高频信号的宽带无损耗混合方法

专利名称：高频信号的宽带无损耗混合方法
技术领域：
本发明涉及将多个高频信号的宽带混合技术，具体说是一种高频信号的宽 带无损耗混合方法。技术背景无线(wireless)设备的工作离不开高频信号，如微波(microwave)信号或 射频(RF: radio frequency)信号，本发明统称为高频信号。不同的高频信号有 不同的频率(fr叫uency)、带宽(bandwidth)和调制(modulation)，它是区别多 个不同信号的重要参数。信号的另外两个参数即幅度、相位可以通过线性处理 得到，因此通常对幅度、相位不作特别考虑。无线设备包含了各种高频器件和传输线，信号混合器是常用的高频器件。将 不同传输线中的不同信号传送到同一个高频传输线中，且这些信号的极化、模 式相同，这个过程称为信号的混合，相关器件称为混合器或合路器。高频信号 在设备中传送依赖于高频传输线，简称传输线。最常用的传输线是波导、同轴 线(也称电缆)、微带线、双绞线等。可以从高频网络的观点去研究高频器件，高频网络或高频器件与外部的接口 称为端口。如一端口网络，信号能够从一个端口进和出，虚线为端口平面。端 口平面的输入电磁场可表述为Et (x， y， z， co) =V (Z) Eot (x， y) exp[j( w t-P z)〗 ...... (1)Ht (x, y， z， w) =1 (Z) Hot (x， y) exp[jOt隱Pz)] ...... (2) 高频器件(或多端口微波网络)的端口通常是选器件(或网络)与外部传输 线的相连的某个参考面或参考点上。需要注意的是，虽然是在同一个参考面或 参考点，但如果有两个极化不同的信号，则应看作是两个端口，而不是一个端 口。当然，高频器件的参考面也不完全选在传输线上，如天线的口面也是常见 的器件端口，但高频网络通常是研究一个封闭区域。从公式(l)、 (2)看出，端 口的参数是标量。如果端口参考平面只有一个极化的信号，则只有一个端口。 如果该参考平面有两个极化不同的信号，则就应该看作两个端口。相应，如果有N个极化不同的信号，则有N个端口。混合器是一个多端口器件(或多端口微波网络)。两路信号混合器是一个三 端口器件(或三端口微波网络)，两个端口是输入， 一个端口是输出。四路信号混合器是一个5端口器件(或五端口微波网络)，4路输入， 一路输出。四路信 号混合器可以用三个两端口混合器实现，因此两端口混合器为基本合路单元。 一般地说，信号混合器是m路信号输入，n路信号输出，且m〉n。例如，五路 信号输入，两路信号输出。但两路输入， 一路输出(也就是三端口混合器，或 三端口混合网络)是最基本的情况，它是一般混合网络的核心单元， 一般混合 网络都可以用基本合路单元辅助一些常用的微波器件构造得出，因此原理上我 们只用研究两路输入， 一路输出的微波网络。这种研究所得到的合路方法并不 失一般性。注意，我们不把负载电阻或隔离电阻作为一个端口，因为这个端口 仅仅是吸收功率，没有信号的输出，因此不是研究的重点。而且，本发明是希 望负载电阻或隔离电阻上的功率损耗趋于零或尽量小。混合器的主要技术指标包括，(l)插损，也就是从输入端口到输出之间，信 号的插入损耗，希望要尽量小。(2)体积重量越小越好。(3)通过功率越
大越好。(4)技术复杂度复杂度越低越好。(5)对载波的频率和频带宽度的 适应度对频率变化和频带宽度改变越不灵敏越好。(6)输入端口之间的隔离 度隔离度越高越好。(7)无源互调越低越好。另外，输入输出端口也是相 对的，因此信号混合器也能用于信号功率分配器。 下面举几个高频信号混合例。在无线广播领域，会遇到将两个不同频率的信号(调制信号或非调制信号)进行混合，如图1所示。例如，两个广播调频信号，分别是FM96MHz和 FM105MHz，这两个调频广播信号一般是通过各自的馈线送到发射场地的天线。 如果把信号合成起来送到发射场，就可以省掉一根电缆，频率相近时还可以公 用同一个天线，这样就节省了电缆费用和安装费用。其它无线系统也常常需要把多个不同载波频率的信号进行混合(也称为合 路)。如图2所示。图2中给出了两种混合场景，如图2a，是同一个设备(BS)内 的两个不同的发射信号，通过混合器送入同一根电缆或天线。或者同一个设备 内，不同频率与制式的信号(如G信号与U信号)进行混合。如图2b，是两个 不同的设备(BS)之间的信号合路。合路的优点是两路信号可以用同一根馈线 传输，或者用同一个天线发射，或者两者兼而有之。以上背景都涉及两个或多个不同信号，在高频段无损耗混合(或合路)成一 路信号的问题。特别地，是要求将大功率信号(通常在瓦量级以上)进行混合。 或者是在天线馈源中将接收信号进行混合，统一地送到低噪声放大器(LNA)进行 放大处理。目前有两种常用的混合的技术，下面分别介绍。 与本发明相关的现有技术一 现有技术一宽带混合之功分器方案 最常用的信号混合是采用功分器做宽带合路。常用的功分器是电桥(hybrid) 或Wilkinson功分器，俗称3dB电桥或3dB功分器。所谓3dB是指信号功率会 损失一半。这两种信号混合器使用很普遍，属于本专业内人士普遍知道和经常 使用的宽带混合技术，因此对其本身原理不多叙述。Wilkinson功分器的隔离电阻为内置，使得隔离电阻的功率容量难以做得比较大， 因此通常用于小功率信号的合路。而电桥的负载电阻可以外接，可以方便地配 置功率容量较大的隔离电阻，因此大功率的信号通常采用电桥来实现。