Ka波段波導定標網絡的一體化設計

薛玲瓏，于守江，陽家宏，韓偉強，孫　竹

(上海航天電子通訊設備研究所，上海 201109)

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Ka波段波導定標網絡的一體化設計

薛玲瓏，于守江，陽家宏，韓偉強，孫竹

(上海航天電子通訊設備研究所，上海 201109)

摘要針對多通道復雜系統存在的電磁泄露以及一致性差的問題，詳述了一種應用于相控陣天線系統的一體化波導定標網絡。一體化網絡由功分器(合路器)、定向耦合器和3 dB電橋3種無源器件構成。采用Ansoft HFSS對一體化定標網絡進行建模仿真，仿真結果表明，所有端口在工作頻帶內阻抗匹配，信號幅度平坦，相位穩定，整個網絡布局合理，容易一體化加工。

關鍵詞功分器(合路器)；定向耦合器；3 dB電橋；一體化設計

0引言

功率分配器[1]、定向耦合器[2]和3 dB電橋[3]這些微波無源器件以其獨特的功能和優良的性能在現代電子設備中獲得廣泛應用[4]。迄今為止，這些器件的工作原理和設計方法已被微波設計師熟知，理論研究者正在探索新的實現形式[5]，工程技術人員正在開拓這些器件的應用范圍和尋找展寬這些器件的工作頻率范圍的途徑[6]。

過去，受應用需求的限制，電子設備中微波無源器件都是為完成某種特定功能而獨立使用的[7]，因此是單獨設計和加工的，然后通過微波傳輸線(如高頻電纜、波導等)將其與其他電子模塊連接組成系統。最近十幾年，隨著電子系統規模變大，需要使用的元器件數量成倍增長，如果還是沿用傳統的設計思路和組裝方法，不僅設備的體積、重量無法接受，且整個系統因內部信號多次反射疊加造成性能極其不穩定而無法工作。所以，功能模塊高度集成的一體化設計成為復雜的大規模系統設計的一種理念。

本文對一種應用于機載KaSAR天線的波導定標網絡一體化進行了描述，設計中首先利用HFSS仿真軟件優化出定標網絡中功分器[8]、耦合器[9]和電橋具有最佳性能的結構，然后進行一體化設計，綜合出滿足系統電性能要求的小型化和輕量化定標網絡。

1定標網絡工作原理

機載KaSAR天線系統中需要一個對24個子陣單元信號的幅相進行定標的網絡，該網絡是一個50端口的組件，分為24個輸入口、24個200 MHz輸出口、1個700 MHz輸出口和1個耦合定標口。定標網絡位于24路子陣后、多通道接收機之前，工作原理如圖1所示。24路子陣輸出信號進入定標網絡后，經24個3 dB電橋實現二等分，其中一路通過24路合路器形成全陣的700 MHz接收信號，與700 MHz接收機相連，另一路作為24路接收通道之一，與200 MHz接收機相連。定標時，定標信號經1∶25功分器功分后，每一路信號通過30 dB定向耦合器耦合進入對應接收通道，然后進入接收機，實現對各子陣接收通道信號的幅相定標。

圖1　定標網絡工作原理

2波導定標網絡設計

從圖1可以看出，整個定標網絡由24個3 dB電橋、1個24∶1合路器、1個1∶25功分器、25個30 dB定向耦合器和50個接口器件組成。基于傳輸損耗考慮，定標網絡采用波導結構。在考慮了功率容量、重量和加工等因素之后，波導口徑選用非標尺寸(4.8 mm×2.4 mm)。由此可知，假如用單獨設計的分立器件構建這一網絡，不僅存在重量、體積和裝配等機械問題，而且存在接口之間電磁泄漏風險和引入的多次反射問題。因此，在充分考慮現代加工水平的基礎上，對定標網絡擬采用一體化設計和整體加工的方法實現。對于多通道信號標定網絡來說，使用中最基本的要求是工作頻帶內信號幅度平坦和通道間一致性好。下面對組成這一網絡的主要器件的設計和整體仿真結果進行描述。

2.1H面T型結

根據定標網絡結構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償元件的H面T型結[10]級聯實現的，如圖2所示。

