艦載雷達(dá)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的耐功率分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)

張 園,奚松濤,顧振飛

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210046;2.南京電子技術(shù)研究所,江蘇 南京 210013)

0 引 言

相控陣艦載雷達(dá)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)既可用作艦載雷達(dá)單個(gè)通道判故、通道幅度和相位的修調(diào),也可用作整個(gè)陣面發(fā)射功率總和的監(jiān)測[1]。當(dāng)艦載雷達(dá)T/R組件單通道工作時(shí),可以通過定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)判斷單個(gè)通道工作是否正常;當(dāng)艦載雷達(dá)T/R組件全部工作時(shí),T/R組件耦合的信號通過定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的功率合成器合成輸出[2],對合成輸出功率進(jìn)行檢測,就可以評估整個(gè)艦載雷達(dá)系統(tǒng)的工作狀態(tài)[3]。文獻(xiàn)[4]、[5]均強(qiáng)調(diào)了艦載雷達(dá)各通道幅相一致性誤差監(jiān)測校正的重要性。

艦載雷達(dá)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的功率合成器一般是等幅同相的,當(dāng)合成器各輸入端輸入的信號幅度或者相位不等時(shí),合成器的隔離電阻就會吸收一部分功率[6]。如果隔離電阻因無法承受所吸收的功率而損壞,定標(biāo)合成器的性能將下降,這將會影響艦載雷達(dá)波束形成和目標(biāo)的測角精度[7]。在艦載雷達(dá)發(fā)射掃描狀態(tài)或非全陣面工作狀態(tài)下,隔離電阻吸收的功率比較大[8],因此在設(shè)計(jì)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的功率合成器時(shí),必須考慮合成器中隔離電阻的耐功率問題,特別是采用膜電阻作為隔離電阻的功率合成器。因?yàn)槟る娮枋且苑阶栊问酱嬖谟陔娐分?同一阻值的電阻可以設(shè)計(jì)成不同的大小,其耐功率也不同[9]。

本文對功率合成器上隔離電阻的吸收功率進(jìn)行分析,給出了不同情況下隔離電阻的功率吸收比例,作為功率合成器設(shè)計(jì)時(shí)隔離電阻耐功率的選擇依據(jù)。提出了一種帶膜電阻的功率合成器的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案,并給出了仿真數(shù)據(jù)。

1 原理分析

以二合一Wilkinson合成器為基本單元的合成網(wǎng)絡(luò),可以把每個(gè)二合一單元考慮為如圖1所示的三端口網(wǎng)絡(luò),端口處的匹配阻抗分別為Z1、Z2。

圖1 二合一合成器示意圖

網(wǎng)絡(luò)消耗的功率PL可由給網(wǎng)絡(luò)施加的功率P+和從網(wǎng)絡(luò)流出的功率P-求出,為:

PL=P+-P-

(1)

若忽略功分器中導(dǎo)體和介質(zhì)損耗,則PL可理解為隔離電阻的吸收功率。下面主要討論功率合成情況下無耗網(wǎng)絡(luò)隔離電阻的吸收功率問題。

(2)

(3)

可以計(jì)算得到:

(4)

所以隔離電阻吸收功率為:

PL=(P2++P3+)-(P1-+P2-+P3-)

(5)

理想情況下,三端口完全匹配且端口2、3完全隔離時(shí),有:

(6)

2 實(shí)例分析

2.1 二合一等分合成器隔離電阻吸收功率分析

二合一等分合成器可以表示成如圖2所示的三端口網(wǎng)絡(luò),理想情況下其散射矩陣為:

圖2 二合一等分功分器示意圖

(7)

當(dāng)給端口2、3分別施加信號電壓V2、V3時(shí),由式(6)可得隔離電阻吸收功率為:

(8)

討論幾個(gè)特殊情況:

(9)

(10)

圖3給出了隔離電阻吸收功率比隨相位差的變化曲線。

圖3 等分合成器隔離電阻吸收功率比隨輸入信號相位差變化關(guān)系

2.2 二合一不等分合成器隔離電阻吸收功率分析

二合一不等分合成器可以表示成如圖4所示的三端口網(wǎng)絡(luò),端口2、3輸出功率比為K2。當(dāng)加上1/4波長變換器將端口2、3阻抗變換為Z0后,三端口網(wǎng)絡(luò)又可表示成如圖5所示的形式。

圖4 二合一不等分合成器示意圖

圖5 變換后二合一不等分合成器示意圖

理想情況下其散射矩陣為:

(11)

當(dāng)給端口2、3分別施加信號電壓V2、V3時(shí),由式(6)可得隔離電阻吸收功率:

(12)

討論幾個(gè)特殊情況:

(13)

(14)

(15)

圖6給出了K2=2時(shí)隔離電阻吸收功率比隨相位差的變化曲線。

圖6 不等分合成器隔離電阻吸收功率比隨輸入信號相位差變化關(guān)系

2.3 十六合一等分合成器隔離電阻吸收功率分析

由四級一分二等分合成器組成的一分十六等分合成器如圖7所示。

圖7 十六合一等分合成器示意圖

圖8 十六合一合成器各級合成器隔離電阻吸收功率比隨輸入信號相位差變化關(guān)系

3 合成器改進(jìn)設(shè)計(jì)

基于上述理論,對Wilkinson合成器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),改進(jìn)設(shè)計(jì)的帶并聯(lián)電阻隔離網(wǎng)絡(luò)的合成器如圖9所示。圖中P1為合成輸出端,P2和P3為合成輸入端,R為100 Ω膜電阻,G為和膜電阻相連的銅箔,通過金屬化孔接地。該方案在端口連接2個(gè)100 Ω接地電阻,從而將常規(guī)Wilkinson合成器耐功率提高一倍。針對采用膜電阻設(shè)計(jì)的合成器有較大優(yōu)勢,因?yàn)槟る娮璧哪凸β视邢蕖?/p>

圖9 改進(jìn)帶并聯(lián)電阻隔離網(wǎng)絡(luò)的二合一合成器示意圖

并聯(lián)電阻隔離網(wǎng)絡(luò)可以分解成2個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)級聯(lián),其網(wǎng)絡(luò)的A矩陣為網(wǎng)絡(luò)中所級聯(lián)的單個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)A矩陣的乘積,即A=A1,A2,…,AN。

圖10 T型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

當(dāng)R=100 Ω,單個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)A矩陣計(jì)算為:

(16)

(17)

代入計(jì)算為:

(18)

并聯(lián)電阻隔離網(wǎng)絡(luò)A矩陣計(jì)算結(jié)果為:

(19)

改進(jìn)后的合成器的y矩陣可看成是兩分臂構(gòu)成的T網(wǎng)絡(luò)矩陣yT和并聯(lián)電阻隔離網(wǎng)絡(luò)的矩陣yr之和,為:

(20)

(21)

根據(jù)A矩陣和y矩陣關(guān)系,計(jì)算可得:

(22)

要使兩分臂隔離,則必須y21=0;所以當(dāng)R=100 Ω,Z1=Z0時(shí),P2、P3兩分端口相互隔離。

其仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 改進(jìn)二合一合成器仿真曲線

由仿真結(jié)果顯示,改進(jìn)設(shè)計(jì)的合成器各端口反射和隔離優(yōu)于-20 dB,滿足一般使用要求。

該改進(jìn)設(shè)計(jì)將原本1個(gè)100 Ω膜電阻需要承受的功率變成4個(gè)100 Ω來共同承受,如果單個(gè)膜電阻承受的功率相同,那么改進(jìn)的合成器耐功率將是圖7所示合成器的4倍。

4 結(jié)束語