Apparatuses, systems and methods of radiating and receiving dual-polarized electromagnetic waves

Abstract

The apparatus includes a feed network arranged in a hierarchical configuration, comprising a series of junctions, each with one first-end section and two second-end sections. The junctions employ only equal power splitters and a combination of inverted and non-inverted junctions to flexibly divide or combine electromagnetic waves, achieving precise amplitude and phase distributions. The feed network supports dual-polarized operation and enables beam shaping with reduced complexity and low signal loss. Methods of radiating and receiving electromagnetic waves using the apparatus, as well as systems incorporating the apparatus, are also described.

Description

APPARATUSES, SYSTEMS AND METHODS OF RADIATING AND RECEIVING DUAL-POLARIZED ELECTROMAGNETIC WAVESTECHNICAL FIELD

[0001] The present disclosure relates to apparatuses, systems, and methods of radiating and receiving electromagnetic waves, particularly to waveguide antenna apparatuses featuring a feed network in a hierarchical configuration that allows for customizable power distribution.BACKGROUND

[0002] In recent years, the demand for faster and more reliable wireless communications has driven advances in a number of technologies. Millimeter wave (mmWave) networks, operating in the 24 GHz to 100 GHz frequency range, have emerged as a notable solution capable of delivering high data rates and low latency. Due to the large bandwidth available at mmWave frequencies, these networks are suitable for applications requiring high throughput, such as those envisioned in 5G and future wireless communication systems.

[0003] Waveguide technology is commonly used in mmWave applications due to its ability to handle high power levels and its low insertion loss characteristics. While traditional PCB-based systems are prevalent at lower RF frequencies, the signal losses associated with PCB technology become more significant at mmWave frequencies, making waveguides an alternative for signal transmission. Certain waveguide configurations, such as square waveguides, are capable of supporting two orthogonal modes, which can enable higher data rates in mmWave systems.SUMMARY

[0004] According to a first aspect, there is provided a waveguide antenna apparatus, comprising: at least one feed network configured to divide a first-end electromagnetic wave into wave fractions in a radiation direction for radiating in at least one of vertical and horizontal polarization modes, or to combine a plurality of second-end electromagnetic waves into a single wave in a reception direction opposite to the radiation direction, each of the at least one feed network including: a plurality of junctions, each having one first-end section and two second-end sections, wherein at least one of the plurality of junctions is an inverted junction configured as a 2-to-1 manifold in the radiation direction for wave combining, and the remaining junctions are non-inverted junctions configured as 1-to-2 manifolds in the radiation direction for wave splitting, and wherein one of the two second-end sections of the inverted junction is coupled to one of the two second-end sections of one of the non-inverted junctions; and a plurality of equal power splitters, each positioned at one of the plurality of junctions to divide a received electromagnetic wave arriving from its corresponding first-end section into two equally divided waves, or to combine two received electromagnetic waves arriving from its corresponding second-end sections.

[0005] In some implementations, the apparatus may further comprise: a first-end aperture configured to feed or receive the first-end electromagnetic wave to or from an orthomode transducer (OMT) ; and a plurality of second-end apertures, each configured to radiate or receive one of the plurality of second-end electromagnetic waves.

[0006] In some implementations, the feed network may have a square cross-section configured to support a transmission of dual orthogonally polarization modes.

[0007] In some implementations, the plurality of second-end apertures may be distributed along a straight line.

[0008] In some implementations, the equal power splitter may be shaped to be a ridge extending along a longitudinal axis of the first-end section.

[0009] In some implementations, each of the plurality of junctions may be shaped as a T-shaped manifold.

[0010] In some implementations, the two second-end sections of each of the plurality of junctions may be coaxially oriented with each other and are perpendicular to the first-end section.

[0011] In some implementations, an iris may be positioned in the first-end section of at least one of the plurality of junctions.

[0012] In some implementations, a groove may be positioned in the first-end section of at least one of the plurality of junctions.

[0013] In some implementations, each of the at least one feed network may be a tree structure and the plurality of junctions are provided at different stages of the tree structure.

[0014] In some implementations, each of the at least one feed network may consist of 16 second-end apertures, the tree structure being symmetrically divided into two halves, each half consisting of 8 second-end apertures.

[0015] In some implementations, the plurality of junctions of each of the at least one feed network may consist of 20 non-inverted junctions and 4 inverted junctions.

[0016] In some implementations, the at least one feed network may comprise a plurality of feed networks stacked together.

[0017] In some implementations, the apparatus may further comprise a plurality of dielectric plugs, each being detachably couplable to one of the plurality of second-end apertures, each of the plurality of dielectric plugs may comprise a plate extending into the feed network when the dielectric plug is coupled, introducing an asymmetrical phase delay between the horizontal and vertical polarization modes.

[0018] In some implementations, the plate may taper into the feed network when the dielectric plug is coupled.

[0019] In some implementations, each of the plurality of dielectric plugs may comprise a block connected to the plate, the block having a square cross-section, introducing a symmetrical phase delay between the horizontal and vertical polarization modes.

[0020] In some implementations, the at least one feed network may be fabricated by three-dimensional (3D) printing.

[0021] In some implementations, the at least one feed network may be made of a metallic material.

[0022] According to a second aspect, there is provided a method of radiating electromagnetic waves through a waveguide antenna apparatus, the method comprising: receiving a first-end electromagnetic wave at a first end of the waveguide antenna apparatus; directing the first-end electromagnetic wave into a feed network of the waveguide antenna apparatus, the feed network configured to divide the first-end electromagnetic wave into wave fractions in a radiation direction for radiating at a second end of the waveguide antenna apparatus, wherein the feed network comprises a plurality of junctions, each having one first-end section and two second-end sections; dividing the first-end electromagnetic wave into the wave fractions using a plurality of equal power splitters each positioned at one of the plurality of junctions to divide a received electromagnetic wave arriving from its corresponding first-end section into two equally divided waves, wherein at least one of the plurality of junctions is an inverted junction configured as a 2-to-1 manifold in the radiation direction for wave combining, and the remaining junctions are non-inverted junctions configured as 1-to-2 manifolds in the radiation direction for wave splitting, and wherein one of the two second-end sections of the inverted junction is coupled to one of the two second-end sections of one of the non-inverted junctions; and directing each of the wave fractions to the second end of the waveguide antenna apparatus for radiation in at least one of vertical and horizontal polarization modes.

