微波无源器件 3 一种用于Ka频带双极化波束形成网络的双模三路功分器

摘要：

        本文给出了一种用于Ka频带的双极化工作的双模3路功分器的设计和性能。对有着三个输出端口的平衡地很好的功分的TE10和TE01模式和27.5-30GHz上优于-23dB的输入匹配可以获得相似的性能。与双模定向耦合器相连结，此三路功分器对于双极化波束形成网络具有很大吸引力。

简介：

        定向耦合器和功分器是波束形成网络设计中的重要组成模块。波导技术在毫米波段的嵌入(On-board)卫星应用更被青睐由于其高稳定性和低插损，特别是与天线和波束形成网络设计连接时。波导分支线定向耦合器和三路功分器在数十年前就被引入了并且它们的联合已经成功实施在ka频段的有着集成波束形成网络的先进天线概念。除了标准的分支线耦合器，基于耦合槽的设计也被引入到用于波导和类似技术的文献中。耦合槽的形状，数量和分布能够实现宽范围的耦合比和宽的频率范围工作同时提供端口朝向上的额外灵活度。使用耦合槽设计的自由度，Alessandri
已经证明了用单耦合器设计实现双模工作的可能性。在本文中，我们证明了此设计可以成功被延展为一个在相对宽工作频带(约10%分数带宽)上有着良好性能的双模3路功分器。给出了工作在全Ka接收频带的平衡双模功分器的特定设计的细节和仿真结果。

双模三路功分器

A.器件描述

        所提出的双模三路功分器的设计参数如图3所示。端口如此放置以至输入端口，标签为1，正对着3个输出端口，标签2，3，4.端口5和端口6是隔离端口并且得装负载来正确工作。此器件保持了最初得双模定向耦合器的对称面。因此，耦合槽对于TE10模式表现为矩形波导宽壁耦合槽并且对于TE01模式表现为窄壁耦合槽。参数c,定义了两排对称放置的槽之间的距离，只影响TE10模式因为TE01模式的场沿着x轴是恒定的，同时槽宽最大影响影响TE01模式的耦合。这两个设计参数特别重要因为它们对于两个模式提供相对独立控制，因此保证了两个不同的耦合水平。其他可用的参数是耦合槽的宽度，长度和距离和波导的两个尺寸，a和b。槽的高度t和槽的数量也被用为额外的设计参数。所提出的双模三路功分器的设计有着两个相同的耦合槽组，这导致了向端口3和端口4的相似的耦合等级，但是很显然有可能优化槽来获得一个非对称的功率分布。

B.仿真结果

        在此部分，详细给出了一个工作在27.5-30GHz频带上的特定设计。此设计参数被优化来在三个输出端口上实现均衡的功率分配，在输入和每个输出端口之间约为-4.8dB的耦合等级。对于两个模式的用HFSS仿真的性能如图2所示。对于两个模式在整个Ka接受频带输入匹配优于-23dB。而对于-20dB的需求，对于两个模式的的带宽可以拓展到3.2GHz，其是多于10%的工作带宽，与[12]中所提出的双模定向耦合器相比。因此可以推断这些结果可以通过如[13]中引入一个额外排的槽来增强。最坏的幅度色散在对应频带上为+0.22/-0.56dB。在输入端口和隔离端口(5 and 6)之间的隔离性能没有显示但是对于两个模式的仿真结果优于-28dB。此外，在整个指定的工作频带上两个正交模式之间的隔离性能优于-40dB。

结论

        引入了一种新型的双模三路功分器设计并通过Ka频段优化的指定设计验证。讨论了仿真结果并且对于两个正交模式获得了优秀的性能。尽管有了细微差异的表现，在频带内有着关于回波损耗和耦合稳定性的非常可比较的性能。此器件被视为用于先进波束形成网络的一个重要组成模块。双模能力能保证对于特性双极化目标场景下降低网络复杂性。此器件也能与双模定向耦合器连接来使设计对称性引出两个正交模式之间的高隔离度，在复杂的波束形成网络中甚至不会引入干扰。