Ka波段波導(dǎo)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的一體化設(shè)計(jì)

薛玲瓏，于守江，陽(yáng)家宏，韓偉強(qiáng)，孫　竹

(上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109)

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Ka波段波導(dǎo)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的一體化設(shè)計(jì)

薛玲瓏，于守江，陽(yáng)家宏，韓偉強(qiáng)，孫竹

(上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109)

摘要針對(duì)多通道復(fù)雜系統(tǒng)存在的電磁泄露以及一致性差的問(wèn)題，詳述了一種應(yīng)用于相控陣天線系統(tǒng)的一體化波導(dǎo)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。一體化網(wǎng)絡(luò)由功分器(合路器)、定向耦合器和3 dB電橋3種無(wú)源器件構(gòu)成。采用Ansoft HFSS對(duì)一體化定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模仿真，仿真結(jié)果表明，所有端口在工作頻帶內(nèi)阻抗匹配，信號(hào)幅度平坦，相位穩(wěn)定，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)布局合理，容易一體化加工。

關(guān)鍵詞功分器(合路器)；定向耦合器；3 dB電橋；一體化設(shè)計(jì)

0引言

功率分配器[1]、定向耦合器[2]和3 dB電橋[3]這些微波無(wú)源器件以其獨(dú)特的功能和優(yōu)良的性能在現(xiàn)代電子設(shè)備中獲得廣泛應(yīng)用[4]。迄今為止，這些器件的工作原理和設(shè)計(jì)方法已被微波設(shè)計(jì)師熟知，理論研究者正在探索新的實(shí)現(xiàn)形式[5]，工程技術(shù)人員正在開(kāi)拓這些器件的應(yīng)用范圍和尋找展寬這些器件的工作頻率范圍的途徑[6]。

過(guò)去，受應(yīng)用需求的限制，電子設(shè)備中微波無(wú)源器件都是為完成某種特定功能而獨(dú)立使用的[7]，因此是單獨(dú)設(shè)計(jì)和加工的，然后通過(guò)微波傳輸線(如高頻電纜、波導(dǎo)等)將其與其他電子模塊連接組成系統(tǒng)。最近十幾年，隨著電子系統(tǒng)規(guī)模變大，需要使用的元器件數(shù)量成倍增長(zhǎng)，如果還是沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和組裝方法，不僅設(shè)備的體積、重量無(wú)法接受，且整個(gè)系統(tǒng)因內(nèi)部信號(hào)多次反射疊加造成性能極其不穩(wěn)定而無(wú)法工作。所以，功能模塊高度集成的一體化設(shè)計(jì)成為復(fù)雜的大規(guī)模系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種理念。

本文對(duì)一種應(yīng)用于機(jī)載KaSAR天線的波導(dǎo)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)一體化進(jìn)行了描述，設(shè)計(jì)中首先利用HFSS仿真軟件優(yōu)化出定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中功分器[8]、耦合器[9]和電橋具有最佳性能的結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，綜合出滿足系統(tǒng)電性能要求的小型化和輕量化定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。

1定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)工作原理

機(jī)載KaSAR天線系統(tǒng)中需要一個(gè)對(duì)24個(gè)子陣單元信號(hào)的幅相進(jìn)行定標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)50端口的組件，分為24個(gè)輸入口、24個(gè)200 MHz輸出口、1個(gè)700 MHz輸出口和1個(gè)耦合定標(biāo)口。定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)位于24路子陣后、多通道接收機(jī)之前，工作原理如圖1所示。24路子陣輸出信號(hào)進(jìn)入定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)后，經(jīng)24個(gè)3 dB電橋?qū)崿F(xiàn)二等分，其中一路通過(guò)24路合路器形成全陣的700 MHz接收信號(hào)，與700 MHz接收機(jī)相連，另一路作為24路接收通道之一，與200 MHz接收機(jī)相連。定標(biāo)時(shí)，定標(biāo)信號(hào)經(jīng)1∶25功分器功分后，每一路信號(hào)通過(guò)30 dB定向耦合器耦合進(jìn)入對(duì)應(yīng)接收通道，然后進(jìn)入接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各子陣接收通道信號(hào)的幅相定標(biāo)。