[0023] According to a third aspect, there is provided a method of receiving electromagnetic waves in a waveguide antenna apparatus, the method comprising: receiving a plurality of second-end electromagnetic waves at a second end of the waveguide antenna apparatus; directing the plurality of second-end electromagnetic waves into a feed network of the waveguide antenna apparatus, the feed network configured to combine the plurality of second-end electromagnetic waves into a single wave in a reception direction at a first end of the waveguide antenna apparatus, wherein the feed network comprises a plurality of junctions, each having one first-end section and two second-end sections; combining the plurality of second-end electromagnetic waves into the single wave using a plurality of equal power splitters each positioned at one of the plurality of junctions to combine two received electromagnetic waves arriving from its corresponding second-end sections, wherein at least one of the plurality of junctions is an inverted junction configured as a 1-to-2 manifold in the reception direction for wave splitting, and the remaining junctions are non-inverted junctions configured as 2-to-1 manifolds in the reception direction for wave combining, and wherein one of the two second-end sections of the inverted junction is coupled to one of the two second-end sections of one of the non-inverted junctions; and directing the combined single wave to the first end of the antenna waveguide.

[0024] According to a fourth aspect, there is provided a communication system comprising: a waveguide antenna apparatus according to any one of claims 1-18, including a plurality of feed networks stacked with each other; a plurality of orthomode transducers (OMTs) , each connected to a respective one of the plurality of feed networks, wherein each of the plurality of OMTs is configured to receive and transmit dual orthogonally polarized electromagnetic waves; and a pair of polarization-specific lenses, each having a corresponding number of outlets coupled to the plurality of OMTs to supply electromagnetic waves of a specific polarization to the plurality of OMTs.

[0025] According to the implementations of the present disclosure, there is provided a miniaturized, dual-polarized unified design that offers significant advantages, including potential low signal loss and a simplified beam-forming feed network. The use of only equal power splitting junctions simplifies the design, reducing difficulties in design and manufacturing complexity. Additionally, the mixed use of inverted and non-inverted junctions within the feed network allows for greater flexibility in achieving the desired amplitude and phase distribution. The use of dielectric plugs enables precise beam shaping without the need for additional tuning circuits. These features make the system easier to implement, highly reliable, and cost-effective while maintaining high performance, making it particularly suited for advanced dual-polarized antenna applications.

[0026] This summary does not necessarily describe the entire scope of all aspects. Other aspects, features and advantages will be apparent to those of ordinary skill in the art upon review of the following description of specific embodiments. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

[0027] In the accompanying drawings, which illustrate one or more example embodiments:

[0028] FIG. 1 is a block diagram of a system for handling dual-mode electromagnetic waves, according to an example embodiment.

[0029] FIG. 2 is a feed network coupled to an orthomode transducer configured to distribute electromagnetic waves across multiple stages of junctions, according to an example embodiment.

[0030] FIG. 3 is a cross-sectional view of the waveguide tunnel within the feed network, according to an example embodiment.

[0031] FIG. 4 is a graph illustrating the design considerations for selecting the cross-sectional dimension of the waveguide tunnel in the feed network, according to an example embodiment.

[0032] FIG. 5 is a design geometry of adjacent second-end apertures within the feed network, according to an example embodiment.

[0033] FIG. 6 is an example of the junction within the feed network shown in FIG. 2.

[0034] FIGA. 7A and 7B are simulation results of an approximation process to a target curve, according to an example embodiment.

[0035] FIG. 8 is a block diagram showing the power splitting by a half of the feed network shown in FIG. 2.

[0036] FIG. 9 is a cross-sectional view of the half of the feed network in accordance with the configuration shown in FIG. 8.

[0037] FIG. 10 is an example of the orthomode transducer shown in FIG. 2.

[0038] FIG. 11 is an example of a series of dielectric plugs for coupling to second-end apertures of the feed network, according to an example embodiment.

[0039] FIG. 12 is a system integrating an antenna apparatus, an orthomode transducer, and a pair of polarization-specific lenses, according to an example embodiment.

[0040] FIG. 13 is a top view of the system of FIG. 12, with one of the polarization-specific lenses removed.

[0041] FIG. 14 is a simulated broadcast coverage plot of an antenna system showing the power density distribution (dBW / m2) along the X-direction, according to an example embodiment.

[0042] FIG. 15 is a simulated graph illustrating the power density along the ground for each antenna port in an antenna system, according to an example embodiment.

[0043] FIG. 16 is a set of simulated graphs illustrating the return loss (S11) measurements for horizontal and vertical polarizations, plotted alongside simulated results, according to an example embodiment.

[0044] FIG. 17 is a set of simulated radiation pattern graphs showing the angular distribution of signal gain for horizontal and vertical polarizations, according to an example embodiment.DETAILED DESCRIPTION

[0045] In certain high-throughput mmWave applications, it can be advantageous to support two orthogonal linear polarizations within a waveguide structure. This dual-mode capability allows one waveguide to handle multiple signal paths, which can increase data transmission capacity. Square waveguides, among other configurations, can support two orthogonal modes, allowing both polarizations to use a common guiding structure and antenna system, thereby optimising the use of available space and resources.

[0046] Air-filled square waveguides can offer reduced transmission losses and simplified manufacturing processes. Compared with PCB-based solutions, air-filled waveguides can offer different performance characteristics in terms of signal loss, contributing to signal integrity over longer distances. The square waveguide structure is therefore an option to consider for the design of feed networks in mmWave systems due to its support for dual-mode operation.

