大口徑天線校正網(wǎng)絡(luò)中功率和相位分析

戈海清,馮文文,王惠生,賴清華

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥230088)

大口徑天線校正網(wǎng)絡(luò)中功率和相位分析

戈海清1,2,馮文文1,2,王惠生1,2,賴清華1,2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥230088)

校正網(wǎng)絡(luò)分析一般只考慮其發(fā)射校正和接收校正工作狀態(tài),但對(duì)于大口徑陣面天線的情況,由于陣面口徑大,除了校正狀態(tài)外,在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)時(shí),也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各通道饋電口的相位相差很大,甚至?xí)霈F(xiàn)反相的情況。所以在設(shè)計(jì)校正網(wǎng)絡(luò)時(shí),就必須論證整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)存在的各種工作狀態(tài)對(duì)校正網(wǎng)絡(luò)的影響,避免出現(xiàn)校正網(wǎng)絡(luò)內(nèi)局部承受功率過大而燒毀網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)象。利用ADS軟件建立電路模型,進(jìn)行分析雷達(dá)系統(tǒng)各種工作狀態(tài)時(shí),校正網(wǎng)絡(luò)中功率和相位的分布。通過仿真分析,可以清晰地掌握校正網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各處承受功率的情況,有效地提高了校正網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)可靠性。分析結(jié)果準(zhǔn)確、可靠、有效。

校正網(wǎng)絡(luò);耦合器;功率;相位

0 引言

有源相控陣天線由于各個(gè)通道的不一致性,以及制造、裝配公差和環(huán)境變化的因素會(huì)造成天線口徑的幅度和相位誤差,所以需要對(duì)相控陣天線進(jìn)行檢測(cè)和校正。通過校正補(bǔ)償,使天線口徑的幅度和相位分布滿足設(shè)計(jì)的要求[1-2]。

天線口徑的幅度和相位校正是通過校正網(wǎng)絡(luò)來完成的。在天線掃描過程中,不同的波束指向時(shí),需各通道的輸出相位不同,這樣就造成功分饋電網(wǎng)絡(luò)的各輸入端饋入的相位不同,有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)兩個(gè)饋入端反相的情況,造成功分網(wǎng)絡(luò)的合成功率全部加載在隔離電阻上,引起電阻燒毀。特別是在大口徑天線的情況下,由于天線口徑的增大,整個(gè)校正網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)子陣的射頻連接電纜長度也不同,各饋電點(diǎn)的相位差異就更明顯。所以在設(shè)計(jì)大口徑天線的校正網(wǎng)絡(luò)時(shí),必須考慮各種可能情況,充分地分析網(wǎng)絡(luò)中各點(diǎn)的功率和相位分布。

1 校正網(wǎng)絡(luò)組成

校正網(wǎng)絡(luò)通常由耦合器和功分饋電網(wǎng)絡(luò)組成[3]。發(fā)射通道校正時(shí),各發(fā)射通道通過耦合器耦合一部分能量,經(jīng)由功分饋電網(wǎng)絡(luò)送到校正分機(jī),由校正分機(jī)輸出數(shù)據(jù)到信號(hào)處理系統(tǒng),完成幅度和相位校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的計(jì)算。發(fā)射校正一般采用各單元逐個(gè)校正的方法,所以在整個(gè)校正網(wǎng)絡(luò)中只有一路信號(hào),功率也相對(duì)較小。接收通道校正時(shí),校正分機(jī)輸出一個(gè)射頻信號(hào),通過功分饋電網(wǎng)絡(luò)送到耦合器,接收通道通過耦合器的能量耦合,接收一部分能量,經(jīng)由接收通道輸出數(shù)據(jù)到信號(hào)處理系統(tǒng),完成幅度和相位校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的計(jì)算。接收校正時(shí),在校正網(wǎng)絡(luò)中功分網(wǎng)絡(luò)是同相分配的。本文主要討論在天線掃描時(shí),校正網(wǎng)絡(luò)中的功率和相位的分布情況。

圖1為一個(gè)典型的天線內(nèi)校正形式的校正網(wǎng)絡(luò)示意圖。在圖中,由于天線陣面比較大,被分為12個(gè)子陣進(jìn)行拼接。分析整個(gè)陣面校正網(wǎng)絡(luò)中的功率和相位分布時(shí),必須從單個(gè)天線單元饋入的功率和相位進(jìn)行計(jì)算,而且需考慮到整個(gè)雷達(dá)出現(xiàn)的各種工作狀態(tài)。

圖1 校正網(wǎng)絡(luò)示意圖

2 數(shù)字陣列模塊(DAM)內(nèi)耦合網(wǎng)絡(luò)分析

圖2為DAM的內(nèi)部組成示意圖。一個(gè)DAM內(nèi)部含有14個(gè)通道,T/R組件通過電橋給天線單元饋電。在T/R組件和電橋之間加入一個(gè)耦合網(wǎng)絡(luò)用于提取每個(gè)通道的校正信號(hào)。若中心頻率為440 MHz,單個(gè)T/R組件輸出功率為120 W,按照10%的占空比工作,耦合網(wǎng)絡(luò)的耦合度為30 dB,則每個(gè)通道耦合到校正通道的功率計(jì)算為

