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基于波导H面的Ka波段宽带功率合成网络分析
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2017-11-14
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1 引言
毫米波矩形波导电桥在毫米波雷达和通信系统的功分器中扮演了相当重要的角色。在毫米波段，矩形波导耦合器可以弥补Wilkinson等微带型功分器损耗过大、隔离度太小的缺陷，是毫米波功分器中不可缺少的重要部件。基于矩形波导的功率分配/合成网络由于本身低损耗、应用频率高的特点成为研究人员的研究重点。在毫米波段，对于二进制功率分配波导单元结构多采用3-dB 波导E-面分支结构，该波导分支结构具有低损耗、高隔离度及结构紧凑等特点，但是由于受到机械加工的影响，波导分支数有一定的限制，这样会导致在毫米波段波导分支结构的带宽受到严格的限制。
在功率合成技术中，采用宽频带特性的功率合成网络，可以大幅度提高系统的输出功率。Louis W. Hendrick等学者提出了一种窄臂短槽的宽带电桥，这种宽带耦合是由于在耦合的一个公共区域内TE30模逐渐消失的作用，这样会导致奇偶模电路电长度的改变，从而实现宽带特性。运用这种结构，实现了紧凑的结构和宽带特性。
本文基于该学者的理论提出了一种基于波导H-面的Ka波段宽频带功率合成网络，该功分网络可以实现近7.5GHz的带宽，在29.5-37GHz范围内，两端口的幅度差小于0.4dB，回波损耗小于-19.5dB。
2 基于波导H-面的Ka波段宽频带功率合成网络理论分析
本文所提出结构是通过H面阶梯不连续性多模等效电路模型分析而得。图1所示的例子是一个H面两级阶梯的定向耦合器，由于该电路结构仅在H面这个面上变化，所以由于TE10模的激励，磁场的方向与H面平行。此外，电路有两个可以折叠的对称面：AA和BB，所以可以把四个端口看成四个一样的端口进行分析，该端口的划分依据是根据平面的奇偶模激励用电场和磁场边界沿着两个对称面进行划分（如图所示2）。在这种情况下，散射矩阵单元散射矩阵单元可以通过四端口的反射系数：
推导得出：
下标e和o分别代表对称面的奇模和偶模，与此对应的第一个下标对应的是AA面和BB面。
图1 两级阶梯型定向耦合器
接下来考虑的是如图2所示的四分之一的一个端口的电路，这个结构是由一个两级阶梯结构成，这个阶梯结由三个波导的电场窄臂或磁场窄臂构成。三个多模式导引级联会产生阶梯的不连续性。所以由此可以推导出如图3所示的多模等效电路模型，每个导引在阶梯不连续性的等效模式电压和电流互相耦合如
毫米波矩形波导电桥在毫米波雷达和通信系统的功分器中扮演了相当重要的角色。在毫米波段，矩形波导耦合器可以弥补Wilkinson等微带型功分器损耗过大、隔离度太小的缺陷，是毫米波功分器中不可缺少的重要部件。基于矩形波导的功率分配/合成网络由于本身低损耗、应用频率高的特点成为研究人员的研究重点。在毫米波段，对于二进制功率分配波导单元结构多采用3-dB 波导E-面分支结构，该波导分支结构具有低损耗、高隔离度及结构紧凑等特点，但是由于受到机械加工的影响，波导分支数有一定的限制，这样会导致在毫米波段波导分支结构的带宽受到严格的限制。
在功率合成技术中，采用宽频带特性的功率合成网络，可以大幅度提高系统的输出功率。Louis W. Hendrick等学者提出了一种窄臂短槽的宽带电桥，这种宽带耦合是由于在耦合的一个公共区域内TE30模逐渐消失的作用，这样会导致奇偶模电路电长度的改变，从而实现宽带特性。运用这种结构，实现了紧凑的结构和宽带特性。
本文基于该学者的理论提出了一种基于波导H-面的Ka波段宽频带功率合成网络，该功分网络可以实现近7.5GHz的带宽，在29.5-37GHz范围内，两端口的幅度差小于0.4dB，回波损耗小于-19.5dB。
2 基于波导H-面的Ka波段宽频带功率合成网络理论分析
本文所提出结构是通过H面阶梯不连续性多模等效电路模型分析而得。图1所示的例子是一个H面两级阶梯的定向耦合器，由于该电路结构仅在H面这个面上变化，所以由于TE10模的激励，磁场的方向与H面平行。此外，电路有两个可以折叠的对称面：AA和BB，所以可以把四个端口看成四个一样的端口进行分析，该端口的划分依据是根据平面的奇偶模激励用电场和磁场边界沿着两个对称面进行划分（如图所示2）。在这种情况下，散射矩阵单元散射矩阵单元可以通过四端口的反射系数：
推导得出：下标e和o分别代表对称面的奇模和偶模，与此对应的第一个下标对应的是AA面和BB面。
图1 两级阶梯型定向耦合器
接下来考虑的是如图2所示的四分之一的一个端口的电路，这个结构是由一个两级阶梯结构成，这个阶梯结由三个波导的电场窄臂或磁场窄臂构成。三个多模式导引级联会产生阶梯的不连续性。所以由此可以推导出如图3所示的多模等效电路模型，每个导引在阶梯不连续性的等效模式电压和电流互相耦合如
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