圖2　H面T型結功率分配器

這種T型接頭最大的優點是通過調整金屬匹配塊偏離中心的位置方便地實現不同的功率分配，端口在寬帶范圍內獲得很低的駐波性能和平坦功分性能，且加工方便。設計中利用HFSS仿真軟件不斷優化匹配快的寬度ws和長度Ls參數，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達到最佳。經優化后得到二等分HT功率分配器的各結構參數值為ws=0.8 mm，Ls=2.25 mm，a=4.8 mm和wa=5 mm。

2.2波導定向耦合器

為了在寬頻帶內獲得平坦的耦合度和具有好的定向性，并考慮到定標網絡中的結構尺寸限制，30 dB定向性耦合器擬采用波導寬邊開圓孔(加工方便)的切比雪夫耦合器實現，如圖3所示。

圖3　4孔切比雪夫耦合器

根據文獻給出多孔切比雪夫定向耦合器設計公式[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為通帶內方向性的最小值。根據孔耦合理論分析可知，當小孔位置s=a/4時耦合最強，N=3，D=25，C=30 dB，有

由式(1)、式(2)、式(3)和式(4)計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仿真軟件進行優化，這主要是上述理論公式的運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

為了確保定標網絡天線子陣輸入端口在寬頻帶內低駐波和功分比的平坦特性，并考慮結構布局和加工因素，定標網絡中的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

該電橋具有結構緊湊、簡單等優點，且在20%的帶寬內具有良好的阻抗特性和隔離度。根據寬邊裂縫電橋設計公式：

(5)

計算得到裂縫長度L的初始值，然后通過調整裂縫的寬度w和長度L優化出所滿足低駐波、高隔離和平坦的3 dB耦合量要求的性能。

3一體化網絡仿真設計

在完成定標網絡中3個主要器件設計后，根據工作原理圖和實際使用要求，完成了整個網絡的整體布局設計，如圖5所示。然后在HFSS仿真軟件中建立模型，對整個網絡的性能進行分析和優化。仿真時所有輸入輸出接口采用同軸波導變換，并在3 dB電橋和定向耦合器隔離端口加入吸收塊。實際中吸收塊的結構和固定方式如圖6所示。

圖6　吸收塊放置示意

3.1仿真結果

在仿真過程中，根據所得到的各端口電性能，并結合觀察場分布，適當微調部分尺寸，最終結果如圖7、圖8、圖9、圖10和圖11所示。

圖7中，實線為24個輸入口的VSWR仿真值，虛線為耦合定標口的VSWR仿真值。圖8中，實線為24個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、輸出口和定標口均實現阻抗匹配，VSWR<1.55。

24個輸入口到24個200 MHz輸出口傳輸特性如圖9所示。由圖9可以看出，在通頻帶內各輸入口到輸出口的插入損耗范圍為-3.5～-2.65 dB，帶內起伏<±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，工作頻帶內插入損耗范圍為-17.3～-16.1 dB，帶內起伏<±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，通頻帶內插入損耗范圍為-46.4～-44.8 dB，帶內起伏小于±1 dB,端口間一致性小于±1 dB。

圖11　X25G到X26G～49G傳輸特性

3.2實物加工

由于整個網絡工作在毫米波段，所以結構尺寸的加工精度對其性能十分敏感，并且任何縫隙都對性能有很大影響。因此，一體化加工的波導定標網絡可以規避這些問題。實際工藝分為3層零件加工，主體結構采用上下兩面數控銑成型，然后與上下蓋板焊接成一體，加工零件圖如圖12所示。

圖12　一體化網絡加工零件

4結束語

本文詳細介紹了一種一體化波導定標網絡的設計，設計中巧妙地利用了3 dB電橋，在寬頻帶內不僅實現了輸入信號的等分，解決了布局的難題，而且實現了全端口阻抗匹配并有效地改善了端口一致性。仿真結果表明，所有性能指標滿足系統要求。該一體化波導定標網絡在機載Ka頻段SAR系統方面已經得到了應用，其設計方法也可以作為其他RF定標網絡的參考。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.20

收稿日期：2016-03-28

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61371022)。

中圖分類號TN015

文獻標志碼A

文章編號1003-3106(2016)07-0076-04

作者簡介

薛玲瓏女，(1985—)，碩士，工程師。主要研究方向：天饋線的設計。

于守江男，(1984—)，碩士，高級工程師。主要研究方向：雷達總體設計。

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,陽家宏,等.Ka波段波導定標網絡的一體化設計[J].無線電工程,2016,46(7):76-79.