[0047] The feed network distributes power to each antenna element, typically through the use of power splitters. The present disclosure involves the use of a power splitter capable of providing arbitrary power ratios for two orthogonal modes within a square waveguide. This approach enables precise control of power distribution while remaining compatible with current manufacturing processes.

[0048] FIG. 1 illustrates a block diagram of a system 100 for handling dual-mode electromagnetic waves. The system 100 includes an orthomode transducer (OMT) 110, a dual-mode feed network 120 and a number of antenna elements 130.

[0049] In this configuration, the OMT 110 receives or transmits a first-end electromagnetic wave in two orthogonal modes, referred to as Mode 1 and Mode 2. The OMT 110 is connected to a first-end aperture of the feed network 120. The feed network 120 is configured to divide the incoming first-end electromagnetic wave into wave fractions in a radiation direction and distribute them to the second-end apertures connected to the antenna elements 130 supporting the dual modes. These second-end apertures are capable of radiating or receiving electromagnetic waves in both vertical and horizontal polarizations.

[0050] Alternatively, in a reception direction (from right to left in FIG. 1) opposite to the radiation direction, the feed network 120 combines the electromagnetic waves received at the second-end apertures into a single wave which is then fed to the OMT 110. The design allows for the efficient distribution or combination of electromagnetic waves across multiple antenna elements 130, enhancing the system’s ability to handle multiple polarizations and support high throughput mmWave applications.

[0051] While the OMT 110 facilitates the handling of dual-mode electromagnetic waves by separating or combining orthogonal polarizations, the feed network 120 can still effectively operate as a single-mode network when only a single polarization or mode is required. In this configuration, the feed network 120 can distribute the power of electromagnetic waves in a single mode to the plurality of second-end apertures, allowing efficient power division or combination even without the use of dual-mode capabilities. A pair of polarization-specific lenses (not shown) may be provided to be coupled to the OMT 110, and each lens is used to supply electromagnetic waves of a specific polarization to the OMT 110.

[0052] FIG. 2 illustrates a waveguide antenna apparatus comprising an example feed network 120 operatively coupled to an example OMT 110. The feed network 120 is configured to divide an incoming electromagnetic wave into wave fractions or to combine multiple waves, depending on the operational direction. The feed network 120 includes a plurality of junctions 126, each having a first-end section and two second-end sections. These junctions are designed to perform either wave splitting or wave combining, thereby enabling efficient power management and flexible polarization control.

[0053] In the radiation direction, electromagnetic waves enter the structure from the first port 112 and second port 114 of the OMT 110. The waves propagate through the feed network 120 and radiate from second-end apertures 124, arranged to provide dual polarization modes (vertical and horizontal) . In this embodiment, the feed network 120 includes sixteen (16) second-end apertures 124. To achieve this, certain junctions 126 operate as 1-to-2 manifolds (non-inverted junctions) that split the electromagnetic wave into two equally divided wave fractions, while others function as 2-to-1 manifolds (inverted junctions) to combine wave fractions in the radiation direction. For example, one of the second-end sections of an inverted junction is coupled to a second-end section of a non-inverted junction, as shown in FIG. 2 and more clearly in FIG. 9, which will be described later. This interconnection allows the feed network 120 to achieve a customizable and balanced power distribution for efficient operation.

[0054] The OMT 110 is configured to receive two electromagnetic waves via the first and second ports 112, 114, enabling the generation of dual orthogonally polarized modes at the third port 116. The third port 116 interfaces with a first-end aperture 122 of the feed network 120 to facilitate the transmission of these polarization modes. The internal cross-sectional geometry of the feed network 120 is square or substantially square, ensuring robust support for orthogonal polarization modes while maintaining consistent signal quality throughout the structure.

[0055] At the second-end apertures 124, a number of dielectric plugs 230 may be inserted into the square waveguide openings to adjust the phase differences for the electromagnetic waves. A dielectric plug may have an asymmetric portion and a symmetric portion. The asymmetric portions of the plugs are configured to balance the phase differences between vertically and horizontally polarized waves, compensating for phase mismatches introduced by the matching circuits and waveguide bends. The symmetric square portions of the plugs introduce uniform phase delays to both polarization modes, ensuring the desired overall phase distribution across the sixteen (16) outputs in this example. Further details of the dielectric plug configurations and their specific functionalities will be described in conjunction with FIG. 11.

[0056] Although FIG. 2 depicts an integrated configuration where the OMT 110 is coupled to the feed network 120 in a blade-like structure, it should be understood that the waveguide antenna apparatus may take different forms depending on the specific implementation. If the feed network 120 operates as a standalone component separate from the OMT 110, it can itself be referred to as the “waveguide antenna apparatus” . Conversely, if the OMT 110 and the feed network 120 are manufactured together as an integrated unit, they collectively constitute the waveguide antenna apparatus.

[0057] In certain configurations, the waveguide antenna apparatus may include multiple feed networks 120, each paired with a corresponding OMT 110. These components can be arranged in a stacked manner, enabling scalability and enhanced performance. For example, if the OMT 110 and the feed network 120 are structured as shown in FIG. 2 to form a blade-like configuration, multiple such blade structures can be stacked together. This arrangement creates a matrix of second-end apertures 124, forming a three-dimensional (3D) antenna capable of sophisticated electromagnetic wave management, such as high-gain beamforming or dual-polarization signal processing.

[0058] The waveguide antenna apparatus, including the OMT 110 and the feed network 120, may be manufactured using advanced fabrication techniques such as 3D printing from electrically conductive materials or metals. These methods enable precise structural characteristics, high performance, and versatility for applications requiring dual polarization capabilities and customizable configurations. The term “stacked” as used herein may refer to either a physical arrangement where individual blade-like structures, comprising corresponding OMTs 110 and feed networks 120, are assembled together, or a manufacturing process where multiple blade structures are fabricated as a single integrated unit. For instance, advanced 3D printing techniques can be employed to manufacture the entire stack of blade structures simultaneously, ensuring precise alignment, optimal electromagnetic performance, and structural integrity.

