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微波无源器件功分器3 一种用于多端口辐射单元的紧凑四路双极化正交模功分器的设计

news 来源：原创 2024/9/19 1:03:02

摘要：

一种有着双极化能力并且能作为一个Fabry-Perot谐振腔天线的馈源包含四个输入端口的新型紧凑功分器的概念和设计被提出了。在四个圆波导中的双同相极化通过使用四个5端口十字转门结合两个8by1（八合一）功分网络。功分器末端接了两个端口（每个用于一个极化）以至于其能作为一个天线阵列的馈网。此设计是全金属的，有着使这个馈源作为卫星应用的理想候选。设计频带是3.65-3.95GHz，显示回波损耗优于20dB，输入输出隔离（正交模式）优于30dB。此激励器被进一步连接到Fabry-Perot谐振腔并给出了整个馈电的仿真结果。

索引词：

波导功分器，双极化，正交模耦合器，多端口天线激励器

简介：

喇叭天线通常用于全球覆盖(coverage)天线系统中，为了电信，追踪和控制（TT&C），为了太空任务，作为多波束天线的馈电簇(cluster)。然而，先进的卫星通信系统需要更紧凑，更轻，需要保持全金属来处理高功率并保持低损d额辐射单元。对于这些天线的额外需求是：高回波损耗，低副瓣和低交叉极化和轴对称的辐射方向图和高孔径效率。方辐射口径对于阵列表面的最佳使用很具有期望。如此的高效率需求可以通过样条(spline)轮廓方喇叭实现，但是它们显示了重且冗余的轮廓（关于数量和质量）。几种可替代和全金属的解决方案在最近十年已经被提出来克服这些限制并且代替作为Scrimp（节省）喇叭，短后火天线(short Backfire)或者堆叠法布里佩奥谐振腔天线。这样的辐射单元是对于口径尺寸在1-1.5 $\lambda$ 之间的最优解决方案。然而，当辐射口径增加时，带宽和表面效率固定下降，并且如此大尺寸低剖面方案与对于电信系统的标准规定不兼容。然而，这些低剖面 $1-1.5\lambda$ 辐射单元的先进性能当把它们阵列来形成一个 $2-3\lambda$ 的辐射口径，证实了一个双极化1x4的馈网，用于此辐射单元的激励。

因此发展了一种新型四路功分并如图1所示。其由两个交错的(interleaved)的1x8功分和4个OMT组成。十字转门OMT，已经成功地在[12]和[13]使用，由于它们的低剖面特性被选中并且与基于Boifot结的OMTs，更被青睐。作为比较，双极化功分拓扑(2x2[15]或者2x3[16])是更冗余的方案。

这个概念本质上是在[17]中专利的最初研究的进一步发展和一个重新优化。与[18]提出的结构相反，这个功分器使用了多个对称的E面结来给四个腔体的四个输入端口馈电，导致了如图1所示的四个圆柱端口的同相功分。此外。相对于[17]和[18]，所提出了结构提供了每个十字转门结的两个端口单极化激励，其增强了关于交叉极化的鲁棒性当只有OMT结的一个端口将被一个极化激励时，在端口之间的更好隔离将会在一个大带宽下实现。最终，包含一个脊波导端口的功分器与另一个（脊波导端口）在四个圆波导上激励两个正交的模式。

所提出的结构是全金属的：其显示了两个单极化输入和四个双极化输出通道，并且能够作为单个多端口或者辐射单元的馈源。此外，相同的功分结构可以被延伸和应用到不同的阵列栅格上(端口到端口距离)基于它们的结构。据读者所知，这是第一个提出的对称双极化四路功分其显示到四个输出波导的同相传输。它也是关于双极化波束形成网络的最紧凑尺寸，给四个辐射单元馈电在一个像 $\lambda$ 小的栅格中。

本文的架构如下。第二部分描述了基本设计考虑。第三部分给出了关于功分器S参数和连接到多端口腔体天线的仿真结果。第四部分给出了总结并讨论了一些未来前景。

功分器的设计

四路功分器拓扑可以分为两个主要的子结构。第一个是四个十字转门OMT的阵列，每个都显示了四个输入矩形波导和两个正交模式（垂直和水平极化）激励的输出圆波导。在两个圆柱形OMTs输出波导之间的距离约为 $\lambda$ ，其中 $\lambda$ 是在工作的中心频率的波长：这是定义阵列的栅格或者任意将连接辐射单元的距离。图2给出了OMT工作的原理。让我们考虑在传输例子中的工作。当十字转门OMT的两个横向端口被以180度的相位差激励时，电场在金字塔区域叠加。180度相位差由额外的半波长电路径长度实现，其能通过调整沿着底部路径插入的调谐柱来调谐（图2）。另外正交的端口和路径组结构如下。上面的端口与图2中所示意的在一个水平上，另一个通过空间正交的底部路径在图2中设计并示意。并且它的电长度又一次使用条协助来调谐获得一个180度相位差。

