Ka波段单脉冲平面和差网络和天线的研究

1 引言

从20世纪40年代后期开始，毫米波单脉冲雷达技术逐步得到发展和应用，尤其是在航空和导弹防御系统中，毫米波单脉冲雷达发挥着重要的作用。毫米波单脉冲天线馈电网络是毫米波雷达的关键技术之一。传统的和差网络由魔T构成，但结构过于庞大，不易实现平面化、集成化，并且成本较高。随着微带印刷技术的不断发展，微带结构的和差网络被广泛应用，但是毫米波波段的微带电路的损耗很大，并且功率承受能力较低。本文设计的Ka波段平面和差网络采用波导缝隙耦合结构，具有结构简单、成本低、损耗小、各端口幅度和相位一致性好等优点。

2 和差网络模型及工作原理

最早的缝隙耦合式波导和差器是由H.A.Bethe提出的，它的原理是：在两根平行的矩形波导公共窄壁上开一个耦合裂缝构成90°混合电桥，如图1所示。根据3dB电桥原理，通过改变耦合裂缝的长度可以调整两波导间的耦合度，使直通端口和耦合端口的输出功率相等。由于耦合端口的电场相位滞后直通端口的电场相位90°，所以直通端口和耦合端口存在90°的相位差，可以在输入端口增加四分之一波长的波导段消除相差。图1中port1和port4为输入端口，port2为和信号输出端口，port3为差信号输出端口。

图1 缝隙电桥(左)及和差器构成原理图(右)

在图1所示的结构中，设从输入端口输入电场幅度为E的TE10波，其余端口均接匹配负载。选取合适的波导尺寸，使主副波导耦合段内只能传输TE10和TE20两种模式的电磁波。根据叠加原理，输入端的电磁波等效于在port1和port4同时输入电场幅度为E/2的偶模波和奇模波的叠加。设波导宽壁的内尺寸为a，耦合段宽度为2a，长度为w。

当偶模波在耦合段内激励起TE10模时，它的波导波长为：

(1)

当奇模波在耦合段内激励起TE20模时，它的波导波长为：

(2)

上述两种模式的波同时传向port2和port3，当以耦合段的起始位置作为相位的零参考点时，则

port2的电场为：

(3)

port3的电场为：

(4)

其中和分别为TE10，TE20模的相移常数。

由式(3)和式(4)可以得出，port2比port3电场相位超前90度。根据对3dB裂缝电桥的要求， port3与port2输出功率相等。即：

(5)

由式（5）可以得到

(6)

在上述计算中忽略了结构不连续性引起的误差。在实际结构中，为了改善匹各端口配特性，增加带宽，可以在耦合区的中心线上安置容性螺钉或感性螺杆。