信号混 合流程如图3所示，载频信号100经过发射机102放大后，送入由电桥组成的 宽带混合器104，然后通过电缆，送到天线106发射出去。由于有较大的合路损 耗，因此大功率隔离电阻108上要吸收大量的功率。3dB电桥本来是4端口网络， 但用于信号合路时，隔离端口接负载电阻，因此还是称为三端口混合网络。图3 只画出了两路信号的混合，多路信号的混合类似。 现有技术一的优点及缺点采用现有技术1的优点是(1)在工作频带内没有频率选择性，因此通常称 为宽带混合，这种宽带混合对需要跳频(Fr叫uency Hoping)的GSM网络等特别有 用。(2)体积小、重量轻、成本低。采用现有技术1的主要缺点是损耗大。理论上，两路信号的合路要损失一半 的功率，即损失3dB功率。如果是4路信号的合路要损失四分之三的功率，即 损失6dB功率。N路信号混合则损失101og(N)分贝。因此，多路大功率信号混 合时，会造成信号功率的大幅减少，造成能源浪费和散热问题。 现有技术二窄带混合之滤波器方案现有技术2是采用滤波器来实现多路信号混合，如图4所示。这种方式使用
也较多，属于本专业内人士普遍知道和经常使用的技术，因此对其原理不多叙 述。其工作流程如图4所示，载频信号200经过发射机202放大后，送入由滤 波器组成的窄带混合器204，然后通过电缆，送到天线206发射出去。 现有技术二的优点及缺点这种混合器的优点是插入损耗较小，理论上插入损耗可以为零，实际插损 通常远低于技术方案1的宽带混合，因此可通过较大功率。图4只画出了两路 信号合路，多路信号合路同样是可行的。这种合路器的缺点有三个 一是由于滤波器有频率选择性，因此通常会影响频点(频点，FA: frequency allocation)调整的灵活性或频带宽度(frequency bandwidth)调整的灵活性，给使用带来不方便。采用可变介电常数材料、变容管、 步进电机等可以动态调整滤波器的频点或带宽，但是成本更高，技术更复杂。 二是由于采用滤波器，这种混合器通常成本高、体积大、设计与加工复杂。信 号频率越接近，信号频率数目越多，这些缺点越明显。三是存在一个保护间隔， 小于这个间隔，混合器体积与成本也急剧增加，合路损耗会急剧增加，甚至无 法进行低损耗混合。同时由于存在保护间隔，因此信号不能靠得太近，降低了 频谱使用效率。发明内容本发明提供一种兼有3dB电桥混合器和滤波器混合器优点的新型信号混合 方法，也即一种高频信号的宽带无损耗混合方法；该技术能够在高频频段，将 多个不同的高频信号(如频率不同或信号带宽不同或调制方式不同等)，理论上 无损耗或工程上低损耗地混合在一个高频网络端口 。 为克服现有技术存在的问题，本发明所提供的技术方案是1、高频信号的宽带无损耗混合方法，其在于所述的高频信号的宽带无损 耗混合方法包含高频信号的无损耗输入转换及高频信号的无损耗极化转换两步 骤(1) 、第一步骤是将需要合并的信号无损耗地送到同一个空间； 通过各种激励、感应或耦合措施，将需要混合的信号变成某个空间中的极化模式，通常是正交模式。(2) 、第二步骤是高频信号的无损耗极化转换，将极化不同的信号转换成极 化相同的信号；通过高频信号的无损耗极化转换，使得极化不同的信号转换成极化相同的信 号；经过极化转化后，信号的极化变得相同，而且由于信号在同一个转换器中， 工作模式也就相同，信号也就无损耗地混合在一起了。 上述的高频信号极化的转换，采用的方式为利用传输线的变换使得极化发生改变，在转换传输线的初始端是具有正交 模式的传输线如圆波导、方波导、对称的脊波导、同轴线，在转换传输线的结 束端是只允许单一极化模式的传播的传输线如矩形波导、椭圆波导、微带线、 同轴线，在转换初始端和转换巻结束端之间是两种传输线的过渡部分；最终使 得在同一传输线中因极化不同而形成多个端口，变成极化相同的单端口，从而 完成信号的混合。上述的高频信号极化的转换，采用的方式为利用膜片或销钉等使得极化发生改变，即消除与膜片或销钉杆平行的极化 分量，只剩下与膜片或销钉垂直的极化分量，使得不同极化的信号变成极化同向。上述的高频信号极化的转换，采用的方式为利用极化移相器使得极化发生改变，使得多个信号的极化由不同变成同向。 如利用极化移相器将f2信号进行移相，使得f2信号变为圆极化(或线极化)， 然后又利用极化移相器将f2圆极化信号变为线极化(或圆极化)，并且线极化 (或圆极化)的方向与fl此时的极化方向相同；上述的高频信号极化的转换，采用的方式为利用耦合探针使得极化发生改变，通过将耦合探针天线加粗，降低耦合探 针对极化方向的敏感性，使得不同极化方向的信号都能在天线中得到完整的信 号耦合，从而将不同极化的信号，无损耗或低损耗地耦合同一个耦合探针中， 从而实现不同极化信号的无损耗或低损耗混合。从对偶性原理可知，也可以采 用对极化方向不敏感的耦合环。上述的高频信号在经过输入转换、极化转换后，根据需要将已经混合了的信 号从一种传输线转换到另一种传输线，如从波导转换到同轴线或微带线；从同 轴线的TE11模转成没有截至波长的同轴线TEM模；从圆波导的TE11模转成圆 波导TM01模；从圆波导的TE11模转成矩形波导的TE10模。本发明相对于现有技术，其优点如下本发明提供一种高频信号的宽带无损耗混合方法；该技术能够在高频频段， 将多个不同的高频信号(如频率不同或信号带宽不同或调制方式不同等)，理论 上无损耗或工程上低损耗地混合(或合成)在一个高频网络端口。其优点是既 有3dB电桥混合器与频率无关的宽带特性，又有滤波器混合器低损耗的优点。


