實現(xiàn)CCDP系統(tǒng)功能的雙極化雙工設(shè)計方法

新一代通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力需求呈持續(xù)上升趨勢。因此，回傳系統(tǒng)的信道容量也必須改進(jìn)，以適應(yīng)相應(yīng)增加的傳輸需求。解決方案之一是使用“共通道雙極性”(co-channel dual-polar，CCDP)：在一個信道中可以使用垂直和水平兩種極化方式互不干擾地傳輸兩路頻率相同的信號，從而將信道容量增加為原來的2倍。然而，在如今微波通信的工作頻段越來越高，器件日趨小型化的要求下，CCDP方案的實現(xiàn)極具挑戰(zhàn)：如何以更小的尺寸，更簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計保證優(yōu)良性能，是當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同關(guān)注的問題。

CCDP的微波通道設(shè)計一般是通過一個獨立的正交模式轉(zhuǎn)換器（OMT）連接兩個獨立的雙工器。前者將不同極化方式的信號分隔開，而后者則將同一極化方式下不同頻帶的信號分隔開，從而實現(xiàn)極化分離以及頻率復(fù)用。但是，正交模轉(zhuǎn)換器中添加了各種膜片或者螺釘結(jié)構(gòu)，器件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于低成本加工和批量制造。另外，在較高頻段工作的器件，即使較小的加工誤差也會導(dǎo)致性能產(chǎn)生嚴(yán)重惡化。最后，無線通信應(yīng)用中，大多數(shù)微波器件都需滿足統(tǒng)一的接口排布方式，而OMT的物理端口一般卻是正交的，導(dǎo)致在實現(xiàn)過程中不得不添加一些波導(dǎo)拐彎或者扭波導(dǎo)來滿足接口要求，顯著增加了系統(tǒng)的體積，也進(jìn)一步增大了生產(chǎn)的復(fù)雜度和成本。

西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)重點實驗室吳秋逸課題組首次提出了一種實現(xiàn)CCDP系統(tǒng)功能的雙極化雙工（Dual-Polarized Diplexers，DPDIP）的設(shè)計方法。通道濾波器直接連接在一個改進(jìn)的轉(zhuǎn)門角公共結(jié)（Turnstile Junction）上。無需獨立的OMT即可實現(xiàn)與傳統(tǒng)CCDP系統(tǒng)相同的功能。與CCDP系統(tǒng)相比，該方法無需附加在OMT上的不容易處理的拐彎波導(dǎo)或扭轉(zhuǎn)器，以及單個雙工器必需的公共結(jié)，從而實現(xiàn)極簡設(shè)計?；谏鲜龇椒ǎo出了一種結(jié)構(gòu)簡單的工作于ka波段DPDIP器件。在指定頻段內(nèi)(36.49GHz~36.51GHz和36.22GHz~36.23GHz)，回波損耗優(yōu)于20dB。中心頻率的插入損耗僅為1.75dB，工作頻帶內(nèi)的插入損耗小于2.3dB。在相同極化的條件下，不同頻率的兩個通道之間的隔離度為70dB；在不同極化條件下，相同頻率的兩個通道之間的隔離度為30dB。相關(guān)研究成果以“Dual Polarized Diplexer Using Turnstile Junction”為題，發(fā)表于IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 69, no. 8, pp. 3804-3810, Aug. 2021, doi: 10.1109/TMTT.2021.3080694。吳秋逸副教授為本文的第一作者，西安電子科技大學(xué)碩士生楊飛為學(xué)生第一作者，楊毅民教授為論文的共同作者。

圖1 CCDP系統(tǒng)框圖 圖2 DPDIP系統(tǒng)框圖

圖3 DPDIP器件

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圖4仿真與實測結(jié)果對比 （a）水平極化通道（b）垂直極化通道（c）水平極化通道與垂直極化通道之間的隔離度