當(dāng)天線在方位向±60°掃描時(shí),各單元在空間的相位差為

式中,L為單元之間的間距,λ0為波長,θ0為波束指向。

所以在天線掃描時(shí),每一個(gè)通道耦合到主校正通道的功率表述為

對(duì)于圖2所示的14路耦合網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)耦合后串饋到校正通道的耦合口,以第一路歸一后,則在耦合口疊加后的總功率[4-5]可表述為

圖2 DAM內(nèi)部示意圖

利用ADS軟件建立電路模型,可以對(duì)每個(gè)DAM模塊內(nèi)耦合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電路仿真。圖3、圖4是天線方位向掃描±60°時(shí),通過ADS仿真得到的第一個(gè)DAM01耦合口的輸出功率和端口相位。從圖中可以看出,DAM01耦合端口輸出的功率最大為0.15 W,而不同的掃描角,合成的相位各不相同。同樣,在ADS電路模型中按照各饋電單元的排列位置,調(diào)整各單元饋入的相應(yīng)相位,就可以計(jì)算出DAM02～DAM72模塊內(nèi)耦合網(wǎng)絡(luò)的輸出功率和端口相位。

圖3 DAM01內(nèi)耦合口功率

3 子陣內(nèi)網(wǎng)絡(luò)分析

1個(gè)子陣包含1個(gè)1∶6功分網(wǎng)絡(luò)和6個(gè)DAM模塊。如圖5所示,根據(jù)陣面的位置排列,子陣內(nèi)1∶6功分網(wǎng)絡(luò)左邊3個(gè)DAM的耦合端口輸出是等幅同相的。同樣,右邊3個(gè)DAM的耦合端口輸出也是等幅同相的。但左右兩邊DAM耦合口的輸出相位不同。

一個(gè)理想的二等分Wilkinson功分器,作功率合成時(shí)[6-7],設(shè)兩個(gè)輸入端的信號(hào)分別為U1cosθ1,U2cosθ2,U1,U2分別為其端口幅度,θ1,θ2分別為其端口相位。則在總口輸出的信號(hào)為

而在隔離電阻R上損失的信號(hào)為

圖5 子陣內(nèi)部示意圖

從以上兩式可以看出,當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)等幅同相時(shí),其總口輸出功率最大,而隔離電阻上無功率損耗;當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)等幅反相時(shí),其總口無功率輸出,而功率全部損耗在隔離電阻上。

利用前面建立的每個(gè)DAM內(nèi)部耦合網(wǎng)絡(luò)的ADS電路模型,作為子陣內(nèi)1∶6功分網(wǎng)絡(luò)的輸入激勵(lì),可以得到相應(yīng)子陣的ADS電路模型。當(dāng)天線在方位向進(jìn)行±60°掃描時(shí),通過ADS軟件對(duì)子陣進(jìn)行仿真,得到如圖6、圖7所示的子陣1中耦合校正網(wǎng)絡(luò)的輸出功率和端口相位。

圖6 子陣1內(nèi)輸出端口功率

圖7 子陣1輸出端口相位

在圖6中,兩條曲線分別為子陣內(nèi)1∶6功分網(wǎng)絡(luò)總口輸出的功率和子陣內(nèi)1∶6功分網(wǎng)絡(luò)左右各單邊3個(gè)DAM耦合輸出口合成的功率。從圖中可以看出,由于子陣內(nèi)1∶6功分網(wǎng)絡(luò)左右兩邊合成的相位不同,造成子陣內(nèi)1∶6功分網(wǎng)絡(luò)總口的功率不是完全左右兩邊疊加,而有一部分功率損失。這一部分損失的功率,是由于左右兩邊存在相位差,而耗散在子陣內(nèi)1∶6功分網(wǎng)絡(luò)總口的隔離電阻R上。其電阻R上耗散的功率如圖8所示。

圖8 子陣1內(nèi)部R上的功率

從圖中可以看到,天線方位向掃描±60°時(shí),電阻上最大需要承受0.45 W的功率。所以在設(shè)計(jì)子陣中1∶6功分網(wǎng)絡(luò)時(shí),就要考慮隔離電阻的最大耐功率情況,至少要留有3 dB的余量。其他子陣中功率和相位的仿真分析,只需要改變子陣內(nèi)1∶6功分網(wǎng)絡(luò)端口所接的相應(yīng)DAM內(nèi)耦合網(wǎng)絡(luò)電路模型作為激勵(lì),就可以得到相應(yīng)子陣內(nèi)校正網(wǎng)絡(luò)的功率和端口相位的仿真結(jié)果。

