多層帶狀線和差一體化網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)

李麗嫻，邵曉龍，陳冬宇，黃　一，劉建鋒

(上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109)

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多層帶狀線和差一體化網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)

李麗嫻，邵曉龍，陳冬宇，黃一，劉建鋒

(上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109)

針對相控陣天線復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)問題，介紹了一種多層帶狀線和差一體化網(wǎng)絡(luò)的工程實現(xiàn)方法。網(wǎng)絡(luò)采用多層和差一體化設(shè)計理念，與傳統(tǒng)的和差網(wǎng)絡(luò)設(shè)計相比，消減了金屬盒體和同軸電纜的使用，有效地解決了傳統(tǒng)復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)形式。通過對寬帶和差器和威爾金森功分器的獨立設(shè)計，結(jié)合同軸電連接器的使用，使在該網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)迫饋電下的天線陣在20%的工作頻帶內(nèi)獲得了和波束副瓣電平<-30dB，差波束副瓣電平<-20dB的低副瓣特性。網(wǎng)絡(luò)具有集成度高、可靠性高和成本低的特點，目前已成功應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)天線。

多層帶狀線結(jié)構(gòu)；和差器；饋電網(wǎng)絡(luò)；低副瓣電平

0　引言

饋電網(wǎng)絡(luò)是相控陣天線實現(xiàn)波束形成、速掃描的關(guān)鍵[1]。傳統(tǒng)相控陣天線實現(xiàn)和差波束的方法是先將和、差波束形成通道分開，通過和差器和功分器的多級連接，形成相控陣天線的和差波束，這將會使大型單脈沖相控陣天線的強(qiáng)迫饋電網(wǎng)絡(luò)[2]非常復(fù)雜，甚至在工程上不可實現(xiàn)。

為了簡化相控陣天線強(qiáng)迫饋電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，理論上可以采用和差一體化網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)天線的和差波束[3]。目前的文獻(xiàn)大都只涉及到一體化和差網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的理論分析[4],本文介紹了一種多層帶狀線和差一體化網(wǎng)絡(luò)的工程實現(xiàn)方式，設(shè)計中采用改進(jìn)的三分支電橋加寬帶90°移相器實現(xiàn)寬帶和差器，通過同軸連接器的選擇實現(xiàn)帶狀線電路之間的級聯(lián)，使24單元天線在該網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)迫饋電下，在20%的帶寬內(nèi)實現(xiàn)了和差波束的低副瓣特性，且該網(wǎng)絡(luò)具有集成度高、成本低和可靠性強(qiáng)的特點。

1　總體設(shè)計方案

傳統(tǒng)設(shè)計中，為了獲得和差波束的低副瓣特性，對饋電網(wǎng)絡(luò)通常需要進(jìn)行幅度加權(quán)，根據(jù)工程經(jīng)驗，一般和通道采用Chebyshev加權(quán)，差通道采用Bayliss加權(quán)較為適宜。通過二者幅度分布曲線圖不難發(fā)現(xiàn)，和差分布有近70%單元的分布趨勢是一致的。和差一體化網(wǎng)絡(luò)主要是利用一部分差饋電網(wǎng)絡(luò)與和饋電網(wǎng)絡(luò)共用的特點，即將一半和分布反相，另一半保持不變，并對其中的2m個單元進(jìn)行幅度調(diào)整，可得到差分布[5]。這2m個單元是差饋電網(wǎng)絡(luò)的獨立部分，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整幅度可有效地改善差通道性能。但由于和、差分布大部分共用，通常為兼顧差波束性能，需要犧牲一些和波束性能，關(guān)鍵是要能找到一個滿足性能指標(biāo)的折中選擇。

本文設(shè)計了一個24單元的和差一體化饋電網(wǎng)絡(luò)。通過綜合考慮網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和工程實現(xiàn)難易程度，對和通道中間的10個單元進(jìn)行2組幅度衰減，調(diào)整這2組幅度的衰減值，獲得良好的差通道性能，該網(wǎng)絡(luò)和差波束的幅度分布曲線如圖1所示。工程中，不等功分采用威爾金森功分器來實現(xiàn)，和、差分布的相位反相則通過和差器實現(xiàn)。

圖1　和差網(wǎng)絡(luò)幅度分布

2　關(guān)鍵技術(shù)

2.1寬帶和差器的實現(xiàn)

和差器的設(shè)計是和差一體化網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)中重要的環(huán)節(jié)。常見的和差器可以用1.5混合環(huán)和混合環(huán)[6]，本文采用帶狀線三分支定向耦合器加90° schiffman移相器實現(xiàn)寬帶和差器。通常兩分支耦合器的帶寬較窄影響其使用，為展寬帶寬，采用三分支定向耦合器，schiffman移相器是利用U形彎耦合線引入附加相移，通過奇耦模分析法可以得到U形彎耦合線相移φ與平行線電長度θ的關(guān)系式：

(1)

(2)

由式(1)和式(2)可知，改變線的耦合系數(shù)K，可改變該附加相移。因為一個U形口難實現(xiàn)90°的相移，為此可考慮M形走線可相當(dāng)于3個U形耦合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)寬帶的90°耦合。

將三分支定向耦合器和90° schiffman移相器相結(jié)合實現(xiàn)和差器，示意圖如圖2所示，其中端口1為和口，端口2為差口，端口3和端口4為輸入口。利用HFSS對此進(jìn)行仿真優(yōu)化，實物加工，實測得到各個端口的駐波曲線，如圖3所示，所有端口的駐波均小于2，和、差通道到2個輸入口的插入損耗曲線如圖4所示。

