摘要：
定向耦合器和混合相移器是用于实现波束形成网络的关键器件。通常一个波束形成网络用线极化和正交极化两个极化给天线馈电。双极化器件被用于降低波束形成网络的复杂性和尺寸。双极化定向耦合器由相同的作者提出。一种增强型的双极化耦合器在本文中提出。此器件有着提升的电性能因为对于两个极化的工作频带。波导截面的尺寸能被更好地优化。
简介：
两个正交的线极化模式(TE10和TE01)可以在一个方波导或者矩形波导中传输。两个模式不由关于波导横截面对称的中心垂直面的对称不连续耦合。这个面对于TE10模式(垂直极化)工作为一个磁面并且对于TE01模式（水平极化）工作为一个电面。两个模式不由保持对称性整体结构的器件耦合并且器件对于每个极化工作为两个独立的器件。 Alenia Aerospasio生产了一个用如图1a的几何结构的双模定向耦合器。两个矩形波导由公共壁上的两排槽耦合。所有槽有着相同的宽度并且他们关于中心垂直面对称对齐。此耦合器允许两个极化获得所期望的耦合值。
发现了在两个极化之间的高隔离度鼓励了其他双极化器件的发展例如双模相移器混合更复杂的结构例如一个完全的双模Butler 矩阵。耦合功能是基于两个基本的概念。首先，TE01模式的幅度在水平方向是固定的并且从边壁到槽的距离对于此模式的耦合值影响很小。第二，TE10模式的场分布在水平方向上对于E场和H场分别遵循一个正弦或者余弦函数。在这个条件下，从边壁到槽的距离对于耦合值有很强影响。因此，对于两个极化的耦合值可以通过调整从边壁到槽的距离来调整。在这个点上，波导横截面尺寸 a,b,是唯控制两个极化工作频带位置的几何参数。此外，为了补偿对于两个模式槽的不同负载很有必要进一步调整横截面。这就意味着比值a/b不是一个自由参数。这个几何限制降低了设备的电性能。为了一进步提升耦合器，考虑了一种新结构。
新的耦合器：
这个增强型的双极化定向耦合器通过在公共壁上使用三排槽来实现(图1b)。第三排槽被插入在中心。中心槽的尺寸和纵向位置不同于边上的两个。边槽对于两个模式功能为以往的耦合器。新的中心槽工作为对于TE01模式的后者并且对于TE10模式有着非常小的影响因为其与TE10的电流平行。现在我们可以使用中心槽来单独补偿TE01模式耦合器并因此波导横截面的尺寸是对于两个基模的工作频带结构优化的自由参数。
结果：
通过使用一个模式匹配代码，一个对于双极化的5个部分的双槽3dB耦合器被设计并优化在11.5-12.5GHz。此耦合器的几何尺寸和实测的S参数在[2]中给出。在这个条件下，我们得到:a = 13.8mm，b=15.3mm。
为了设计此三槽耦合器，一个新型的模式匹配程序被设计了。使用这个代码可以考虑任意位置任意数量矩形槽的耦合器。一种有着五部分三槽的耦合器在同一频段被优化。结构的尺寸在图2中给出。两个耦合器有着约一样的整体尺寸。对于两个耦合器直接按的耦合和插损参数如图3所示。
结论
提出了一种双极化耦合器的加强版本。一种优化的双槽耦合器和一种设计在同样频带的三槽耦合器比较。新器件证明了提高的电气性能。耦合器对于实现用于天线馈电系统的复杂和紧凑双极化网络特别具有吸引力。
