认性能规格的同时，减少天线组件的深度和质量。为了满足这些要求，必须用尺寸更小、重量更轻的部件来替代目前可获得的天线的一些主要部件。天线阵列由平面和矩形波导部件的混合组成。顶层是平面偶极子阵列，其从自由空间接收射频电磁(em)波或将其辐射到自由空间。下一层是馈送网络，由多个平面和矩形波导分配器/组合器组合而成，用作传输线分配网络，引导em信号进入用于接收“rx”和发射“tx”的两个独立的信道，这两个信道由t型双工器隔开，其依次向正交混合耦合器发送rf功率或从正交混合耦合器接收rf功率。

2、混合耦合器是3db定向耦合器，3db定向耦合器耦合在一个方向上流动的功率。它是一种4端口设备，可以以如下方式在输出端口(耦合/直通)之间分配功率：使它们的振幅基本相等，但它们之间的相位差为90°，同时实现输入端口之间的高度隔离。由于输出端口具有90°相移，因此在使用混合耦合器向馈送网络供电时，同时获得双圆极化“cp”模式“rhcp”(右手圆极化)和“lhcp”(左手圆极化)。由于混合设计的高度对称性，因此输入端口(隔离端口)与输出端口(直通/耦合)完全可以互换。由于其物理对称性，因此混合耦合器被认为是一种互易器件。

3、典型的矩形波导90°混合耦合器通常用于向馈送网络提供/接受功率，这需要天线组件具有相对较大的体积和更大质量，这是一个主要问题。

技术实现思路

1、本公开的目的是在不降低混合耦合器性能的情况下，提供一种体积和质量较小的紧凑型混合耦合器。

2、通过独立权利要求的特征实现了这个目的。进一步的实施形式根据从属权利要求、说明书和附图中是清楚的。

3、为了克服上述问题，创建了一种平面型的与经典支线耦合器类似但经过改进的(在rf带宽性能方面)的设计，其比矩形波导混合耦合器更轻、更薄。本公开提供了一种如何将这种平面设计集成到利用中空波导结构设计的馈送网络的解决方案。

4、为了解决中空矩形混合耦合器体积和尺寸较大以及将这种平面混合耦合器集成在天线组件中的问题，已经设计了一种“具有矩形波导端口接口的90°悬置带状线(ssl)混合耦合器”。混合耦合器的设计主要是一种非常薄的配置(ssl)，该配置端接四个矩形波导端口，这种设计在天线组件中具有非常高的可集成性，并且具有较小的紧凑面积和体积。下文中介绍的这种设计的体积比基于标准波导(wg)的混合耦合器小2.5倍。

5、本公开提供了一种质量轻和外形小的ka波段天线的设计和制造，该天线与传统天线设计相比具有非常紧凑的体积和质量。此外，本公开中提供的解决方案的rf性能与现有技术相比非常有竞争力。设备的高度优化和调整对于满足不同的应用要求至关重要。质量轻、厚度薄和外形小是移动应用的物理要求，也是作为“单人可携带”天线应用于需要卫星通信的各种使用场景的物理要求。下文中提供的新型混合耦合器能够在此类应用中发挥优势。

6、与现有技术相比，本发明的优势在于设计简单，并且在制造过程中没有额外的制造步骤；并且实现了高rf性能，能够缩放到任何频段。本公开中提供的混合耦合器由于其小尺寸而具有高度的灵活性，并且能够集成在馈送网络的同一机械层内，或者在需要时集成在不同的机械层内。这将减小天线的总体尺寸和质量。

7、在本公开中，使用了以下术语和符号。

8、电磁(em)波

9、电磁波由振荡/振动电场和磁场以正弦形式交替产生。电场的变化产生磁场，并且磁场的变化产生电场。电场和磁场的相互作用形成了传播电磁波，其中电场矢量垂直(正交)于磁场矢量并垂直于传播方向。电磁波以光速在真空中传播，并不需要传播介质进行传播。

