Ka波段單脈沖平面和差網絡和天線的研究

1 引言

從20世紀40年代后期開始，毫米波單脈沖雷達技術逐步得到發展和應用，尤其是在航空和導彈防御系統中，毫米波單脈沖雷達發揮著重要的作用。毫米波單脈沖天線饋電網絡是毫米波雷達的關鍵技術之一。傳統的和差網絡由魔T構成，但結構過于龐大，不易實現平面化、集成化，并且成本較高。隨著微帶印刷技術的不斷發展，微帶結構的和差網絡被廣泛應用，但是毫米波波段的微帶電路的損耗很大，并且功率承受能力較低。本文設計的Ka波段平面和差網絡采用波導縫隙耦合結構，具有結構簡單、成本低、損耗小、各端口幅度和相位一致性好等優點。

2 和差網絡模型及工作原理

最早的縫隙耦合式波導和差器是由H.A.Bethe提出的，它的原理是：在兩根平行的矩形波導公共窄壁上開一個耦合裂縫構成90°混合電橋，如圖1所示。根據3dB電橋原理，通過改變耦合裂縫的長度可以調整兩波導間的耦合度，使直通端口和耦合端口的輸出功率相等。由于耦合端口的電場相位滯后直通端口的電場相位90°，所以直通端口和耦合端口存在90°的相位差，可以在輸入端口增加四分之一波長的波導段消除相差。圖1中port1和port4為輸入端口，port2為和信號輸出端口，port3為差信號輸出端口。

圖1 縫隙電橋(左)及和差器構成原理圖(右)

在圖1所示的結構中，設從輸入端口輸入電場幅度為E的TE10波，其余端口均接匹配負載。選取合適的波導尺寸，使主副波導耦合段內只能傳輸TE10和TE20兩種模式的電磁波。根據疊加原理，輸入端的電磁波等效于在port1和port4同時輸入電場幅度為E/2的偶模波和奇模波的疊加。設波導寬壁的內尺寸為a，耦合段寬度為2a，長度為w。

當偶模波在耦合段內激勵起TE10模時，它的波導波長為：

(1)

當奇模波在耦合段內激勵起TE20模時，它的波導波長為：

(2)

上述兩種模式的波同時傳向port2和port3，當以耦合段的起始位置作為相位的零參考點時，則

port2的電場為：

(3)

port3的電場為：

(4)

其中和分別為TE10，TE20模的相移常數。

由式(3)和式(4)可以得出，port2比port3電場相位超前90度。根據對3dB裂縫電橋的要求， port3與port2輸出功率相等。即：

(5)

由式（5）可以得到

(6)

在上述計算中忽略了結構不連續性引起的誤差。在實際結構中，為了改善匹各端口配特性，增加帶寬，可以在耦合區的中心線上安置容性螺釘或感性螺桿。