图1为不同频率的调频信号进行混合原理示意图；图2为无线移动通讯中两个载波信号的合路或两个基站之间的合路； 图3为采用3dB电桥的混合器；图4为采用滤波器进行信号混合存在的保护间隔问题； 图5为几种常见的传输线；图6为几种常见的极化模式、正交模式和正交简并模式；图7为信号的耦合输入或输出图；图8为常见的耦合激励以及模式图；图9为激励信号在传输线中的单向和双向传输；图10为常见传输线的传输信号模式；图11为常见传输线组成的微波网络和散射网络；图12为利用极化转换消除接受天线中的极化失配，实现信号的无极化损失接收;图13为本发明大功率混合的一般形式；图14为传统的圆波导到矩形波导的转换；图15为利用传输线实现极化转换的过程示意图；图16为基本单向合路单元；图17为基本双向合路单元；图18为用基本单元组合成多路混合；图19为圆波导与方波导的探针耦合信号输入转换形式； 图20为利用各种波导的信号输入转换形式； 图21为利用传输线的极化转换示意图； 图22为实现案例1的剖面示意图23为实现案例1三部分无明显界限的剖面图示意图；图24为采用膜片与销钉进行极化转换示意图；图25为突变式极化转换示意图；图26为同轴线到微带线的转换示意图；图27为通过铁氧体膜片及励磁线包完成极化转换示意图； 图28为利用特殊探针完成极化转换示意图；图29为利用探针完成三路信号极化转换示意图。
具体实施方式
本发明是一种多个高频信号的宽带混合技术，应用该技术所构成的混合器， 能够在高频频段，将多个不同频率或不同信号带宽或不同调制的输入信号，理 论上无损耗或工程上低损耗地混合(或合成)在一个端口。特别地，输出信号 一定可以全部无耗或低损耗地送入同轴线或平面带状线，以横电磁波模式(也即TEM模式)或准横电磁波模式传播。 几点解释(1) 、所谓低损耗混合，是指混合损耗小于101og(N), N为需要混合的不同信号数目。不同信号通常指频率不同、带宽不同和信号调制不同。相同信号 的混合是一种特例，它们可以无损耗混合。(2) 、利用波导、同轴线的正交简并模，可以将两个信号无损耗地输入到 波导、同轴线中，但这两个信号的极化不同向，因此，并非本文所讲信号的无 损耗混合。实际上，这种器件(或网络)应看作是四端口器件(或网络)，而不 是三端口器件(或网络)。(3) 、所谓宽带混合，也即不是通过滤波特性对信号进行混合。尽管滤波
器的频带有宽有窄，但因为总归有比较明显的频率选择性，因此不称为宽带混 合方案。滤波器突出缺点也就是频率选择性。当信号频率靠得比较近得时候、 或者当频率需要变动得时候、或者信号的带宽可能发生变化的时候，滤波器的 频率选择性不易改变的缺点就非常突出了。使用滤波器进行信号混合的技术方 案的优缺点后面有介绍。(4)、混合后的输出的信号能否在同轴线或平面带状线中以TEM模式或准 TEM模传输是信号混合是否成功的一个重要的特征。因为TEM模式下，传输线没 有截止波长，因此传输线的尺寸小、重量轻。同时信号之间也没有极化和模式 的差异，因此不同的信号是真正混合在一起，而且都处于同一个端口。 1.本发明基本背景本发明涉及到无线高频信号的混合、传输、传输线、传输模式、传输模式的 极化、极化正交模式、简并模式、正交简并模、传输线之间信号的耦合与转换、 波导、同轴线、微带线等，这些，本专业中的人员都了解。由于涉及概念较多， 兹对一些技术背景进行简单介绍。高频传输线有同轴线、波导和平面传输线(如微带传输线等)等形式。图5 显示了几种传输线示意图。图5a和图5b为同轴线和椭圆同轴线，图5c和图5d 为圆波导及椭圆波导，图5和图5d为方波导及矩形波导。图5只给出了几种常 见的传输线，其它传输线如脊波导、平面传输线等没有一一列出。最常用的是 同轴线、微带线和矩形波导这三种传输线。众所周知，讨论传输线中的传播模式一般只讨论横向电磁场模式。有三种常 见的模式横向(或准横向)电磁场TEM模、横向电场TE模和横向磁场TM模。 在这些模式中截止波长最长的叫基模。同轴线与微带线的基模是TEM模，如图10a和图10b。它们没有截至波长，也没有极化。通常需要合路的信号在输入前和合路后都是以没有极化和截至波长的同轴线或微带线中传输的。矩形波导中的基模是TE10模，如图10c，它的电场矢量垂至于长边，因此有 极化。但由于矩形波导长边与窄边长度相差很大(长边是窄边的两倍)，不存在 极化简并模式(简并的概念下面将介绍)，以前人们也没有太多考虑矩形波导的 TE10模的极化。同样，以前人们也没有仔细考虑椭圆波导中eHll模的极化。前 面所述这些都是人们以前头脑中的一些固有概念，这些概念影响了人们对无耗 合路的研究。图6为常见传输线中的极化传输模示意图。图6 a为同轴线的TE11 模，实线为横线电场，虚线代表磁场，以电场为标识，称为垂直极化。由于同 轴线的圆对称性，将图6a的电磁场旋转一个角度后，就得到一个新的电磁场传 播模式，这个新模式与原来的模式表达式完全相同，传播特性(如截至波长) 也相同，称为是简并模式。本发明重点考虑的是极化相差90度的正交简并模式， 例如图6a的垂直极化和极化相差90度的水平极化模式。垂直极化与水平极化 模式的横向电磁场分布互相垂直(也就是相交电力线之间的夹角为90度，磁场 亦然)，也即是正交的。为什么要采用正交模？因为采用正交模，由于模式的正 交性，两个信号输入到同一个传输线时互不干扰，可以独立调整，不会互相产 生影响，达到信号无损耗耦合输入到同一个传输线的目的。但是考虑到对称性 原则，例如两个模式的电磁场要正交、传输线中两个模式的截止波长要基本一 样，以具有处于相同的工作频段，因此实际通常都是采用正交极化简并模。这 就是人们不把矩形波导的TE10模和椭圆波导eHll模看成是极化模式的原因。可用于本发明的有同轴线、圆波导和方波导中的极化模式有TEmn模式(称 为横电场模式)或TMrm模式(称为横磁场模式)。圆波导中一般采用TE11模式，
