微波无源器件功分器2 用于双极化应用的新型宽带圆波导四路功分

news2024/9/20 14:17:51

摘要：

提出了一种适用于多级( $4^N$ )波束形成网络高度紧凑和有效的双模功。圆波导双极化通过使用一个对称4:1的十字转门拓扑和有策略的腔体谐振抑制器来实现理论35dB的交叉极化隔离的高于20%的带宽。对于一个Ku波段(10.5-13GHz)的双模四路功分器的实测验证被提出了，显示了公共端口回波损耗优于20dB,输入输出（正交模式）隔离优于30dB，插损约为0.25dB。

索引词：

波束形成网络，双模，十字转门，波导功分器。

简介：

卫星通信通常需要正交极化的使用来在指定带宽内提升数据传输容量。在本文中，天线馈电器件被需要有双模工作，宽带宽和紧凑型来创造一个高效率波束形成网络。传统地，功分器被放置在OMT或者膜片圆极化器之后，在这些网络中单模工作被用于传输。因此，功分器的数量必须双倍并且因此提升了硬件复杂性。

使用基于有对齐矩形槽耦合双模方波到的概念，一个理论9%的分数带宽三路功分在[3]中提出。结构的带宽取决于部分的数量，矩形孔的数量和矩形孔长度。并且通过级联类似的功分器可以获得大量输出因此提升了系统的整体长度。

本文提出了一种新结构（见图1），基于在输入输出端口十字转门结和简单H面膜片功分的使用，用于获得一个有着宽带性能和双模工作的四路功分器在一个高度紧凑的结构中。此结构提供了感兴趣的机械设计灵活性因为它保证了单输入和多输出通道在同一个面上或者在对向方向上有着很小的改变。此外，证实了保持了电路对称性，相同的灵活度可以被应用在端口对端口距离和输出波导直径，如果需要，实际相等。

功分设计

所提出的结构，在图2中所示，基于传统在四个输出端口相邻臂短路的十字转门结的工作原理。这就生成了一个至少有四个电气端口的三端口功率合成器：两个TE10模式和两个正交的TE11圆模式。相反地中心的十字转门结工作在传统的工作模式并且将两个圆TE11H,TE11V模式分离(-3dB)为四个有着180度相位关系的TE10模式。信号功分朝着输出十字转门结传输，间距约为 $2\lambda$ , $\lambda$ 是自由空间中中心频率的波长，信号以一种对称的方式重新合成。由于关于xy和yz面的内部电路对称性，对于特定输入的圆模式，整体功分应该理论上在宽带宽上分别保持-6dB和 $90^{\circ}/270^{\circ}$ 幅度和相位功分。

为了实现模型分离的高隔离度的宽带宽工作，很有必要1)避免不期望的内部谐振,2)帮助内部信号传输到四个输出合成器。众所周知第一种情况很容易通过在结构中使用四个H面方型或者圆形金属柱实现。这些电感元件应在对称放置约为在腔体长度1/4处。第二种情况可以通过使用许多匹配单元例如虹膜，阶梯或者其他无功单元，和对于每个十字转门电路的散射件单元的详细设计。在这种情况下，我们使用了一组四个坐落在腔壁中间的中心H面膜片。这允许了一个简单的机械工作并且其与相关H面金属柱的额外匹配性能相兼容。此结果是一个非常紧凑的拓扑，对于整体方型边低于 $3\lambda$ 并且高度低于 $0.4\lambda$ ，能够在任意天线馈电系统种作为功分/功合。此外，圆输入波导的位置可以被放置在，如果必要的话，在输出圆波导的相同面而没有任何性能减弱。此外，每个输出端口可以被连接到一个第二级，到一组类似的器件来实现 $4^{2}$ 功分并且通过使用N层再波束形成结构中实现 $4^{N}$ 的功分。

电磁仿真通过使用Mician GmbH的uWave Wizard的模式匹配能力实现。

实测结果

一种Ku波段(10.5-13.0GHz)的功分器被用铝设计和生产了，图3，通过使用标准铣削技术。表I给出了设计参数作为中心频率自由空间波长函数的设计参数。在这种情况下，TE11模式的截止频率对于输入和输出端口分别是9..02GHz和10.5GHz。此外，在输出端口的TM01模式的截止频率约为13.7GHz,其超出了我们感兴趣的频带。腔体被分为图1所示的两层，包括散射件，这些单元可以被独立设计和加工，并且如果需要一些频率调谐将销钉在腔体部分。整体厚度（z方向）是29.1mm包括每个圆通道的10mm长。为了显示设计器件的特征，宽带八边形(octagonal)矩形到圆模式转换器被用于连接此功分和网络分析仪。剩余的圆波导被连接到作为双模匹配负载的合适设计的辐射单元。这些辐射器件显示了对于两个极化的优于40dB的实测输入端口匹配。

实测结果和由CAD工作获得的仿真性能被一起示意在图4和图5中。在公共圆端口的输入回波损耗优于20dB同时TE11H/TE11V功分对于特定的20%带宽在 $-6.25 \pm 0.1 dB$ 范围内。这就意味着实测损耗在0.25dB范围内，主要由于铝欧姆损耗，表面粗糙度和校准(calibration)不确定性。此外，输入输出端口隔离(正交模式)由于30dB因此保证了好的多层容量。在每个圆端口的隔离没有测量但是仿真结果显示有着约35dB的优秀性能。