圖2　寬帶和差器示意

圖3　和差器駐波曲線

圖4　和差器插入損耗

2.2多層帶狀線

根據(jù)圖1給出的和差饋電網(wǎng)絡(luò)幅度分布曲線可得到功分網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，如圖5所示，其中實線部分為和差波束共用部分，只是采用和差器進(jìn)行相位反相，虛線部分為2組幅度衰減部分，每組中間都采用一個和差器進(jìn)行相位反相。

圖5　和差一體化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過布線發(fā)現(xiàn)，若采用單層印制板進(jìn)行電路設(shè)計會出現(xiàn)饋線干涉，不能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計；若采用多個盒體電纜連接的方式[7]，提高了網(wǎng)絡(luò)的繁冗程度，還增加了成本；若采用多層板直接加工工藝，復(fù)雜了加工工藝，增加加工成本，為此在本設(shè)計中采用同軸連接器在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)多層印制板板間級聯(lián)，實現(xiàn)一體化網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。

和差一體化網(wǎng)絡(luò)的具體電路圖如圖6所示，根據(jù)圖1的幅度值采用威爾金森功分器進(jìn)行設(shè)計[8]，和差器采用上述的寬帶和差器，3處圈出處為采用同軸電連接器進(jìn)行板間級聯(lián)。

圖6　和差一體化網(wǎng)絡(luò)電路

3　應(yīng)用結(jié)果分析

工程最終實現(xiàn)的和差一體化網(wǎng)絡(luò)如圖7所示，印制板安裝于殼體兩側(cè)，上下垂直放置，通過使用安裝在殼體上的同軸連接器互連互通，形成多層帶狀線結(jié)構(gòu)。

圖7　和差一體化網(wǎng)絡(luò)實物

實測獲得各個端口的幅相分布，并編程計算可得到由該網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)饋得到的陣列天線和、差方向圖，如圖8所示，和方向圖的副瓣電平SLL<-30dB，差方向圖的副瓣電平<-20dB。

和差一體化網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了天線陣低副瓣的特性，且與傳統(tǒng)和、差饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計相比，該網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)陣面的低副瓣特性只需網(wǎng)絡(luò)到天線的24根電纜和一個金屬網(wǎng)絡(luò)盒體，而傳統(tǒng)的設(shè)計需要通過48根電纜和多個金屬網(wǎng)絡(luò)盒體間的相互級聯(lián)才能實現(xiàn)。為此，在工程實現(xiàn)上，該設(shè)計有效降低了饋電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，控制成本，實現(xiàn)小型化。

圖8　和差方向圖

4　結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了一種多層帶狀線和差一體化網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方法，重點是對和差幅度分布中共用單元及獨立單元的幅度進(jìn)行理論分析，并設(shè)計了VSWR<1.2、相對帶寬20%的寬帶和差器。網(wǎng)絡(luò)采用同軸連接器實現(xiàn)多層帶狀線板間級聯(lián)，拋棄了同軸電纜的使用，減少了金屬盒子的數(shù)量，實現(xiàn)了天饋線系統(tǒng)的小型化、輕量化。網(wǎng)絡(luò)已完成工程研制，通過實物測試，獲得在此和差一體化網(wǎng)絡(luò)饋電下的天線陣的和波束副瓣電平<-30dB，差波束的副瓣電平<-20dB，具有低副瓣的特性，該設(shè)計方法已成功應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)的研制。

[1]張光義.相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001.

[2]束咸榮，何炳發(fā)，高鐵.相控陣?yán)走_(dá)天線[M].北京：國防工業(yè)出版社,2007.

[3]黃建軍，李渠塘.一種新穎的寬帶和差模波束形成系統(tǒng)[J].無線電工程，1997，27(4)：5-9.

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[6]張肇儀，周樂柱.微波工程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2007.

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[8]張文梁，丁春艷.多路寬帶帶狀線功率分配器設(shè)計分析[J].無線電工程，2012，42(7)：59-61.

李麗嫻女，(1986—)，碩士，工程師。主要研究方向：天饋線的設(shè)計。

邵曉龍男，(1988—)，碩士，工程師。主要研究方向：天饋線的設(shè)計。

Realization of Multilayer Stripline Sum-difference Unified Network

LI Li-xian,SHAO Xiao-long,CHEN Dong-yu,HUANG Yi,LIU Jian-feng

(ShanghaiAerospaceElectronicsandCommunicationEquipmentResearchInstitute，Shanghai201109)

To address the issue of complex feeding network in phased array antenna,an engineering realization method of multilayer stripline sum-difference unified network is introduced in this paper.The design concept of multilayer sum-difference unification is used in the network which can reduce the complexity of feeding network with reduced use of metal cavity and coaxial cable as compared with traditional sum-difference network.By a separate design of the wideband sum-difference network and theWilkinson divider as well as the use of coaxial connector,the sum beam sidelobe level is reduced to -30dB and the difference beam sidelobe level -20dB in 20% operating frequency band,which means a low sidelobe characteristic is realized in antenna array.Thishigh-integration,high-reliability and low-cost networkhas already been applied to phased array antenna successfully.

multilayer stripline;sum-difference network;feeding network;low sidelobe level

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.17

2016-05-06

上海航天技術(shù)研究院核攀基金資助項目(ZY2014-023)。

TN015

A

1003-3106(2016)09-0066-03

引用格式：李麗嫻,邵曉龍,陳冬宇,等.多層帶狀線和差一體化網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)[J].無線電工程,2016,46(9):66-68.