10、天线

11、天线是所有无线电应用中的基本设备，其用作em波的发射器和/或接收器。天线是一换能器电子设备，其通过将能量转换成无线电波或将无线电波转换成能量来从自由空间接收或发射em/无线电波。天线作为通过传输线电连接到检测器/接收器或发生器/发射器的电子元件/部件的布置与自由空间之间的过渡段。在传输模式(a)中，无线电发生器通过传输线向天线的终端提供em波，并且天线接收信号并将其辐射到自由空间中。在接收模式(b)中，天线接收来自自由空间的入射波，并通过传输线将其发送到接收器/检测器进行放大。

12、频率、相位、振幅和极化是电磁波的四个参数

13、频率是无线电波在一秒钟内完成的周期数。它是指定事件在指定时间间隔内发生的次数。频率的标准测量单位是赫兹(hz)。振幅是波的高度、力或功率。波长是两个背对背的波上相似点之间的距离。

14、相位是共享相同空间和频率的多个无线电信号之间的关系。相位不仅仅是一个rf信号的属性，而是涉及两个或更多个共享相同频率的信号之间的关系。相位涉及两个波形的振幅波峰和波谷之间的位置关系。相位可以用距离、时间或度数来测量。如果频率相同的两个信号的波峰在同一时间完全对准或一致，则称为同相。相反，如果两个频率相同的信号的波峰在同一时间不完全对准或一致，则被称为异相。

15、em波极化

16、天线的极化被宽泛地定义为天线在能量从其辐射出去时产生的电磁场的方向。这些方向场决定了能量离开天线或被天线接收的方向。电磁波的“极化”是指振荡电场的朝向或方位(orientation)。极化有几种类型：

17、线性极化：如果电场矢量的端点随着时间的推移而在直线上运动，则极化是线性的。

18、水平极化：这一直线平行于地球表面。

19、垂直极化：其垂直于地球表面。

20、倾斜极化：这是一种与水平面或垂直面成一角度的无线电天线极化形式。这样，垂直极化天线和水平极化天线都能够接收信号。

21、圆极化：这对卫星应用等领域有很多好处，其有助于克服传播异常、地面反射和多个卫星上出现的自旋效应的影响。圆极化比线极化更难可视化。然而，可以通过可视化从旋转的rf天线传播的信号来想象。然后会看到电场矢量的尖端在远离天线行进时描绘出螺旋状(helix)或开瓶器(corkscrew)。

22、右手圆极化：(rhcp)在这种极化形式中，矢量以右手方式旋转。

23、左手圆极化：(lhcp)在这种极化形式中，矢量以左手方式旋转，即与右手相反。

24、混合(椭圆)极化：另一种极化形式被称为椭圆极化。当线性极化和圆极化混合时，就会发生这种情况。这能够像之前一样通过电场矢量的尖端描绘出椭圆形的开瓶器来可视化。

25、天线系统

26、在大多数天线系统中，使用双圆极化天线。除了几种不同的技术方法外，还可以产生不同的天线极化，定向混合耦合器被用于产生圆极化波。

27、天线系统可以构造如下：顶层是从自由空间接收/向自由空间辐射em波的孔径。下一层是馈送网络，由几个平面和矩形波导分配器/组合器的组合而成，其用作传输线分配网络，引导em信号进入用于接收“rx”和发送“tx”的两个独立的信道，这两个信道由t形双工器分隔开，该双工器依次向正交混合耦合器发送rf功率或从正交混合耦合器接收rf功率。这里可以使用两个混合耦合器，一个用于接收信号(rx)，一个用于发送信号(tx)。每个混合耦合器同时产生双圆极化，“cp”模式“rhcp”和“lhcp”，这是在向馈送网络供电时获得的。

28、产生圆极化的一般惯例是由电场矢量来完成的，电场矢量负责波的方位和方向。当电场矢量的振幅相等但相移90度或彼此垂直时，就形成了cp。并且这正是设计混合耦合器以产生圆极化波时所考虑的。

29、混合耦合器以如下方式在输出端口(e1和e2)之间分配功率：使它们的振幅基本相等，但相位差为90°，这会导致由于将两个电场矢量相加(e1+e2)而产生圆极化波。