[0059] FIG. 3 shows a cross-sectional view of the waveguide tunnel within the feed network 120, illustrating the square cross-section with side length a. This square geometry supports dual-mode operation, allowing the feed network 120 to handle multiple signal paths within a compact structure.

[0060] The figure also includes an equation for calculating the cutoff frequency fmn for specific modes, defined by the mode numbers m and n. The cutoff frequency fmn is given by: where C is the speed of light, a is the length of each side of the square cross-section, and m and n  are mode indices indicating the number of half-wavelengths in the respective directions.

[0061] FIG. 4 illustrates the design considerations for selecting the cross-sectional dimension a of the waveguide tunnel in the feed network 120, based on the operational frequency range and the cutoff frequencies for specific waveguide modes. The graph shows the relationship between the frequency (in GHz) and the dimension a (in mm) for various modes within the waveguide. The operational frequency range of interest, between 37 GHz and 42 GHz, is highlighted in the shaded “Region of interest” .

[0062] In waveguide design, the cutoff frequency defines the lowest frequency at which a particular mode can propagate. Modes such as TE10, TE01, and TM11 refer to specific field patterns of the electromagnetic waves within the waveguide: ● TE Modes (Transverse Electric) : For modes like TE10 and TE01,  the electric field is purely transverse to the direction of propagation, with no longitudinal electric field component. These modes are often used for signal transmission in waveguides. ● TM Modes (Transverse Magnetic) : For modes like TM11, the  magnetic field is purely transverse, with no longitudinal magnetic field component.

[0063] The curves marked TE10, TE01 (lower curve) and TM11 (upper curve) represent the cutoff frequencies for these modes based on the dimension a of the waveguide cross-section. The region below the TE10 and TE01 curves indicates that any frequency lower than the cutoff frequency for these modes would not propagate through the waveguide, as they would be below the threshold.

[0064] For the selected frequency range of 37 GHz to 42 GHz, the analysis shows that the dimension a can range from approximately 4.1 mm to 5 mm. This range of values for a ensures that the waveguide supports the desired TE10 and TE01 modes within the specified frequency band, while excluding higher modes like TM11, which may interfere with efficient signal transmission.

[0065] The “region of interest” in the shaded area represents the optimal range for dimension a, where the area is ensured to be above modes TE10 and TE01 and below mode TM11falls within the frequency band. This design principle ensures efficient transmission by confining the propagation to the desired modes and maintaining signal integrity across the feed network.

[0066] FIG. 5 illustrates the design geometry of adjacent second-end apertures within the feed network, focusing on the dimensions required to achieve optimal performance and manufacturability. In this design, the width a of each aperture and the spacing b between adjacent apertures should satisfy specific constraints to maintain effective power distribution and impedance matching.

[0067] The combined width of a+b=5 mm is selected to maintain compactness while supporting the required operational frequencies. To meet manufacturing constraints, the minimum spacing b is set at 0.3 mm. Consequently, the maximum possible width a for each aperture is limited to 4.7 mm. This constraint ensures that the maximum size of each aperture remains at 4.7 mm.

[0068] For the feed network in this embodiment, a value of a=4.4 mm may be chosen for at least two reasons: ● Reducing the Risk of Fabrication Error: By selecting a slightly  smaller dimension for a, the design minimizes the likelihood of manufacturing inaccuracies that may arise from operating at the maximum allowable width. ● Enhanced Output Matching: By tapering the aperture dimension  from 4.7 mm to 4.4 mm at the output, the design achieves better impedance matching, which is beneficial for reducing reflection and ensuring efficient signal transmission.

[0069] This design approach allows the feed network to achieve both reliable manufacturability and improved performance by balancing the geometry of the adjacent second-end apertures.

[0070] Although the feed network in this example has a generally square cross-section to support dual-mode operation, it should be noted that the cross-sectional shape may vary. For instance, the cross-section may have rounded or chamfered edges, and it need not be a perfect square. Variations in cross-sectional shape are permissible as long as they do not significantly affect the functionality of the splitter or the intended operation of the feed network. Additionally, the feed network has multiple waveguide tunnels between the splitters, with turns that can be chamfered or rounded to facilitate impedance matching when needed.

[0071] FIG. 6 illustrates an example of the junction 126 within the feed network 120, as depicted in FIG. 2. The junction 126 includes a first-end port 610 and two second-end ports 620. When an electromagnetic wave propagates into the junction 126 through the first-end port 610, the wave is split by a splitter 630 into two equal power portions, which exit the junction via the second-end ports 620. Conversely, when electromagnetic waves enter the junction through the second-end ports 620, the splitter 630 facilitates the combination of the two incoming waves into a single wave that exits through the first-end port 610. This bidirectional functionality allows the junction 126 to serve dual roles, depending on the direction of wave propagation.

[0072] When used for splitting, the junction 126 functions as a 1-to-2 manifold and may be referred to as a “non-inverted” junction. Conversely, when used for combining, the junction 126 operates as a 2-to-1 manifold and may be referred to as an “inverted” junction. In the radiation direction, where waves originate from the OMT, the feed network 120 primarily comprises non-inverted junctions configured for power splitting. However, some junctions are inverted junctions configured for power combining to adjust wave distributions within the feed network 120 in a more accurate configuration.

[0073] As shown in FIG. 6, the junction 126 includes a first-end section connected to the first-end port 610 and two second-end sections, each connected to one of the second-end ports 620. The first-end section features an upright waveguide tunnel aligned along a longitudinal axis X. The junction is shaped as a T-shaped manifold in this example. The two second-end sections are coaxially oriented with each other and are perpendicular to the first-end section. The splitter 630, in this example, is structured as a ridge positioned within the junction facing the first-end port 610 along the axis X (namely, extending along the axis X) to evenly divide the power of the incoming wave between the horizontal and vertical polarizations. It should be understood that the splitter 630 may have alternative shapes or configurations.