因为TE模式容易激励和耦合，且在正交极化简并模中，TE11模在极化模式中截 止波长最长。其余的模式为更高次模，而且采用高次模的体积比TE11模式大。 同轴线中TE11模为高次模，也可以用。方波导中采用TE10极化模式。通常采 用标准的圆波导与方波导，实际工程中圆波导可以有一定的椭圆度、方波导两 边也不完全相等，这些都是可以的。图6b及图6c分别为圆波导中TE11模及方波导中TE10模，实线为其中一个 模式的电场分布，虚线为另一个相正交模式的电场。两个模式是正交简并的。 可用于本发明的极化模式有TEmn模式或TMmn模式。图6d分别显示TE模和TM 模的电磁场分布情况。对TE模式，电场只有横向分量Et，而磁场既有横向分量 Ht，又有沿传播方向的纵向分量Hz。对TM模式，磁场只有横向分量Ht，而电 场既有横向Et，又有沿传播方向的纵向分量Ez。在有多种介质部分填充情况下， 还有服模式，它可以看作是TE和TM模式的组合。有了极化模式，还需要适当方式激励出来。将信号输入到传输线中也称激励。 将信号从传输线中输出称为耦合，由于互易性，有时把输入与输出都叫耦合或 者激励。此外，由于激励与耦合通常是在两种传输线之间进行，通常也称为传 输线的转换。图7为几种常见的激励或耦合形式示意图。图7a为同轴线到圆波 导耦合或激励。图7b为同轴线到方波导的耦合或激励。图7c为同轴线到同轴 线的耦合或激励。图7d为圆波导与矩形波导之间的耦合或激励。图7e为方波 导与矩形波导之间的耦合或激励。图7f为同轴线与矩形波导之间的耦合或激励。图8列举了一些其它的耦合或激励组合，图8a与图8b为同轴线探针分别与 矩形波导和椭圆波导耦合或激励。图8c和图8d分别为耦合环与矩形波导和方 波导之间的耦合或激励。实际上，探针和耦合环(包括耦合孔)具有对偶关系， 采用探针还是耦合环或者其它形式，都不影响本发明的实施，主要是看那样比 较方便。不同的传输线、不同的耦合方式、不同的耦合位置可形成多种组合， 限于篇幅，不一一举例，这些都不影响本发明的有效性。经过某种激励或耦合到传输线上的信号有两种传播形式， 一种是在传输线中双向传输，如示意图9a。另一种是单向传输，如示意图9b。图9c是端面探针 激励，信号由探针激励到圆波导。图9d是另一种端面激励，信号由矩形波导激 励到圆波导，为了更好的实现匹配，在图9d中还增加四分之一波长的过渡段。 图9e为波导到微带线的转换，图9f为同轴线到微带线的转换。还有其它的激 励和转化形式，限于篇幅，不一一细述，这些都不影响本发明的实施，而且在 各种已经公开的资料中找到。大部分激励方案既可以用于矩形波导，也可以用 于方波导。既可以用于椭圆波导，也可以用于圆波导，既可以用于一般模式的 激励(例如从矩形波导到同轴线的耦合转换)，也可以用于正交极化模式的激励。 极化信号一般采用单向传输。采用双向传输实现功率合成的核心部分与单向传 输相同(都是要将正交传输模转变为非正交简并模)，但双向传输体积较大，因 此一般采用单向传输功率合成形式。另外，如采用端面激励也只能是单向传输 形式。单向传输与双向传输功率合成的详细介绍见下节。信号也可能只是激励到某个空间而不传播，见图29，这是特殊情况，详细内 容见后面的实现例。总之，传输线包括各种波导、各种同轴线、、各种介质传输线、各种平面带 状线等。耦合激励方式包括探针、小环、波导口、小孔耦合等。耦合位置包括 侧面、端面等，他们之间可以形成各种组合。可用的传输模式有横向电场模TEmn、 横向磁场模TMmn模式，或者TEmn+TEqp、 TMmn+TMqp及TE+TM模式(通常是在 部分介质加载传输线中使用，也称HEmn模或EHmn模)。除了标准的传输线外， 还可以设计各种非标准形式的传输线，这些都不影响本发明的实施和权利要求。 通常还是使用标准形式的传输线，以及这些传输线中的低阶传输模式，如圆波 导中的TE11模、TE21模和TM11，方波导、矩形波导中的TE10模和TM11模， 同轴线中的TE11模，椭圆波导中的eHll模等。传输线中还可以完全填充或部 分填充几种不同的介质，以达到一些特殊目的。例如，填充高介电常数的介质 可以縮小转换装置的体积，在完全填充的介质上直接镀金属层，可以代替波导 的金属腔体等等。 2.本发明实施方案在高频信号中，使用最多的传输线是微带线、同轴线和矩形波导，分别见图 10a、 10b和10c。仔细地分析，应该说是应用最多的是传输线的基模。微带线中 的基模是准TEM模，而同轴线中的基模是TEM模。其优点之一是没有截止频 率，因此传输线的尺寸与频率无关。标准矩形波导中的基模是TE10模，它是截 至波长最长的模式。以这些常用传输线为基础元件组成的多端口网络见图lla和图llb。电压 ￥+ -分别表示信号的输入或反射电压，1+/1-这表示输入与反射的电流。a/b分别 表示输入或反射的电压信号，Z表示阻抗。多信号的无损耗混合的模型可以描述 为网络的第1到第N-1)个端口为输入信号端口，由于要求无损耗混合，这些端 口的输出信号都为零。网络的第N个端口为混合输出端口，由于要求无损耗混 合，该端口只有输出信号而无输入信号。从本发<formula>formula see original document page 17</formula> (3)