圖1　定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)工作原理

2波導(dǎo)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

從圖1可以看出，整個(gè)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)由24個(gè)3 dB電橋、1個(gè)24∶1合路器、1個(gè)1∶25功分器、25個(gè)30 dB定向耦合器和50個(gè)接口器件組成?；趥鬏敁p耗考慮，定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在考慮了功率容量、重量和加工等因素之后，波導(dǎo)口徑選用非標(biāo)尺寸(4.8 mm×2.4 mm)。由此可知，假如用單獨(dú)設(shè)計(jì)的分立器件構(gòu)建這一網(wǎng)絡(luò)，不僅存在重量、體積和裝配等機(jī)械問(wèn)題，而且存在接口之間電磁泄漏風(fēng)險(xiǎn)和引入的多次反射問(wèn)題。因此，在充分考慮現(xiàn)代加工水平的基礎(chǔ)上，對(duì)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)擬采用一體化設(shè)計(jì)和整體加工的方法實(shí)現(xiàn)。對(duì)于多通道信號(hào)標(biāo)定網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，使用中最基本的要求是工作頻帶內(nèi)信號(hào)幅度平坦和通道間一致性好。下面對(duì)組成這一網(wǎng)絡(luò)的主要器件的設(shè)計(jì)和整體仿真結(jié)果進(jìn)行描述。

2.1H面T型結(jié)

根據(jù)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)布局和通道間距等要求，24∶1合路器和1∶25功分器是采用帶有補(bǔ)償元件的H面T型結(jié)[10]級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)的，如圖2所示。

圖2　H面T型結(jié)功率分配器

這種T型接頭最大的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)調(diào)整金屬匹配塊偏離中心的位置方便地實(shí)現(xiàn)不同的功率分配，端口在寬帶范圍內(nèi)獲得很低的駐波性能和平坦功分性能，且加工方便。設(shè)計(jì)中利用HFSS仿真軟件不斷優(yōu)化匹配快的寬度ws和長(zhǎng)度Ls參數(shù)，使兩臂輸出的功率分配比、平坦度和總口駐波比在寬頻帶內(nèi)達(dá)到最佳。經(jīng)優(yōu)化后得到二等分HT功率分配器的各結(jié)構(gòu)參數(shù)值為ws=0.8 mm，Ls=2.25 mm，a=4.8 mm和wa=5 mm。

2.2波導(dǎo)定向耦合器

為了在寬頻帶內(nèi)獲得平坦的耦合度和具有好的定向性，并考慮到定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)構(gòu)尺寸限制，30 dB定向性耦合器擬采用波導(dǎo)寬邊開(kāi)圓孔(加工方便)的切比雪夫耦合器實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

圖3　4孔切比雪夫耦合器

根據(jù)文獻(xiàn)給出多孔切比雪夫定向耦合器設(shè)計(jì)公式[11]：

(1)

C=-20lg|Kf|-20lgS|θ=0=

-20lg|Kf|-20lgk-20lg|TN(secθm)| dB，

(2)

D=-C-20lg|Kb|-20lgS=

(3)

Dmin=20lgTN(secθm) dB。

(4)

式中，θ=βd=2πd/λ；k和θm是待定常量；Dmin為通帶內(nèi)方向性的最小值。根據(jù)孔耦合理論分析可知，當(dāng)小孔位置s=a/4時(shí)耦合最強(qiáng)，N=3，D=25，C=30 dB，有

由式(1)、式(2)、式(3)和式(4)計(jì)算得出各耦合孔的半徑r1=0.76 mm，r2=1.2 mm，然后將這些值作為仿真的初始值，利用HFSS仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化，這主要是上述理論公式的運(yùn)用并未考慮電磁波在小孔中傳播的衰減，最終得到r1=0.8 mm，r2=1.4 mm。

2.3寬邊裂縫電橋

為了確保定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)天線子陣輸入端口在寬頻帶內(nèi)低駐波和功分比的平坦特性，并考慮結(jié)構(gòu)布局和加工因素，定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的3 dB電橋采用如圖4所示的寬邊裂縫耦合電橋。

圖4　寬邊耦合裂縫電橋

該電橋具有結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，且在20%的帶寬內(nèi)具有良好的阻抗特性和隔離度。根據(jù)寬邊裂縫電橋設(shè)計(jì)公式：

(5)

計(jì)算得到裂縫長(zhǎng)度L的初始值，然后通過(guò)調(diào)整裂縫的寬度w和長(zhǎng)度L優(yōu)化出所滿足低駐波、高隔離和平坦的3 dB耦合量要求的性能。

3一體化網(wǎng)絡(luò)仿真設(shè)計(jì)

在完成定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中3個(gè)主要器件設(shè)計(jì)后，根據(jù)工作原理圖和實(shí)際使用要求，完成了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的整體布局設(shè)計(jì)，如圖5所示。然后在HFSS仿真軟件中建立模型，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行分析和優(yōu)化。仿真時(shí)所有輸入輸出接口采用同軸波導(dǎo)變換，并在3 dB電橋和定向耦合器隔離端口加入吸收塊。實(shí)際中吸收塊的結(jié)構(gòu)和固定方式如圖6所示。