[0074] To enhance the performance of the junction 126, various impedance and capacitance matching structures are incorporated. At the first-end section, a pair of horizontal irises 640 facilitates impedance matching for horizontally polarized waves, while a pair of vertical irises 642 facilitates impedance matching for vertically polarized waves. Additionally, a vertical groove 650 is included at the first-end section to enable capacitance matching for vertically polarized waves. Similarly, at the second-end sections, pairs of horizontal irises 644 and vertical irises 646 are provided to achieve impedance matching for horizontal and vertical polarizations, respectively. Furthermore, second-end grooves 652 in a negative setting are positioned at the corners of the second-end sections to support capacitance matching for vertically polarized waves. These features collectively adjust the impedance and capacitance matching according to actual needs.

[0075] In one embodiment, the feed network described is designed to achieve a power distribution that approximates a cosec2 beam pattern. A cosec2 beam pattern may be desirable in various applications, such as radar and communication systems, as it provides uniform coverage across a defined angular range. This is achieved by compensating for the natural variation in signal intensity with respect to distance and angle. By ensuring a consistent power distribution to the radiating elements, the feed network facilitates uniform signal strength across the targeted coverage area to improve performance.

[0076] The desired power distribution for the cosec2 beam pattern may be determined using Fourier’s series, which provides coefficients representing the amplitude distribution required for each antenna element in the array. The array factor AF (θ) as a function of the azimuthal angle θ can be expressed mathematically as follows: where N represents the number of antenna elements (namely, the number of second-end  apertures) , am represents the amplitude coefficients, βm represents the phase coefficients, k is the wavenumber, and d is the element spacing. The amplitude coefficients am are derived to approximate the cosec2 pattern, while the phase coefficients βm ensure proper wavefront alignment.

[0077] FIGS. 7A and 7B illustrate the simulation results of the approximation process. The curve 710 in both FIG. 7A and FIG. 7B represents the target cosec2 pattern, which is the ideal beam pattern for uniform coverage. The curve 720 corresponds to the normalized array pattern generated using Fourier’s coefficients. This array pattern closely resembles the target cosec2 pattern but requires a complex feed network design such as by incorporating both equal power splitters and unequal power splitters. To reduce complexity, the configuration described herein incorporates equal power splitters only with some junctions configured as non-inverted junctions and some others configured as inverted junctions, resulting in the normalized array pattern depicted by the curve 730. While this approximation indicated by the curve 730 introduces minor deviations compared with the curve 720, it simplifies the construction of the feed network while maintaining relatively good performance.

[0078] FIG. 8 illustrates a feed network structure used to distribute power among eight (8) radiating elements of the array, representing the left half of the feed network. The network begins with an incoming electromagnetic wave with an initial power of “1” , which is progressively divided through a series of equal power splitters at various stages. For example, junction 802 splits the initial power into two equal parts, each with a power of “0.5” . Subsequent junctions, such as 804 through 824, continue to either further divide the power or combine multiple waves. Notably, junctions 810 and 818 are inverted junctions that receive two waves at their second-end sections and output the combined wave at their first-end section. By incorporating both inverted and non-inverted junctions, the feed network achieves a flexible design that allows precise control of the power distribution across the second-end apertures. This design approach enables the power distribution to closely approximate the desired Fourier coefficients

[0079] The feed network in FIG. 8 is symmetric in terms of amplitude distribution, meaning that the amplitudes at symmetric output ports (e.g., port 1 on the left half and port 16 on the right half, which is not shown in FIG. 8) are identical. However, the phase excitations may be asymmetric and require individual tuning to ensure proper wavefront formation. This symmetry reduces the complexity of the network while maintaining the desired beam characteristics. Irises and grooves may additionally be used in the feed network for impedance and capacitance matching, as described above with respect to FIG. 6.

[0080] The following table lists the normalized amplitude coefficients, for each pair of symmetric ports (column 1, such as ports 1 and 16) , derived from Fourier’s series (column 2) , the approximated normalized amplitudes achieved using the configuration shown in FIG. 8 (column 3) , and the corresponding phase coefficients (column 4) . These values illustrate how the configuration shown in FIG. 8 approximates the ideal distribution while ensuring proper phase alignment for beam shaping. Table 1. Comparison of Normalized Amplitude Coefficients and Phase Coefficients for Fourier’s  Series and the Approximated Feed Network Configuration

[0081] FIG. 9 illustrates the physical implementation of the left half of the feed network, corresponding to the block diagram in FIG. 8. This figure provides a detailed view of how the junctions 802-824 are interconnected to distribute power from a first-end aperture 122 to eight (8) second-end apertures 124, which are distributed along a straight line. Each junction in FIG. 9 represents an actual waveguide configuration that splits or combines electromagnetic waves to achieve the desired power distribution.

[0082] Starting at the first-end aperture 122, the incoming electromagnetic wave propagates into junction 802, which splits the power into two equal portions. These portions are then directed to junction 804, where further power splitting occurs. At each subsequent level, the waveguides connecting the junctions are designed to ensure proper alignment and phase matching for the electromagnetic waves.

[0083] The network incorporates inverted and non-inverted junctions to control the power distribution. For instance, in the radiation direction, junctions such as 810 and 818 are inverted junctions configured to combine two incoming waves from their second-end sections into a single wave at their first-end section. In contrast, junctions such as 802, 804, and 812 are non-inverted junctions configured to equally split the incoming wave at the first-end section into two waves exiting through the second-end sections. It should be evident that when the feed network shown in FIG. 9 is used to receive waves at the second-end apertures, inverted junctions 810 and 818 serve as splitting junctions and the rest non-inverted junctions serve as combining junctions.