公式中，A (t)是信号的幅度，f是信号频率，t为时间参数，4)o是相位。 基于这样的定义，人们始终没有找到将不同的信号进行无耗混合的方法，理论 推导的结论是无法进行不同信号的无耗混合。但也有例外，那就是利用公式(l) 的频率特性来实现无耗混合，这就使用滤波器的信号混合方案。这种方案的特 点在前面已经有详细的描述，主要优点是能够实现无耗混合，缺点是与频率直 接相关带来使用灵活性问题。本发明首次提出将信号的幅度函数A (t)变成矢量，利用信号的矢量特征来 实现无耗混合。 一旦混合成功，则这种混合方案就与信号频率无关，从而达到 不同频率、不同带宽或不同调制的信号无耗混合。如何利用极化来实现多信号的无耗混合？本发明的方法是首先利用正交矢 量将信号无损耗送入同一个空间中，其次利用极化转换，将同一个空间中(如 传输线中、腔体中等)极化不同的信号，变成极化相同的信号(通常同时达到 信号的空间场分布模式也一样)，达到将信号混合的目的。一种比较简单的应用事例是天线的接收，如图12a为示意图。同一个天线接 收几个极化不同的信号，包括不同方向的线极化和不同方向的圆极化。卫星接 收中经常应用的情况，就是一个天线同时接受到几个卫星的信号。由于不同卫 星的位置与极化不同，在天线的喇叭馈源中就激励起几个不同极化的卫星信号。 由于极化的方向不同，因此天线后面的耦合输出装置只能对某些极化信号形成 完全接受，而对于其它极化的信号不能形成完全接受，产生一个极化失配损失， 降低了信号的信躁比。应用本发明，就可以将天线中不同极化的信号变成同极 化信号，消除了极化损失。图12中的极化转换装置具体实现形式见后面的详细 说明。
图12a中，输入信号原本是不同的极化。经过极化转换后，如图12b，信号 的极化方向变成相同。由于信号又在同一个传输线中传播，因此信号的传播模 式也完全相同。在这种情况下，就可以认为已经完成了将信号混合起来的过程。 不过，很多情况下也还需要做一个处理，如图12c所示，也就是将混合后的信 号耦合到同轴线中以TEM模传输，因为同轴线的TEM模没有截至波长，是RF 频段最方便传输的长距离传输线。或者将混合后的信号耦合到微带线中(准TEM 模式)，因为微带线最容易与各种高频器件进行连接，完成对信号的各种处理。 因此，从一般性考虑， 一般还包含这样一个过程，如图12d，也就是在信号的极 化转换成相同以及模式也变得相同后，还要将信号转到传输线中，以正常的基 模传输。更一般的情况是在无线设备的发射通道中，涉及到大功率信号的混合。例如， 图13a中G信号fl、 f2、 U信号f3以及UMB信号f4，经过发射机TX后，送 到功率放大模块PA进行信号放大，然后送到混合模块进行信号的大功率混合。 此时，除了需要前面所叙的极化转换模块和耦合输出模块两个部分之外，还需 要考虑如何把多个输入信号互不影响地传输到极化转换模块。因此还需要一个 实现信号的无损耗、无互相耦合地注入到某个空间的部分(或模块)。因此，完 整的大信号混合见图13b，包含三个部分输入转换、极化转换和输出转换。输 入转换和极化转换为本专利的相关联的核心，输出转换为可选。将本发明大功率发射信号混合的三个部分详细描述如下第一部分是将需要合并的信号送到同一个空间例如，利用模式的极化正交性，可以将需要合路的信号(例如fl和f2)互不 影响地耦合激励到某一个空间中——通常这个空间是传输线——并在传输线中
以正交极化模式传输。由于激励出来的传输模式互相正交，因此输入信号之间 互不干扰，这样便产生了两个好处，第一是避免了输入信号之间因互相耦合而 产生损耗，第二是可以独立地调整，也就是调整一个输入信号的激励时，不会 对另一个模式产生影响。这样就可以把输入信号的激励调整到最佳的匹配状态， 从而减少因激励失配带来的信号损失。总之，是通过各种激励、感应(如天线接收)、耦合等措施(后面有具体事 例)，将需要混合的信号变成某个空间中的极化模式(通常是正交简并模式)。 该空间可以是金属腔体，介质波导，金属波导(圆波导、矩形波导、脊波导等)、 同轴线或其它具有正交传输模式的微波(或RF)传输线。有几点需要说明(1) 、信号的极化分为两种， 一种是线极化，另一种是圆极化(或椭圆极 化)。对线极化来说，极化正交是指极化方向相差90度。对(椭)圆极化来说，极化正交是指一个是左旋极化， 一个是右旋极化。在下面图18c的例子中，调 整短路面X1与X2的长度，就可以在圆波导中形成正交的线极化信号，或者出 现左旋和右旋极化信号。由于本发明能将两个极化正交的信号转换成极化相同 的信号，所以也就能将所有极化的信号转换成极化相同的信号，从而达到无损 耗混合的目的。(2) 、前面已经叙述，在一些接收等场合，多个极化信号已经在同一个空 间，如图12a，这种情况前面已经介绍过，属于特殊情况。第二部分是极化转换通过极化转换，使得极化不同的信号转换成极化相同的信号。经过这样的转 化后，信号的极化变得相同，而且由于信号在同一个空间，传播模式也就相同，
