基于新型空氣板線結構的低損耗饋電網絡

韋學科，張華林，朱瑞平

(南京電子技術研究所， 南京 210039)

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·天饋伺系統·

基于新型空氣板線結構的低損耗饋電網絡

韋學科，張華林，朱瑞平

(南京電子技術研究所， 南京 210039)

介紹了一種饋電網絡的構建方法，模塊優化分段原則，并探討了一種新型的饋電網絡結構，該結構形式在空氣板線結構的基礎上演化而來。電路制作在以介質做支撐的基板上，雙面印制電路采用金屬化導通孔實現電磁信號偶模傳輸，該結構形式有空氣板線結構的全部優點，而且易于加工生產。試驗證明網絡損耗滿足預計指標。

空氣板線；低損耗；饋電網絡

0 引 言

雖然目前大多數雷達的工作模式都采用有源相控陣體制，對饋電網絡的損耗不再嚴格要求，但對于無源相控陣雷達及處于發射鏈路末端的饋電網絡來說，低損耗特性還是很有吸引力的。目前的大多數獨立安裝的二次雷達還采用的是固定波束機械掃描空域的工作模式，為達到400 km以上的空域覆蓋，通常要求天線陣面具有27 dB以上的增益。而對于加裝于主雷達上的二次雷達，當主雷達采取了相控陣體制時，如果二次雷達不同步采用相控陣體制，則無法進行空域掃描，探測不到任何目標。數字移相器的引入加大了饋電網絡的損耗，使得天線陣面的增益滿足27 dB的要求變得更困難，增加放大鏈路雖然可以實現此要求，甚至能提供更高的增益，但無疑也增加了系統成本及系統不可靠性。本文在空氣板線的基礎上設計了一種新型的空氣板線結構，并對網絡分配電路的設計進行了優化，使得引入移相器后的饋電網絡的增益仍能滿足27 dB的要求，在維持原雷達探測距離不變的情況下實現空域電掃描。

1 饋電網絡組成

天線陣面口徑為8.4 m×1.65 m，單元數為35×11，其中，俯仰方向為11行，方位方向為35列，采用垂直線極化方式。根據天線波瓣圖的要求，將陣面合成方式設計為先列后行的方式。俯仰列饋的11個單元采用余割平方分布[1]，幅度加權最大15 dB，相位賦形分布。11個單元間距為150 mm，總高度為1 650 mm。每個列饋有1個合成輸出端口，35個列饋的輸出端口用行饋進行再次合成，行網絡需要進行分段設計，分段方法需要根據Σ、Δ波束需要的幅度分布而定。圖1為以第1號列饋輸入端的幅度進行歸一化后，Σ、Δ波束各端口的幅度比值。從圖中可以看出，兩邊8個列饋的分布同時滿足Σ、Δ波束分布要求，可以用一個1/8功分器實現，剩余端口的幅度比及和差波束形成均在中心網絡中用不同分配比的網絡實現，網絡分段框圖如圖2所示，各模塊間采用射頻電纜連接。

圖2 饋電網絡組成圖

2 功分器電路形式

2.1 空氣板線設計基礎

帶狀線又稱為三板線，這種電路的優點是平面結構在精度要求不高的情況下可用類似制作低頻電路板的方式獲得，易于設計與調試。其結構如圖3a)所示：由兩塊相距為b的接地板，與中間的寬度為W、厚度為t的矩形截面導體帶構成。導體帶與接地板之間可以是空氣或填充其他介質，當填充介質為均勻介質時，傳輸的主模是TEM波，其傳輸特性可以用靜態場方法進行分析，其電磁場分布如圖3b)所示。

圖3 帶狀線的結構示意圖及電磁場分布圖

特性阻抗[2]為

(1)