[0084] Because the left half and the right half of the feed network is symmetric with each other, there will be a total of sixteen (16) second-end apertures in the blade-like structure of the feed network. As a result, there will be twenty (20) non-inverted junctions and four (4) inverted junctions in the feed network to enable precise beam shaping for applications that require a cosec2 beam pattern.

[0085] FIG. 10 illustrates an example of the OMT 110, as referenced in FIG. 2. The OMT 110 is configured to handle dual-polarization modes of electromagnetic waves, including horizontal and vertical polarizations, and facilitate their separation or combination. In this example, the waveguide tunnel within the OMT 110 has a cross-section that is square or substantially square, which supports the propagation of orthogonally polarized waves with minimal distortion.

[0086] The OMT 110 includes a first port 112 and a second port 114, which are used to input waves with horizontal polarization in the radiation direction. The third port 116 outputs the combined wave when operating in a combining mode (in the radiation direction) or receives the wave to separate the polarizations when operating in a splitting mode (in the reception direction) .

[0087] The OMT 110 may incorporate a waveguide twist 113, which is designed to rotate the wave’s polarization from horizontal to vertical. This twist ensures that waves entering through the first and second ports 112, 114 can be in the same polarization and the combined wave will contain orthogonally polarized components. The OMT 110 may also incorporate polarization matching structures to optimize wave propagation. Horizontal polarization matching features 117 are provided to ensure impedance and capacitance matching for horizontally polarized waves. Similarly, vertical polarization matching features 115 are integrated to achieve impedance and capacitance matching for vertically polarized waves.

[0088] The OMT 110 in FIG. 10 features a compact design for managing orthogonal polarization modes. With square or substantially square waveguide tunnels, polarization matching features, and a waveguide twist, it ensures efficient electromagnetic wave transmission and reception, making it ideal for integration into feed networks like that in FIG. 2.

[0089] FIG. 11 illustrates an example embodiment of a series of dielectric plugs 230 designed to couple to the second-end apertures of the feed network, as described with respect to FIG. 2. Each dielectric plug 230 is configured to be inserted into a corresponding second-end aperture to compensate for phase differences between the horizontal and vertical polarization modes and to apply a phase delay to the horizontal and vertical polarization modes. These dielectric plugs support that the electromagnetic waves exiting the second-end apertures have the intended phase alignment.

[0090] Each dielectric plug includes a plate, such as 232 or 234, which extends into the feed network when the plug is inserted. The plate features an asymmetrical shape for horizontal and vertical polarization modes, introducing a differential phase delay between these modes. This asymmetry compensates for phase imbalances caused by factors such as waveguide geometry and matching features within the feed network. In some embodiments, the plate tapers as it extends into the feed network, as illustrated in FIG. 11, defining the shape of the dielectric volume relative to the surrounding air, thereby enhancing phase compensation.

[0091] Additionally, each dielectric plug includes a block 236 connected to the plate. The block has a square or substantially square cross-section and introduces a symmetrical phase delay to both polarization modes. This symmetrical delay ensures uniform phase progression across all output ports while maintaining the integrity of the dual-polarization signals.

[0092] The dielectric plugs 230 can be arranged in a straight line on a common substrate 238, as shown in FIG. 11. While the substrate 238 provides a convenient arrangement for aligning and handling the dielectric plugs, it is not a necessary component for the operation of the feed network. The plugs can also be used independently without the substrate.

[0093] FIG. 12 illustrates an integrated antenna system 100, which combines an antenna apparatus, the OMT 110, and a pair of beamforming lenses, 1310 and 1320. The system is designed for advanced beamforming and beam-switching operations, providing coverage across both azimuth ( “phi” as indicated in FIG. 12) and elevation ( “theta” as indicated in FIG. 12) directions. The beamforming lenses 1310, 1320 are used to distribute incoming signals across multiple paths to achieve precise beam steering and switching.

[0094] The system 100 employs sixteen (16) blade-like structures (such as the one shown in FIG. 2) stacked along the Y-axis, as seen in FIG. 12. These stacked structures form a 16 × 16 matrix of second-end apertures, facilitating precise spatial control of the electromagnetic waves. As a result, the OMT 110 has a total of sixteen (16) first ports and a total of sixteen (16) second ports arranged on the opposite side to the first ports. One of the beamforming lenses is connected to the first ports of the OMT 110 and the other lens is connected to the second ports of the OMT 110. By dynamically managing signal distribution, the beamforming lenses enable the antenna system to form and switch multiple beams, ensuring comprehensive sector coverage with uniform power density and minimal interference between beams.

[0095] FIG. 13 provides a top view of the system shown in FIG. 12, with one of the beamforming lenses removed to reveal the internal configuration. The system incorporates a Rotman lens 1312, which serves as a beam-switching network. The Rotman lens 1312 includes twelve (12) first-stage paths 1314 and sixteen (16) second-stage paths 1316. The first-stage paths correspond to the input ports of the lens, and the second-stage paths correspond to the output ports that direct electromagnetic energy to the specific first ports of second ports of the OMT 110.

[0096] The Rotman lens 1312 allows for precise beam switching across the azimuth plane by dynamically distributing input signals across the sixteen (16) second-stage paths 1316. The beam-shaping antennas arranged in columns along the Z-axis handle elevation coverage, ensuring seamless control over the elevation plane.

[0097] The combination of the Rotman lens and stacked antennas enables the system to generate multiple beams with adequate power and uniform coverage (dBw / m2) . This antenna system demonstrates a compact and efficient design for dual-polarized beamforming.

[0098] FIG. 14 depicts a broadcast coverage plot of the antenna system designed to achieve a cosec2 beam pattern according to the embodiments described herein. This configuration provides uniform power density coverage along the X-direction. In the setup, the antenna is positioned at a height of 10 meters along the Z-axis and tilted at an angle of 25 degrees. The contour lines in the plot represent power density levels ranging from -90 dBW / m2 to -80 dBW / m2, as indicated by the scale on the right. The spacing and distribution of these contours demonstrate the effectiveness of the beam-shaping network in maintaining consistent power density across the coverage area. This performance highlights the suitability of the antenna system for applications requiring uniform broadcast coverage.