因此可以认为是混合在一起了。或者，由于信号的极化和模式都一样，则可以 通过第三部分将信号无损耗地转换到需要的传输线中。可以通过很多方法实现 极化的转换，采用的方式包括但不限于(1)、利用传输线的变换使得极化发生改变，例如用圆波导到矩形波导(或 者椭圆波导)的转换，使得fl与f2的极化由不同向甚至正交变成同向。需要强 调的是，本发明此处圆波导到矩形波导的转换，与常规的到圆波导到矩形波导 的转换(简称圆矩转换)有不一样的地方。本发明之前的圆矩转换是传输线之 间的转换，是单纯地为了将信号从圆波导转换到矩形波导，在这个过程中，极 化是不变的，圆波导的TE11模的极化方向与矩形波导的电场方向是对齐的。而且，也没有考虑到多个信号的传输情况。见下图14为传统的圆波导到矩形波导转换而在本发明中，由于存在多个极化不同的信号，圆矩转换既要完成两种波导 的过渡转换，又要让圆波导中不同极化的信号发生极化偏转，逐步偏转到与 矩形波导电场一致的方向上来。 兹举一具体例说明利用传输线进行极化转换。本例所用的转换传输线初始端为圆波导，转换传输线的结束端椭圆波导(或矩形波导)，见图15。其它形式 的传输线道理与此类似，且后面有常见形式传输线极化转换事例。本发明发现， 将圆波导在需要产生极化旋转的位置产生一些轻微的变形时，会引起电磁场结构发生变化。其场结构可由模式组合求得，例如，对TE模，其场为TE^EAnm XTEmn。严格的求解不在本发明叙述，当变形非常小，而且我们只关心极化时， 有一个简单的分析方法。我们知道，圆波导极易出现极化变化。当圆波导出现 小的形变时，其场模式并不会发生大的变化，而只是极化发生旋转。极化变化的方向有一个简单的判定方法，那就是电场极化的方向要垂直于波导表面。通 过这种分析可以看到，只要我们将圆波导在需要极化旋转的方向压扁一些，信 号的极化就会向压扁的方向旋转一个小的角度。为了减少这个过程出现较多损 耗，压扁的过程可缓慢进行，也就是波导变化的长度L足够长，以保证损耗足 够小。这样，通过不断的变形，并且保证每一步变形都足够小，这样最终完成 了极化转换，传输线也由圆波导变成椭圆波导，而且损耗足够小。损耗的大小 取决于整个过程的缓慢程度，过程越缓慢，损耗越小，但转换装置越长，体积 越大。从图15中可以看出，圆波导到椭圆波导(或矩形波导)变换过程中，极化是不断改变的，这与图14的传统形式有明显不同。图15中还给出两个极化正交的信号的极化转换过程示意图，通过对波导实行平缓而连续的变换，最终使得两个正交极化信号变成同极化、同一个模式、 在同一个传输线中传输的信号。这样就完成了信号的混合。(2) 、利用膜片或销钉等使得极化发生改变，例如消除与膜片或销钉杆平 行的极化分量，只剩下与膜片或销钉垂直的极化分量，使得fl与f2的极化由正 交变成同向。同样是用膜片与销钉，但此处与原来不一样。原来主要是进行移 相，把原来的一个线极化波变成圆极化。而此处是为了将信号的极化调整为一 致。(3) 、利用极化移相器等使得极化发生改变，例如，利用极化移相器将f2 信号进行移相，使得f2信号变为圆极化，然后又利用极化移相器将f2圆极化信 号变为线极化，并且线极化的方向与fl此时的极化方向相同。最终使得fl与f2 的极化由正交变成极化同向。(4) 、将不同极化的信号变为同一个极化，不一定要求是总是转换为线极 化波，也可以是圆极化波，只要这些圆极化波的旋转方向相同即可。例如，利 用极化器将不同线极化或圆极化的fl、 f2信号变为同一个方向的圆极化波，然后利用圆极化接受天线或圆极化耦合装置将信号fl、 f2分别耦合到同轴线、微 带线等传输线中，以无极化的模式(如TEM模式)传播。 (5)、采用以上方案的组合。特殊情况下可以不需要极化完全同向，例如应用特殊的探针可以将极化方向 不同(甚至正交)的信号耦合出来。这种特殊情况后面实现例6和实现例7中 有详细介绍。第三部分是输出转换第三部分为可选项。经过第二部分的极化转换，需要混合的信号极化已经被 转化为相同了。且因为信号又都处于同一个空间(如传输线)，故当极化相同时， 信号的传输模式也相同。此时，信号就已经可以认为是被混合了。例如第二部 分最后的输出形式是矩形波导，而后面恰好也是需要矩形波导传输，则就不需 要第三部分的转换。或者，第二部分的输出恰好是同轴线，而后面也需要同轴 线传输，这样也不用额外增加耦合输出。但有时需要将混合后的信号从一种传输线转换到另一种传输线，这时需要第 三部分，使得整个方案更加清楚化。例如从波导转换到经常使用的同轴线或微 带线。或者从同轴线的TE11模转成没有截至波长的同轴线TEM模；从圆波导 的TE11模转成圆波导TM01模；从圆波导的TE11模转成矩形波导的TE10模。 比较常见的见图8a、图8b、图8c和图9b等。在实际使用中，这三个部分可以有明显的物理界限，但也可能没有很明显的 界限，这些都不影响本发明的使用。在后面有这种情况的具体的实现例。 将三部分组合起来的基本实现形式见图16和图17。图16是单向传输的合成形式，信号向一个方向传输，经过极化转换，同极 化耦合输出，最终混合再一起。如果信号fl和f2为同一个信号，则第三部分的 同极化输出时，还要调整信号fl与f2的相位与幅度，让信号同幅同相，使得合 路输出的信号功率最大。图17是双向合路，输入信号向两个方向传输。分别经过极化转换，同极化 耦合输出，最终在混合器进行功率合成。如果信号fl和f2为同一个信号，则还 要调整信号fl与f2的相位与幅度，让合路器中的信号同幅同相相加，使得合路 输出的信号功率最大。通常采用电桥或Wilkinson功分器作为合路器。由于双向 传输与单向传输形式技术核心点完全相同，因此在实现例上只讨论单向形式。多路信号的输出可以用基本合路单元的组合来实现，基本合路单元的输入信 号通常为两个信号输入或者三个信号输入，输出为一个。也就是基本合路单元 通常为二路信号合一或者三路信号合一。图16和图17是两个信号的合路输出，也就是为基本合路单元。应用该基本 单元形式进行组合，可获得多路信号的合路输出。如图18所示为4个输入信号 的合路。由于信号fl f4是互相无关的，因此图18可以用作1 4路信号的任意 合路。3.1本发明具体实施例1本实施例的第一部分，也就是信号输入部分(正交简并模激励)，是利用圆 波导的TE11模(其它TEmn或TMmn模式原理一样)或方波导的TE10模(其 它模式原理一样)来实现输入信号的激励。信号的激励有很多种形式，最常见 的为探针激励形式，如图19。由于两者激励模式是完全正交的，因此互相不受