其中

大多數情況下采用印制電路實現帶狀線結構，內導體即為附著在介質基板上的銅箔，厚度通常很薄，設計時按照t=0的情況計算。

當填充介質為空氣時的帶狀線結構稱為空氣板線，由于填充介質為空氣，對內導體無法起到位置支撐固定的作用。為防止內導體結構變形，通常內導體厚度較厚，采用厚銅帶制作。為保證內導體位于上下外導體正中間，在內導體上增加若干介質支撐。介質支撐的引入改變了電路上的場分布，需要進行局部補償[3]。采用空氣板線結構設計的饋電網絡具有損耗小、耐高功率的優點。但缺點是加工難度大，且重量較重，特別是安裝時如果電路平面垂直于地平面，內導體將受到自身重量影響，長時間處于振動環境下將出現機械損傷等不可靠風險。

2.2 介質基板支撐的雙面印制板電路設計

在空氣板線的基礎上，結合懸置帶線的結構形式，設計了一種新形式的傳輸線結構，如圖4所示。將空氣板線結構的厚內導體用附著在介質板上的銅箔實現，介質板的厚度與空氣結構時相比可以小很多，甚至可以小至0.2mm。介質板的雙面都腐蝕出相同的電路，在線條的適當位置布置導通孔將雙面的電路互連起來，并且所有的T形結構處均需要設置導通孔，使得兩面的電路間始終處于偶模傳輸模式。電磁場的傳輸介質大部分仍為空氣介質，損耗與空氣板線相差無幾，但結構形式和安裝方法要簡單得多。圖5計算了3m長傳輸線的損耗對比，由計算結果可以看出，空氣板線結構的損耗與使用介質基板ROGERSRO4003時相差不大，差值小于0.05dB，基本上可以視為兩者的損耗相同。

圖4 介質板支撐的電路結構示意圖

圖5 傳輸線不同介質損耗對比

功分電路設計時，需要采用多種仿真軟件協同優化。采用HFSS場仿真軟件，逐個優化設計出網絡所需要的每個功分電路，并提取出其模型參數，在Designer軟件中進行協同仿真并進一步優化[4]。

2.3 功分器網絡布局規則

對于大尺寸的天線陣面，饋電網絡通常采用分離元件和電纜的實現方式，其中，電纜帶來的損耗不容忽視。對于圖2所示的方位面為8.4m的陣面，從陣面中心至邊緣的電纜長度需要考慮電纜彎曲半徑以及功分電路引起的相位補償，第9～27號列饋的連接電纜長度可以達到6m，在1GHz時損耗為1dB。而實現功分網絡帶線結構的單位損耗遠小于電纜損耗，故功分網絡在設計時應盡量利用功分電路本身的走線長度代替電纜長度。基于此思路，將1/8功分器的長度設計為1.92m，覆蓋8個列饋的安裝位置，如圖6所示，使此功分器與列饋的連接采用直接硬連接，省去連接電纜。輸入端口靠近陣面中心方向，與中心網絡的連接電纜長度最大為2.2m，且由于此連接電纜位于主干網絡中，在滿足安裝要求的情況下應盡量選取口徑大、損耗低的電纜。按此方法設計的功分電路沒有多余的繞曲走線，最大限度地減少了走線長度，有效地降低了損耗；同時，也能降低陣面中心列饋連接電纜的長度，中心列饋的連接電纜的理論長度應為陣面長度的一半，單根電纜的長度減短也使得陣面使用的電纜總長度減少。

圖6 1/8功分器電路示意圖

3 饋電網絡損耗預計

根據如圖2所示的網絡組成圖，列出了圖7所示的優化網絡。圖7中的電纜1長度為2.5m，電纜外徑為11.2mm，損耗為0.116dB@1GHz，總損耗為0.29dB。電纜2長度為4.2m，電纜外徑為8.8mm，損耗為0.136dB@1GHz，總損耗為0.57dB。列饋損耗預計為0.3dB，1/8功分器損耗預計為0.4dB，中心網絡損耗預計為0.5dB，故從陣面的輸入端至各列饋輻射振子的損耗Ii見表1。