[0099] FIG. 15 depicts the simulated power density distribution along the ground (in W / m2) for each of the eight antenna ports (on one half of the second-end apertures) . The X-axis represents the distance along the X-direction, while the Y-axis indicates the corresponding power density in dBW / m2. Each curve corresponds to a specific antenna port and demonstrates the power density contribution of that port over a radiation distance. The results show that the beam-shaping network achieves a stable power density across all the apertures beyond a certain radiation distance, such as beyond 25 meters.

[0100] FIG. 16 illustrates the return loss (S11) measurements for both horizontal and vertical polarizations, plotted alongside simulated results. The left graph shows the return loss for horizontal polarization, while the right graph corresponds to vertical polarization. Solid lines and dashed lines represent measured results with and without dielectric plugs, respectively, and dotted-dash lines indicate the simulated results. The return loss values, measured over a frequency range of 37–42 GHz, provide insights into the efficiency of signal transmission and the effectiveness of impedance matching. Minor deviations between the measured and simulated results are attributed to fabrication tolerances and variations in the dielectric constant.

[0101] FIG. 17 illustrates the radiation patterns of the antenna system measured in a compact far-field anechoic chamber. The left graph corresponds to horizontal polarization, while the right graph shows vertical polarization. Solid lines indicate the measured gain patterns, and dashed lines represent the simulated gain patterns. The radiation patterns depict the angular distribution of signal gain (in dB) as a function of angle θ (in degrees) . The results demonstrate good agreement between the measured and simulated patterns, validating the design of the beam-shaping network. Minor deviations between the measured and simulated results are attributed to fabrication tolerances and variations in the dielectric constant.

[0102] The results shown in FIGS. 14–17 confirm the ability of the antenna system according to the embodiments described herein to achieve consistent power density coverage, precise amplitude and phase distributions, and effective dual-polarization operation. These results validate the design of the feed network and demonstrate its capability to deliver the desired performance.

[0103] The embodiments have been described above with reference to flow, sequence, and block diagrams of methods, apparatuses, systems, and computer program products. In this regard, the depicted flow, sequence, and block diagrams illustrate the architecture, functionality, and operation of implementations of various embodiments. For instance, each block of the flow and block diagrams and operation in the sequence diagrams may represent a module, segment, or portion of code, which comprises one or more executable instructions for implementing the specified action (s) . In some alternative embodiments, the action (s) noted in that block or operation may occur out of the order noted in those figures. For example, two blocks or operations shown in succession may, in some embodiments, be executed substantially concurrently, or the blocks or operations may sometimes be executed in the reverse order, depending upon the functionality involved. Some specific examples of the foregoing have been noted above but those noted examples are not necessarily the only examples. Each block of the flow and block diagrams and operation of the sequence diagrams, and combinations of those blocks and operations, may be implemented by special purpose hardware-based systems that perform the specified functions or acts, or combinations of special purpose hardware and computer instructions.

[0104] The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting. Accordingly, as used herein, the singular forms “a” , “an” , and “the” are intended to include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise. It will be further understood that the terms “comprises” and “comprising” , when used in this specification, specify the presence of one or more stated features, integers, steps, operations, elements, and components, but do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, and groups. Directional terms such as “top” , “bottom” , “upwards” , “downwards” , “vertically” , and “laterally” are used in the following description for the purpose of providing relative reference only, and are not intended to suggest any limitations on how any article is to be positioned during use, or to be mounted in an assembly or relative to an environment. Additionally, the term “connect” and variants of it such as “connected” , “connects” , and “connecting” as used in this description are intended to include indirect and direct connections unless otherwise indicated. For example, if a first device is connected to a second device, that coupling may be through a direct connection or through an indirect connection via other devices and connections. Similarly, if the first device is communicatively connected to the second device, communication may be through a direct connection or through an indirect connection via other devices and connections.

[0105] Use of language such as "at least one of X, Y, and Z, " "at least one of X, Y, or Z, " "at least one or more of X, Y, and Z, " "at least one or more of X, Y, and / or Z, " or "at least one of X, Y, and / or Z, " is intended to be inclusive of both a single item (e.g., just X, or just Y, or just Z) and multiple items (e.g., {X and Y} , {X and Z} , {Y and Z} , or {X, Y, and Z} ) . The phrase "at least one of" and similar phrases are not intended to convey a requirement that each possible item must be present, although each possible item may be present.

[0106] It is contemplated that any part of any aspect or embodiment discussed in this specification can be implemented or combined with any part of any other aspect or embodiment discussed in this specification, so long as such those parts are not mutually exclusive with each other.

[0107] The scope of the claims should not be limited by the embodiments set forth in the above examples, but should be given the broadest interpretation consistent with the description as a whole.

[0108] It should be recognized that features and aspects of the various examples provided above can be combined into further examples that also fall within the scope of the present disclosure. In addition, the figures are not to scale and may have size and shape exaggerated for illustrative purposes.