影响，可以独立地激励起TE11正交模式。由于耦合探针可以很好地与同轴电缆相连，因此这种形式很容易将使用同轴线传输的信号激励到波导中。理论上，这种激励是无损耗的。通过上述的这种方案，实现将输入信号fl和f2无损耗地 输入到两种圆波导或方波导中。图19a 图19d分别显示圆波导、方波导与探针 激励情况。其它不规则传输线也可以采用，如图19e的不规则波导，只要该传 输线能够激励正交模就可以。不过，考虑到输入信号的频率范围不能太宽(以 免超出传输线、耦合器的工作带宽)，且极化转换后信号之间的模式也要相同(便 于输出转换)，因此图19e的传输线一般要具有相近的传播模式，也就是基本上 要是简并的。因此，图19e的传输线对信号输入点呈现一定的结构对称性。当 然，工程上的一定偏差也是允许的。图20a为圆波导与矩形波导，图20b为方波导与矩形波导，图20C中调整矩 形波导短路面X1和X2的长度，如X^n入g/2+入g/8， X2=Xl±Xg/4，则可以 使得从同一平面另外两个矩形波导口输入的两个TEIO信号传输到与矩形波导 垂直的圆波导中， 一般情况是左旋和右旋椭圆极化，特殊是左旋和右旋圆极化 或正交的线极化。在矩形波导底部增加销钉可获得较好匹配。图20d为矩形波 导与圆波导的组合，利用膜片或销钉可阻止信号f2向fl的输入端传播。有多种 传输线正交激励输入形式，以上举了一些事例，限于篇幅，不一一说明。本实施例的第二部分，也就是传输线中模式合并，是采用圆波导到到椭圆波 导或矩形波导(或脊波导等其它波导)的转换来完成。转换变换可以是缓慢变 换形式，也可以是突变形式。但一般采用缓慢变换形式，以达到平滑的模式转 换，最大限度减少反射损耗。如图21所示。分别显示圆波导到椭圆波导、圆波 导到矩形波导的极化转换。类似可构造方波导到椭圆波导以及方波导到矩形波
导的极化转换。本实施例的第三部分是信号输出。经过第二部分后，传输线内的所有信号都 具有相同的极化方向。这样可以通过同一个输出耦合装置，将传输线中的所有 信号都耦合出来。这样便完成了多路信号合成到一路输出信号的无损耗合路。 当要求相同的信号进行合成时，还要考虑信号在耦合输出时是完全等幅同相的。 输出耦合装置可以是探针，耦合环，小孔耦合或波导耦合(如果在端面用波导 耦合，则自然已经完成)等。图22为探针耦合示意图，调整探针的长度及于波导短路面的距离(大约为1/4波长)，达到良好的匹配后，就可以把信号fl和f2 用同一个探针耦合出来，传到同轴线或微带线中。三部分组合起来的剖视示意图如图22。为叙述简洁起见，只介绍单向传输形 式。图22a为侧面耦合形式，'图22b为端面耦合形式。端面与侧面、耦合探针 和耦合环等不同的组合形式，其原理都相同，因此不一一列出。信号流程如下-两路信号fl与f2由300 (探针等)输入，互相独立地耦合到波导中。然后经过 第二部分的模式转换302，使得原来正交的信号极化发生旋转，由极化正交变为 极化同向。本图中第二部分的结尾采用的是矩形波导，实际也可以采用椭圆波 导(如图22中虚线所示)、脊波导等其它形式的波导。输出的信号一般在两个输 入信号中间的位置，但也可以在其它位置，这个很容易通过模式转换段的变形 和偏转实现。或者通过输出耦合段的扭曲来实现。所有这些细微都不影响本发 明的实施。第三部分是耦合单元304，将两个极化相同模式相同的信号耦合出来, 一起输出到外部的同一个传输线中(同轴线)。图中耦合单元采用的是探针形式， 但如前面所述，还可以是其它形式。耦合的位置既可以如图中所示在波导的侧 面，也可以在波导的端面。三部分中可以进行不完全介质填充，且每部分的填
充比例和介质种类不一样。也可以是完全填充。介质填充可减小合路器的体积 尺寸，完全填充情况下还可作为金属电镀的附着物，替代波导腔体。图23显示三部分没有明显界限的情况。图23a为波导示意图，图23b为同 轴线示意图。整个合路器呈连续变换形式完成三个部分功能，无法区分三个部 分的物理边界。正交模激励400、模式极化转换402以及输出转换404之间都没 有很明显的物理界限。这种形式可以縮短合路器的体积。另外，可以采用脊波 导或用介质包裹探针等方法展宽工作频率范围，这些都属于一些已知的技术技 巧，不在此一一详细描述。
3.2本发明具体实施例2
本发明实施例2见图24，其第一部分和实施例l相同，第三部分也和实施例 1相同。不同的是第二部分，也就是通过金属膜片与销钉来实现极化方向的转换。 图24a与图24b分别为圆波导与圆波导或矩形波导。如图所示，502为己经输入 的极化信号，在波导内放置膜片与销钉504，由于膜片与销钉的作用，使得与金 属膜片或销钉平行的电场极化矢量逐步减弱，而只剩下与金属膜片与销钉垂直 的电场极化矢量。通过这样的原理，使得原来极化正交的信号，成为极化相同 的信号506。本实施例中选择的是圆波导与矩形波导，其它波导(如圆波导与椭 圆波导组合、方波导和矩形波导组合、方波导与椭圆波导组合等)原理类似。 本图中膜片在波导中间如图24c与图24b所示，也可以分开在波导上下两壁， 如图24e所示。
