微波无源器件 4 基于高阶定向耦合器的双极化波束形成网络

摘要：

一种Ka频段的双极化3dB定向耦合器被设计用于波束形成网络应用。所提出的解决方案对于紧凑Nolen网络。Nolen结构优于器平面和无损特别具有吸引力。两个平行方波导通过口径阵列耦合，设计用于获得两个正交极化之间的所需耦合和高隔离度。

索引词：

阵列天线，波束形成网络，定向耦合器

简介：

多波束/可变换波束阵列天线被广泛应用在很多应用例如雷达和卫星通信中。天线的核心是提供必要幅度和相位激励给辐射单元的波束形成网络。在太空应用中，紧凑和轻质量的波束形成网络(BFNs)是必要的(mandatory)。在文献中Nolen结构特别具有吸引力因为其允许尺寸和数量的显著缩减，这多亏了与其他拓扑相比，例如Blass,所需要耦合器的数量的减少。

单极化的工作Nolen网路已经被广泛讨论了，没有材料处理过双极化的解决方案.

Nolen网络的主要特点有两重。

第一，端口数量的任意性使得网络很容易用于指定应用。显然，复杂性随着阵列单元增加因为BFN需要增加数量的不同耦合器和相移器。第二，交叉线的缺失使得平面实现成为了可能。

所提出的网络被构建为(be conceived as)一个单层波导电路所使用的由两个独立电路独立模型化的方波导，标为V和H,分别对应TE10和TE01模式。

假定Nolen网络的每个电路(V和H)把M个输入连接到N个输出，这是一个权宜之计(expedient)（把它虚拟为M个水平线和N个垂直线的栅栏(grating)），如图1所示。输入是左边的M个水平部分的左端，输出是N个垂直部分的顶部。在交叉处放置了定向耦合器，在水平和垂直线之间提供了所需的定向耦合。剩余的N+M个端口(分别是水平和垂直线的右端和低端)是易到达的(accessible)，在初始端。假定线和耦合器都是无损的，整个 $2(N+M) \times 2(N+M)$ 网络也是无损的，因此对应的散射矩阵是单一的(unitary)。

在所有端口的如此假说(hypothesis)和支持匹配下，以上矩阵，在此被称为Nolen矩阵，能够只产生成组的激励，对于每个输入，其都相互正交，并且相应地(in turn)，生成正交的波束(Allen)，支持：

$M \leq N$

Nolen BNF的基本组成模块是定向耦合器和相移器，需要补偿由线和定向耦合器造成的相移。此贡献聚焦于一个为发展下Nolen网络的关键单元的3dBKu波段双极化定向耦合器。

定向耦合器设计

耦合器由两个平行方波导形成。波导的方形十字截面被用于允许在 $f_c-\sqrt{2}f_c$ 实现双极化工作， $f_c$ 是基模的截止频率。在两个波导之间的壁包含5个三组对称纵向槽，其尺寸被优化来获得所需要的耦合等级。对称性很有必要这为了避免两个极化之间的任何耦合。

中心槽被用于控制对于垂直极化（沿着x轴的电场）同时它们对于水平极化（沿着z轴的电场）没有显著的影响。横向(lateral)槽被用于两个极化。因此，在设计中，首先横向槽的尺寸被优化来调整垂直极化耦合并且之后中心槽被引入来控制水平极化耦合。

考虑到高耦合更难实现，我们聚焦于一个3dB耦合器。

波导的尺寸被选在应用的频段为:a = b =9mm。独立的壁厚为1.18mm。

在槽排之间的距离被选为获得对于两个极化所需的3dB耦合。如图2中所标注，相邻槽边界之间的距离为d12 = 1.03mm和d23=1.8mm。

口径的尺寸和位置被优化获得一个3dB的耦合。目标方向性大于25dB，对于两个极化的等级也是一样的等级。口径的优化尺寸如表1和图2中所示。

在图1中所设计的耦合器在两个平行波导的末端有着两个双极化弯头。这些弯头被设计来达到最平面和最小的保证所需性能的尺寸当一些耦合器被连接来构建所需的Nolen网络时。为了终止弯头的回波损耗，一个有着1mm的柱子被对称引入在如图3所示的斜接处，这对于水平极化由很大的影响但对于垂直极化没有影响。请注意边界都被导了圆角这是为了使生产简单。弯头的反射对于两个极化在感兴趣的频带内保持低于-30dB，最小值为-50dB。

弯头的设计分为两步：首先，斜角被选为最小化垂直反射并且之后柱子渗透被调整来匹配垂直极化。