圖6　吸收塊放置示意

3.1仿真結(jié)果

在仿真過(guò)程中，根據(jù)所得到的各端口電性能，并結(jié)合觀察場(chǎng)分布，適當(dāng)微調(diào)部分尺寸，最終結(jié)果如圖7、圖8、圖9、圖10和圖11所示。

圖7中，實(shí)線為24個(gè)輸入口的VSWR仿真值，虛線為耦合定標(biāo)口的VSWR仿真值。圖8中，實(shí)線為24個(gè)200 MHz輸出口的VSWR值，虛線為700 MHz輸出口的VSWR值。

圖7　X01G～25G端口的VSWR曲線

圖8　X26G～50G端口的VSWR曲線

由圖7和圖8可以看出，各輸入口、輸出口和定標(biāo)口均實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，VSWR<1.55。

24個(gè)輸入口到24個(gè)200 MHz輸出口傳輸特性如圖9所示。由圖9可以看出，在通頻帶內(nèi)各輸入口到輸出口的插入損耗范圍為-3.5～-2.65 dB，帶內(nèi)起伏<±0.5 dB，端口一致性<±0.1 dB。

圖9　X01G～24G到X26G～X49G直通特性

700 MHz端口到子陣輸入端口的傳輸特性曲線如圖10所示。由圖10可以看出，工作頻帶內(nèi)插入損耗范圍為-17.3～-16.1 dB，帶內(nèi)起伏<±0.3 dB,端口間一致性<±0.3 dB。

圖10　X50G到X01G～24G傳輸特性

耦合定標(biāo)口到200 MHz輸出口傳輸特性曲線如圖11所示。由圖11可以看出，通頻帶內(nèi)插入損耗范圍為-46.4～-44.8 dB，帶內(nèi)起伏小于±1 dB,端口間一致性小于±1 dB。

圖11　X25G到X26G～49G傳輸特性

3.2實(shí)物加工

由于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)工作在毫米波段，所以結(jié)構(gòu)尺寸的加工精度對(duì)其性能十分敏感，并且任何縫隙都對(duì)性能有很大影響。因此，一體化加工的波導(dǎo)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)可以規(guī)避這些問(wèn)題。實(shí)際工藝分為3層零件加工，主體結(jié)構(gòu)采用上下兩面數(shù)控銑成型，然后與上下蓋板焊接成一體，加工零件圖如圖12所示。

圖12　一體化網(wǎng)絡(luò)加工零件

4結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了一種一體化波導(dǎo)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中巧妙地利用了3 dB電橋，在寬頻帶內(nèi)不僅實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)的等分，解決了布局的難題，而且實(shí)現(xiàn)了全端口阻抗匹配并有效地改善了端口一致性。仿真結(jié)果表明，所有性能指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求。該一體化波導(dǎo)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)在機(jī)載Ka頻段SAR系統(tǒng)方面已經(jīng)得到了應(yīng)用，其設(shè)計(jì)方法也可以作為其他RF定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的參考。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.20

收稿日期：2016-03-28

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61371022)。

中圖分類(lèi)號(hào)TN015

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)07-0076-04

作者簡(jiǎn)介

薛玲瓏女，(1985—)，碩士，工程師。主要研究方向：天饋線的設(shè)計(jì)。

于守江男，(1984—)，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：雷達(dá)總體設(shè)計(jì)。

Design of Ka-band Integrated Waveguide Calibration Network

XUE Ling-long,YU Shou-jiang,YANG Jia-hong,HAN Wei-qiang,SUN Zhu

(ShanghaiAerospaceElectronicsandCommunicationEquipmentResearchInstitute,Shanghai201109,China)

AbstractAn integrated design of waveguide calibration network is presented for the application of phased array.The design effectively mitigates the electromagnetic leakage and poor inter-channel consistency which are common in complex multi-channel transmission systems.The integrated network consists of three types of passive components,power divider (mixer),directional coupler and 3 dB Hybrid.The integrated calibration network is modeled and simulated by Ansoft HFSS.As the simulated results show,all ports show good performance in terms of signal flatness,phase stability and impedance match.The waveguide calibration network is well distributed and easy to fabricate.

Key wordspower divider (mixer);directional coupler;3 dB Hybrid;integrated design

引用格式：薛玲瓏,于守江,陽(yáng)家宏,等.Ka波段波導(dǎo)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的一體化設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2016,46(7):76-79.