3.3本发明具体实施例3
本发明实施例3的第一部分和第三部分与其它实施例相似，第二部分是突变 式极化转换，见图25。极化信号602以TE11模传输在圆波导传输，604为圆波 导到矩形波导的转换，为了产生较好匹配，可在波导转弯处增加匹配块。极化转换后的信号以矩形波导TE10模传输。 3.4本发明具体实施例4本实施例是采用同轴线到微带线(也可以是同轴线到同轴线)的转换。第一 步700是将信号fl和f2，以正交模式输入到同轴线中。这部分与其它实施例相 类似，可以在同轴线的侧面或端面以极化正交模式将信号输入，截面图见图26a， 701是同轴线的外导体。第二步702是将同轴线外导体701逐步开裂，在这个过 程中，原来的信号逐步由极化正交变成极化一致，最终完成了极化转化，截面 图见图26b, 703是同轴线的内导体。第三步704是进行输出转换，最后以微带 线输出，截面图见图26c， 705是微带线。其实，第三部分也可以很方便地转到 同轴线，此时图26c中的虚线706为同轴线的外导体，705则为同轴线的内导体。 3.5本发明具体实施例5本发明实施例5见图27，其第一部分和其它实施例相似，第三部分也和其它 实施例相似。主要不同的是第二部分，也就是通过各向异性的极化片，如铁氧 体膜片来实现极化方向的转换。多个极化波802在圆波导(或方波导等)中传 输，804是各项异性的材料(如铁氧体)制成的极化片，该极化片在励磁线包 806的作用下，将不同线极化的传输信号变成同一个旋转方向的信号808。然后 再经过另一个极化片812与励磁线包810组成的极化器，将圆极化信号转换为 线极化814。本实施例中选择的是圆波导，其它波导原理类似。 3.6本发明具体实施例6本发明实施例见图28，是一种特殊情况。其第一部分和其它实施例相似，第 二部分和第三部分合二为一。如图28，正交极化信号902传入波导904中，经
过特殊的探针906，可以将极化信号统一地耦合出来，送入同轴线中。图中所示 的是一种菱形探针906，还有一些其它形式的探针，如圆球形探针、半圆形探针、 三角形探针和Bowtie探针(一种像树枝状的探针)，它们也可以达到相同的效果。 图28a和图28b分别显示了圆波导和矩形波导情况，其它波导不一一描述。另 外，除了采用探针，从对偶性原理可知，也可以采用对极化方向不敏感的耦合 环。3.7本发明具体实施例7本实施例是一个特殊例，描述了将三个信号混合为一路。如图29a和图29b 分别为立方体和球体的情形，三个输入信号分别以空间正交的方向输入，输出 则选择与三个输入有相同45度夹角的方向。输出可采用探针或耦合环实现，设 计上可借鉴实施例6。
权利要求
1、高频信号的宽带无损耗混合方法，其特征在于所述的高频信号的宽带无损耗混合方法包含高频信号的无损耗输入转换及高频信号的无损耗极化转换两步骤(1)、第一步骤是将需要合并的信号无损耗地送到同一个空间；通过各种激励、感应或耦合措施，将需要混合的信号变成某个空间中的极化模式，通常是正交模式。
2、根据权利要求1所述的高频信号的宽带无损耗混合方法，其特征在于 所述的高频信号极化的转换，采用的方式为利用传输线的变换使得极化发生改变，在转换传输线的初始端是具有正交 模式的传输线如圆波导、方波导、对称的脊波导、同轴线，在转换传输线的结 束端是只允许单一极化模式的传播的传输线如矩形波导、椭圆波导、微带线、 同轴线，在转换初始端和转换巻结束端之间是两种传输线的过渡部分；最终使 得在同一传输线中因极化不同而形成的多个端口，变成极化相同的单端口，从 而完成信号的混合。
3、根据权利要求1所述的高频信号的宽带无损耗混合方法，其特征在于 所述的高频信号极化的转换，采用的方式为利用膜片或销钉等使得极化发生改变，即消除与膜片或销钉杆平行的极化 分量，只剩下与膜片或销钉垂直的极化分量，使得不同极化的信号变成极化同向。
4、 根据权利要求1所述的高频信号的宽带无损耗混合方法，其特征在于 所述的高频信号极化的转换，采用的方式为利用极化移相器使得极化发生改变，使得多个信号的极化由不同变成极化 同向。
5、 根据权利要求1所述的高频信号的宽带无损耗混合方法，其特征在于 所述的高频信号极化的转换，采用的方式为利用耦合探针使得极化发生改变，通过将耦合探针天线加粗，降低耦合探 针对极化方向的敏感性，使得不同极化方向的信号都能在天线中得到完整的信 号耦合，从而将不同极化的信号，无损耗或低损耗地耦合同一个耦合探针中， 从而实现不同极化信号的无损耗或低损耗混合。
全文摘要
本发明涉及将多个高频信号的宽带混合技术，具体说是一种高频信号的宽带无损耗混合方法。最常用的信号混合是采用功分器做宽带合路；常用的功分器是电桥(hybrid)或Wilkinson功分器，俗称3dB电桥或3dB功分器；所谓3dB是指信号功率会损失一半。本发明高频信号的无损耗混合方法分为两步骤(1)、通过各种激励、感应或耦合措施，将需要混合的信号变成某个空间中的极化模式，通常是正交模式；(2)、通过高频信号的无损耗极化转换，使得极化不同的信号转换成极化相同的信号，信号也就无损耗的混合在一起了。因而本发明是既有3dB电桥混合器与频率无关的宽带特性，又有滤波器混合器低损耗的优点。
文档编号H04B7/005GK101399391SQ20071001878
公开日2009年4月1日 申请日期2007年9月30日 优先权日2007年9月30日
发明者孙炳元 申请人:孙炳元