Claims

1.A waveguide antenna apparatus, comprising:at least one feed network configured to divide a first-end electromagnetic wave into wave fractions in a radiation direction for radiating in at least one of vertical and horizontal polarization modes, or to combine a plurality of second-end electromagnetic waves into a single wave in a reception direction opposite to the radiation direction, each of the at least one feed network including:a plurality of junctions, each having one first-end section and two second-end sections, wherein at least one of the plurality of junctions is an inverted junction configured as a 2-to-1 manifold in the radiation direction for wave combining, and the remaining junctions are non-inverted junctions configured as 1-to-2 manifolds in the radiation direction for wave splitting, and wherein one of the two second-end sections of the inverted junction is coupled to one of the two second-end sections of one of the non-inverted junctions; anda plurality of equal power splitters, each positioned at one of the plurality of junctions to divide a received electromagnetic wave arriving from its corresponding first-end section into two equally divided waves, or to combine two received electromagnetic waves arriving from its corresponding second-end sections.2.The waveguide antenna apparatus of claim 1, further comprising:a first-end aperture configured to feed or receive the first-end electromagnetic wave to or from an orthomode transducer (OMT) ; anda plurality of second-end apertures, each configured to radiate or receive one of the plurality of second-end electromagnetic waves.3.The waveguide antenna apparatus of claim 1 or 2, wherein the feed network has a square cross-section configured to support a transmission of dual orthogonally polarization modes.4.The waveguide antenna apparatus of claim 2 or 3, wherein the plurality of second-end apertures are distributed along a straight line.5.The waveguide antenna apparatus of claim 1, wherein the equal power splitter is shaped to be a ridge extending along a longitudinal axis of the first-end section.6.The waveguide antenna apparatus of claim 5, wherein each of the plurality of junctions is shaped as a T-shaped manifold.7.The waveguide antenna apparatus of claim 6, wherein the two second-end sections of each of the plurality of junctions are coaxially oriented with each other and are perpendicular to the first-end section.8.The waveguide antenna apparatus of any one of claims 5 to 7, wherein an iris is positioned in the first-end section of at least one of the plurality of junctions.9.The waveguide antenna apparatus of any one of claims 5 to 8, wherein a groove is positioned in the first-end section of at least one of the plurality of junctions.10.The waveguide antenna apparatus of any one of claims 1 to 9, wherein each of the at least one feed network is a tree structure and the plurality of junctions are provided at different stages of the tree structure.11.The waveguide antenna apparatus of claim 10, wherein each of the at least one feed network consists of 16 second-end apertures, the tree structure being symmetrically divided into two halves, each half including 8 second-end apertures.12.The waveguide antenna apparatus of claim 11, wherein the plurality of junctions of each of the at least one feed network consist of 20 non-inverted junctions and 4 inverted junctions.13.The waveguide antenna apparatus of any one of claims 10 to 12, wherein the at least one feed network comprises a plurality of feed networks stacked together.14.The waveguide antenna apparatus of any one of claims 1 to 13, further comprising a plurality of dielectric plugs, each being detachably couplable to one of the plurality of second-end apertures, wherein each of the plurality of dielectric plugs comprises a plate extending into the feed network when the dielectric plug is coupled, introducing an asymmetrical phase delay between the horizontal and vertical polarization modes.15.The waveguide antenna apparatus of claim 14, wherein the plate tapers into the feed network when the dielectric plug is coupled.16.The waveguide antenna apparatus of claim 14 or 15, wherein each of the plurality of dielectric plugs comprises a block connected to the plate, the block having a square cross-section, introducing a symmetrical phase delay between the horizontal and vertical polarization modes.17.The waveguide antenna apparatus of any one of claims 1 to 16, wherein the at least one feed network is fabricated by three-dimensional (3D) printing.18.The waveguide antenna apparatus of any one of claims 1 to 17, wherein the at least one feed network is made of a metallic material.19.A method of radiating electromagnetic waves through a waveguide antenna apparatus, the method comprising:receiving a first-end electromagnetic wave at a first end of the waveguide antenna apparatus;directing the first-end electromagnetic wave into a feed network of the waveguide antenna apparatus, the feed network configured to divide the first-end electromagnetic wave into wave fractions in a radiation direction for radiating at a second end of the waveguide antenna apparatus, wherein the feed network comprises a plurality of junctions, each having one first-end section and two second-end sections;dividing the first-end electromagnetic wave into the wave fractions using a plurality of equal power splitters each positioned at one of the plurality of junctions to divide a received electromagnetic wave arriving from its corresponding first-end section into two equally divided waves,wherein at least one of the plurality of junctions is an inverted junction configured as a 2-to-1 manifold in the radiation direction for wave combining, and the remaining junctions are non-inverted junctions configured as 1-to-2 manifolds in the radiation direction for wave splitting, andwherein one of the two second-end sections of the inverted junction is coupled to one of the two second-end sections of one of the non-inverted junctions; anddirecting each of the wave fractions to the second end of the waveguide antenna apparatus for radiation in at least one of vertical and horizontal polarization modes.20.A method of receiving electromagnetic waves in a waveguide antenna apparatus, the method comprising:receiving a plurality of second-end electromagnetic waves at a second end of the waveguide antenna apparatus;directing the plurality of second-end electromagnetic waves into a feed network of the waveguide antenna apparatus, the feed network configured to combine the plurality of second-end electromagnetic waves into a single wave in a reception direction at a first end of the waveguide antenna apparatus, wherein the feed network comprises a plurality of junctions, each having one first-end section and two second-end sections;combining the plurality of second-end electromagnetic waves into the single wave using a plurality of equal power splitters each positioned at one of the plurality of junctions to combine two received electromagnetic waves arriving from its corresponding second-end sections,wherein at least one of the plurality of junctions is an inverted junction configured as a 1-to-2 manifold in the reception direction for wave splitting, and the remaining junctions are non-inverted junctions configured as 2-to-1 manifolds in the reception direction for wave combining, andwherein one of the two second-end sections of the inverted junction is coupled to one of the two second-end sections of one of the non-inverted junctions; anddirecting the combined single wave to the first end of the antenna waveguide.21.A communication system comprising:a waveguide antenna apparatus according to any one of claims 1-18, including a plurality of feed networks stacked with each other;a plurality of orthomode transducers (OMTs) , each connected to a respective one of the plurality of feed networks, wherein each of the plurality of OMTs is configured to receive and transmit dual orthogonally polarized electromagnetic waves; anda pair of beamforming lenses, each having a corresponding number of outlets coupled to the plurality of OMTs to supply electromagnetic waves of a specific polarization to the plurality of OMTs.

Images