第二个子结构是以8x1结构的两个对称且正交的E面功分器。在图3(a)中，示出了两个给四个4端口OMTs馈电的E面多端口结的概览。如它所示，两个端口中的其中一个被用几波到拓扑精心设计用于关于功分器的圆输出波导之间的构建难题。在图3（b），给出了工作原理。对于传输例子的工作，场最初由一个H面结分离为了两个路径并且进一步被分为四路（在右边和在左边四个更多）通过一个能够保证OMT每个相对的横向端口180激励的对称1x4E面结。此结构展现了一个2x16功分拓扑，提供了人期望的180度反相功率分布给OMT的上层和底层横向端口并展示了一个新的且极度紧凑的剖面。

功分器的整体高度为88mm(在3.8GHz的中心频率命名为1.1 $\lambda$ )。在设计和功分器性能的验证之后，一个机械模型被进一步设计并在图4中示意。如其所示，不管它的复杂几何结构，这个结构可以在四个堆叠和三个更多横向金属部分加工。

仿真结果

所有仿真都使用HFSS实现。OMT腔体首次被分析了。其已经通过同时最小化四个输入端口的反射系数和不期望的激励正交模式的交叉极化优化。之后，进一步研究了E面结。

A.功分器

所设计的2x4端口双极化同相功分器的计算S参数在图5-7中所示。在两个端口处的反射在整个设计带宽上几乎保持低于-20dB。交叉极化系数（例如不期望的正交模式的激励的水平）低于-30dB并且端口端口之间的耦合低于-70dB。从结果看，传输系数（图7）给出了一个接近理想的值(-6dB)，并显示了一个均衡的四路功分。

B.功分器和法布里佩奥多端口辐射单元

给出所设计的功分器支持用于辐射单元的一个阵列或者单个多端口辐射单元的馈源，一个口径尺寸为 $2.6\lambda \times 2.6\lambda$ 的法布里佩奥腔体天线用于此目标设计。这些辐射单元使用法布里佩奥腔体的谐振原理，其是有着高于接近 $0.5\lambda$ 的直接腔体。经典的小尺寸单级FP谐振腔天线不能被使用因为为了获得高口径效率值需要使用高反射透镜；这将导致性能严重受高阶腔体模式的窄带谐振腔。一个调整的包含两个堆叠的有着不同横向尺寸和Q值得FP腔体的结构在[7]中提出。更低的腔体表现为馈电波导和上层辐射腔体之间的平滑过渡段。此结构显示了好的多的性能，特别是关于辐射和阻抗带宽，因为它允许使用小得多的反射频率选择表面(FSS)。在本文中，使用了四个同时被激励的小腔体。所有腔体的部分反射表面(四个低的和高的)是电感栅格。

法布里佩奥腔体天线的一些优点是它们非常紧凑的剖面(低于 $\lambda$ )和高口径效率(高于80%)。另一方面，这些天线在宽频带上有着关于阻抗匹配的缺点。整体结构包含前面所提到的双极化功分和四端口法布里佩奥腔体天线。其如图8所示意并且其整体高度约为 $2\lambda$ 。计算的S参数和辐射性能如图9-11所示。值得一提的是整体馈电的结果没有关于阻抗匹配而优化。在图9中，功分器和法布里佩奥辐射单元一起的反射系数被示出，在整个工作带宽上对于两个端口保留(retain)了-10dB的水平。根据[7],当辐射单元的增益平行保持在合适的(decent)水平，反射系数下降到-15dB是可行的。端口到端口耦合的仿真值给出了如期的非常低的水平。在图10中，三个原则垂直面的辐射方向图被示出。此天线显示了非常好的副瓣等级(低于-15dB)和峰值交叉极化（低于-35dB）。计算的视轴仿真实现增益如图11所示；口径效率接近80%，其中在低频处强调了增益通常更低。天线的口径效率可以根据以下方程计算：

$\eta_{Ap.Eff} = \frac{\lambda^2G(\theta,\varphi))}{4\pi A} (1)$

其中 $\lambda$ 是波长(关于频率变化)， $G(\theta,\varphi)$ 是天线增益并且A是天线口径尺寸。

可以从图10-11中观察到所提出的多端口调整法布里佩奥谐振腔提出了比[7]中最先进的更轴对称的辐射方向图，同时增益在整个设计频带显示了显著的稳定型（接近18.5dB）。

结论

在本文中，一个紧凑的四路双极化统一功分器的新型概念和设计被提出。所提出的结构显示了一个紧凑剖面(整体厚度约 $\lambda$ ),提供了到它四个圆波导的同相功分，关于端口到端口距离是可延伸的并且工作在约为8%的分数带宽。所提出的功分可以作为辐射单元子阵列或者单个多端口天线的优秀备选。作为概念的验证，一个多端口法布里佩奥腔体天线被设计并于功分器相连并且其结果被进一步给出，最终，用于实现双圆极化可以集成一个90度混合耦合器并且增材制造技术可以被进一步验证所提出结构的延伸和生产。