30、天线轴比：

31、天线轴比是圆极化天线图案的长轴和短轴(两个正交电场矢量)之间的比率。如果天线具有完美的圆极化，则该比率将为1(0db)。当em功率被提供给微波系统以进一步传输时，一些功率在系统中沿着部件被吸收，其中一些功率被反射，其余功率被传输。

32、回波损耗是入射功率与反射功率之比。

33、插入损耗是入射功率与传输功率之比。

34、这些比率用db术语(分贝)表示，这是一种使用对数计算的方法，通过将输出与输入信号进行比较来测量快速增减或指数增减的信号。

35、插入损耗(db)＝10*log(入射功率(w)/传射功率(w))

36、回波损耗(db)＝10*log(入射功率(w)/反射功率(w))

37、微波系统/em部件的电学行为可以通过分析其散射参数来描述。在分析二次混合耦合器时，可以获得以下s参数：

38、s1,1是输入端口处的反射参数

39、s4,1是隔离端口处的隔离参数

40、s2,1和s3,1是输出端口(直通端口和耦合端口)处的传输参数

41、这些参数的值也以db表示。

42、波导

43、本公开中描述的波导或波导过渡是一种如下的结构：通过将能量传输限制在一个方向上以最小的能量损失来引导或传输诸如电磁波的波。

44、本公开中描述的脊形波导是一种具有导电脊的波导，导电脊从顶壁或底壁或两个壁突出到波导的中心。脊线与波导的短壁平行。顶壁或底壁有单个突出脊的矩形波导称为单脊波导。顶壁和底壁都有脊的矩形波导称为双脊波导。与常规的矩形波导相比，脊形波导在其基本模式下具有较低的阻抗和较宽的带宽。它们还具有较低的截止频率和较低的功率处理能力。脊形波导可以用于阻抗匹配，因为它们降低了波导的特性阻抗。此外，与传统波导相比，它们提供了更高的带宽。

45、带状线

46、本公开中描述的带状线或带状线电路使用夹在两个平行接地平面之间的平坦金属带。基板的绝缘材料形成电介质。带的宽度、基板的厚度和基板的相对介电常数决定了作为传输线的带的特性阻抗。中心导体不需要在接地平面之间等距地布置。在一般情况下，在中心导体上方和下方的介电材料可以不同。为了防止不需要的模式传播，两个接地平面应短接在一起。这可以通过一系列通路来实现，这些通路可以在每一侧平行于带延伸。

47、悬置带状线

48、本公开中所描述的悬置带状线(ssl)是在薄的基板上蚀刻出来的，并且整个结构是封闭的。因此，带状线悬置在金属结构中。悬置的带状线两侧都有空气作为电介质。悬置带状线配置支持几乎纯的tem模式传播。ssl与其他带状线技术相比具有以下优点：无杂散辐射；更宽的工作带宽；低损耗；和高q因子。

49、ka波段

50、在本公开中，描述了ka波段中的通信。具体地，由ieee系统定义的ka波段的频率范围是从26ghz到40ghz，在自由空间中，26ghz的波长为11.5mm，并且40ghz的波长为7.5mm。ka波段频谱广泛用于宽带数据通信、移动电话和数据应用以及直接到户(dth)广播。ka波段收发器、发射器和接收器由于在频谱的ka波段部分工作，因此提供高数据吞吐量和带宽。大多数在ka波段工作的高吞吐量卫星(hts)通常属于以下ka波段：27.5–31ghz(上行链路)和17.7–21.2ghz(下行链路)，带宽为3.5ghz。

51、根据第一方面，本公开涉及一种用于传输等分振幅和正交相位的电磁波的混合耦合器，该混合耦合器包括：电介质基板，该电介质基板具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面；带状线，该带状线被放置在电介质基板的第一主表面处，带状线包括输入端口和两个输出端口，带状线被形成为基于在输入端口处接收的输入信号在输出端口处提供等分振幅和正交相位的电磁波；以及矩形波导过渡，矩形波导过渡附接到基板的两个主表面，矩形波导过渡被配置为将等分振幅和正交相位的电磁波传输到天线。