圖7 網絡組成及損耗

列饋損耗/dB1～81．479～271．3728～351．47

由于陣面各列饋的幅度加權分布是不一樣的，功分器及電纜帶來的損耗在陣面的不同位置給陣面饋電網絡總損耗帶來的影響不同，故需要將以上的損耗與陣面口徑的幅度分布進行相加計算，可以得出陣面饋電網絡的總損耗。計算公式為

(2)

式中：IL為陣面饋電網絡的總損耗；Aij為陣面各輻射單元歸一化幅度分布；Ii為第i列鏈路饋電網絡損耗。

根據饋電網絡的分布及式(2)計算出的網絡損耗為1.38dB。天線口徑增益為30dB，為保證27dB的實際增益，要求包含4位移相器在內的總損耗小于3dB。4位移相器的損耗小于1.3dB，故天線的理論增益可達27.32dB。

4 試驗結果

按本文設計方法研制的饋電網絡的實際增益基本上能達到27dB，在個別頻點略低于27dB。其中，列饋實際損耗為0.4dB，1/8功分器的損耗為0.5dB，中心網絡實測損耗為0.6dB。與預計結果的差別主要來自印制電路的導電性能及表面光潔度，在電路表面涂覆更厚的銀層可進一步降低損耗。另外，雖然電磁信號主要集中在空氣中，但做為支撐的介質總會損耗掉少量能量，應盡可能選取損耗角更低的支撐材料。

5 結束語

針對饋電網絡的低損耗要求，本文探討了一種新型空氣板線結構的饋電網絡，該結構的內導體用附著在介質基板兩面的銅箔實現，利用金屬化導通孔實現雙面電路的偶模傳輸，使得電磁信號的大部分能量在空氣介質中傳輸，有效降低鏈路損耗，同時，在網絡總成時，盡量用低損耗的空氣線代替損耗相對較高的電纜以最大限度地降低損耗，仿真及試驗均證明了此思路的正確性，對無源相控陣雷達提供了一種新的降低損耗的設計方法。

[1] 林昌祿. 天線工程手冊[M]．北京：電子工業出版社，2002.LinChanglu.Antennaengineeringhandbook[M].BeiJing:PublishingHouseofElectronicsIndustry, 2002.

[2] 李宗謙, 佘京兆, 高葆新. 微波工程基礎[M]．北京：清華大學出版社，2004.LiZongqian,SheJingzhao,GaoBaoxin.Foundationsformicrowaveengineering[M].BeiJing:TsinghuaUniversityPress, 2004.

[3] 孫紹國, 張玉梅, 馮祖建. 大型復雜空氣板線饋電網絡工程設計[J]. 信息與電子工程, 2009, 7(1): 22-24,36.{JPSunShaoguo,ZhangYumei,FengZujian.Engineeringdesignofalarge-sizedcomplexairstriplinefeedingnetwork[J].InformationandElectronicEngineering, 2009, 7(1): 22-24,36.

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韋學科 男，1975年生，高級工程師。研究方向為雷達饋線系統設計。

張華林 男，1973年生，研究員。研究方向為微波網絡與系統、微波旋轉關節等。

朱瑞平 男，1961年生，研究員。研究方向為空饋相控陣天線系統、大型精密跟蹤雷達天線、固態有源相控陣系統。

聲 明

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《現代雷達》編輯部

Low Loss Feed-line Network Based on a Novel Air Strip Line Structure

WEI Xueke，ZHANG Hualin，ZHU Ruiping

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

The construction method of the feed-line network,and the principle of optimal segmentation module are introduced. A novel feed-line network structure that based on the air strip line structure is discussed. The circuit is fabricated in the substrate to media support,double-sided printed circuit adopts the metallized via holes to realize electromagnetic signal even mode of transmission. This structure form has all the advantages of air strip line structure,easy production. Experiments prove that network loss satisfy target.

air strip line; low loss; feed-line network

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.09.015

韋學科 Email：nriet_003800@163.com

2015-04-30

2015-07-22

TN819.1

A

1004-7859(2015)09-0064-03