4 陣面內(nèi)網(wǎng)絡(luò)分析

整個(gè)天線陣面的校正網(wǎng)絡(luò)包含1個(gè)1∶2功分網(wǎng)絡(luò)、2個(gè)1∶6功分網(wǎng)絡(luò)、12個(gè)子陣。在陣面中,因?yàn)樘炀€的陣面尺寸比較大,各子陣距離陣面中1∶6功分網(wǎng)絡(luò)的距離相差比較大。考慮重量和成本的關(guān)系,各子陣連接至陣面中1∶6功分網(wǎng)絡(luò)之間的射頻電纜長度L3～L14也相差較大。所以,在作陣面校正網(wǎng)絡(luò)仿真時(shí),不僅要考慮各子陣中校正網(wǎng)絡(luò)的端口相位不同,還需要考慮中間連接的射頻電纜L3～L14的相位和插損。整個(gè)天線陣面校正網(wǎng)絡(luò)的仿真電路圖如圖9所示。

如圖9所示,在每個(gè)子陣和陣面中1∶6功分網(wǎng)絡(luò)之間都插入了一個(gè)衰減器和移相器,模擬射頻電纜的損耗和插入相位,其中陣面中1∶6功分網(wǎng)絡(luò)左右兩邊的射頻電纜長度相互對(duì)稱。當(dāng)天線在方位向進(jìn)行±60°掃描時(shí),通過ADS軟件進(jìn)行仿真,得到陣面中校正網(wǎng)絡(luò)各點(diǎn)的功率和相位分布仿真結(jié)果。圖10為陣面中兩個(gè)1∶6功分網(wǎng)絡(luò)的總口和其內(nèi)部1∶3功分網(wǎng)絡(luò)總口的輸出功率,其端口輸出功率最大為1.5 W。圖11為陣面中1∶6功分網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各隔離電阻上耗散的功率。由于各端口饋入的相位不同,所以輸入的功率并沒有全部從總口輸出,而有一部分耗散在內(nèi)部隔離電阻上。從圖11中可以看到,在陣面中1∶6功分網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的隔離電阻上最大要承受1.5 W的功率。

圖9 陣面校正網(wǎng)絡(luò)電路圖

圖10 陣面中1∶6功分網(wǎng)絡(luò)輸出功率

圖11 陣面中1∶6功分網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各電阻承受功率

圖12為校正網(wǎng)絡(luò)中1∶2功分網(wǎng)絡(luò)的輸出功率,其端口輸出功率最大為0.8 W。圖13為1∶2功分網(wǎng)絡(luò)中隔離電阻上的耗散功率,其最大值為1.4 W。所以,在設(shè)計(jì)整個(gè)校正網(wǎng)絡(luò)時(shí),就需要考慮功分網(wǎng)絡(luò)中的隔離電阻最大需要承受1.5 W的功率。校正網(wǎng)絡(luò)的總口輸出功率比各子陣的輸出功率小,主要是由于引入了射頻電纜的插損以及因各子陣的輸出相位不同,而有部分功率損耗在功分網(wǎng)絡(luò)的隔離電阻上。

圖12 陣面中1∶2功分網(wǎng)絡(luò)的輸出功率

圖13 陣面中1∶2功分網(wǎng)絡(luò)內(nèi)電阻承受功率

5 結(jié)束語

本文基于ADS仿真軟件建立的校正網(wǎng)絡(luò)仿真電路模型,分析校正網(wǎng)路中的功率和相位分布。通過仿真分析,可以詳細(xì)地得到整個(gè)校正網(wǎng)絡(luò)中各點(diǎn)的功率和相位分布情況,從而為校正網(wǎng)絡(luò)的電訊設(shè)計(jì)提供可靠性保障。此方法也可以應(yīng)用于其他射頻饋電系統(tǒng)的分析,簡(jiǎn)單、實(shí)用、有效性高。

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Analysis of Power and Phase in Large Aperture Array Antenna Calibration Network

GE Haiqing1,2,FENG Wenwen1,2,WANG Huisheng1,2,LAI Qinghua1,2
(1.The38th Research Institute of CETC,Hefei230088,China;2.Key Laboratory of Aperture Array and Space Application,Hefei230088,China)

Only the working states of the transmitting calibration and receiving calibration are considered in calibration network analysis generally.But for large aperture array antenna,the phase difference between the feed ports is big and even up to 180 degrees under the normal working condition besides the calibrating state.Therefore,in order to avoid burning the network by the large internal power,the affections of various working states of the whole radar system on the calibration network has to take into account.In this paper,the circuit model is built by using ADS software and the analysis of power and phase distributions in the network is made under various working conditions.The simulation and analysis results show the internal power handling of the calibration network.This offers a reference to the improvement design of the calibration network,which can improve the design reliability of the calibration network effectively.The results of the analysis are accurate,reliable and effective.

calibration network;coupler;power;phase

TN819.1

A

1672-2337(2017)01-0103-05

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.01.019

2016-06-06;

2016-10-08

戈海清男,1977年生,江西新干人,中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所工程師,主要從事微波天饋系統(tǒng)方面的研究。E-mail:gehaiqing@sohu.com

馮文文男,1984年生,安徽碭山人,中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所高級(jí)工程師,主要從事微波天饋系統(tǒng)方面的研究。

王惠生男,1982年生,河北承德人,中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所高級(jí)工程師,主要從事微波天饋系統(tǒng)方面的研究。