52、矩形波导过渡附接到基板的两个主表面，以将em信号传递和传输到辐射器设备，反之亦然。

53、这种混合耦合器设计简单，并且能够在几个制造步骤中制造。该混合耦合器实现了高rf性能，其能够缩放到任何频段。此外，混合耦合器由于其小尺寸而具有高度的灵活性，并且能够集成在馈送网络的同一机械层内，或者如果需要能够集成在不同的机械层内。这将导致减小天线的总体尺寸和质量。

54、在混合耦合器的示例性实施方式中，带状线包括悬置带状线ssl。

55、这种悬置带状线提供无杂散辐射、更宽的工作带宽、低损耗和高q因子的优点。

56、在混合耦合器的示例性实施方式中，带状线还包括隔离端口；其中，该带状线包括基部段和四个臂，该四个臂分别将基部段与带状线的输入端口、两个输出端口和隔离端口电连接。

57、这种设计制造简单，并且由于四个臂从公共的基部段延伸而高度对称。由于其对称性，可以实现如下性能图所示的高性能。

58、在混合耦合器的示例性实施方式中，带状线的四个臂中的每一个臂包括一个或更多个匹配元件，该一个或更多个匹配元件被配置为将带状线与波导过渡匹配。

59、这样提供的优点是，可以通过使用对匹配元件的优化设计来实现带状线与波导过渡的高度匹配。例如，优化设计可以在模拟中预先确定。

60、在混合耦合器的示例性实施方式中，将基部段与输入端口和隔离端口连接的四个臂中的两个臂的形状与将基部段与两个输出端口连接的四个臂的另外两个臂的形状对称。

61、由于臂的对称设计，因此混合耦合器能够容易地制造，并且能够实现混合耦合器的高性能s参数。

62、在混合耦合器的示例性实施方式中，带状线的基部段包括形成在电介质基板的第一主表面处的金属层，该金属层包括形成在基部段的中心处的开口。

63、这样提供的优点是，金属层能够很容易地蚀刻在印刷电路板上，并且能够将基部段的中心处的开口设计为使带状线与波导过渡的最佳匹配，以及ssl混合的四个臂(迹线)之间的匹配，以实现最佳宽带ar性能。

64、在混合耦合器的示例性实施方式中，基板是包括顶面金属化和/或底面金属化的印刷电路板；而带状线在印刷电路板的顶面金属化或底面金属化内形成为蚀刻信号迹线。

65、这样提供的优点是，在使用印刷电路板时，混合耦合器可以容易地制造。生产带状线的制造步骤可以通过生产机器高效执行。

66、在混合耦合器的示例性实施方式中，混合耦合器包括：上接地平面，布置在基板的第一主表面上方并且在基板的形成带状线的输入端口和输出端口的区域外部；下接地平面，布置在基板的第二主表面下方并且在基板的形成带状线的输入端口和输出端口的区域外部；以及将上接地平面与下接地平面电连接的一系列通路。

67、这样提供的优点是，这种悬置带状线的布置可以容易地制造。这种悬置带状线配置支持几乎纯的tem模式传播，并且提供无杂散辐射、更宽的工作带宽、低损耗和高q因子的优点。

68、在混合耦合器的示例性实施方式中，波导过渡被形成为在与带状线的第一主表面正交或平行的方向上或者在正交和平行方向之间的方向上传输等分振幅和正交相位的电磁波。

69、这提供了关于辐射方向的高灵活度的优点。

70、在混合耦合器的示例性实施方式中，波导过渡包括多个阶梯波导过渡段，每个阶梯波导过渡段附接到带状线的相应端口。

71、这样提供的优点是，通过这种阶梯波导过渡段，可以对阻抗进行整形，以改善带状线与波导的匹配，从而提高天线增益。

72、在混合耦合器的示例性实施方式中，波导过渡包括多个双脊波导过渡段，每个双脊波导过渡段附接到带状线的相应端口。

73、与常规矩形波导相比，这种双脊波导过渡段在其基本模式中提供了低阻抗和宽带宽的优点。双脊波导过渡还具有较低的截止频率。双脊波导过渡可以有效地用于阻抗匹配，因为它降低了波导的特性阻抗。此外，与常规矩形波导过渡相比，双脊波导过渡具有更高的带宽。