陳良圣

(安徽博微長安電子有限公司，安徽 六安 237000)

0 引 言

伴隨有源相控陣雷達領(lǐng)域的快速發(fā)展，陣列天線以其饋電方式靈活、波束控制多樣等特性得到廣泛關(guān)注[1-2]。然而，由于各種饋線元器件的加工、安裝公差、元器件更換及周圍環(huán)境溫度的影響，饋電系統(tǒng)存在相當(dāng)大的隨機相位誤差。此外，發(fā)射組件失效會引起發(fā)射支路的幅度和相位誤差，接收機工作的不穩(wěn)定性會引起接收支路的幅度和相位誤差。這些誤差將嚴重破壞天線方向圖特性，使天線增益下降、副瓣電平變壞、波束指向精度變低。為使天線增益一定時，副瓣最低并保持波束指向精度，系統(tǒng)必須具有靈活、可靠、高精度的幅、相監(jiān)測與校正能力[3-5]。

文獻[6]和[7]介紹了一種微帶線形式校正網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計簡單，加工成本低，但網(wǎng)絡(luò)損耗大。本文設(shè)計了一種新型波導(dǎo)校正網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)采用波導(dǎo)轉(zhuǎn)換上方開斜孔耦合信號方式傳輸校正信號。相比傳統(tǒng)的微帶耦合校正饋電方式，該網(wǎng)絡(luò)校正方式具有耦合度可控并且不同支路校正信號強度一致性好的特點。同時，一體化網(wǎng)路具有高集成度、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、駐波小、損耗小等特點。隨著工藝的發(fā)展，未來線源同波導(dǎo)轉(zhuǎn)換校正網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計將成為可能。現(xiàn)代相控陣雷達已向高集成度小型化方向發(fā)展，因此該一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 理論分析

本文設(shè)計的波導(dǎo)轉(zhuǎn)換頻段是X波段，采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ100,即a=22.86 mm，b=10.16 mm。為滿足實際天線需要，設(shè)計的一體化網(wǎng)絡(luò)波導(dǎo)轉(zhuǎn)換間距必須遵守天線電掃描情況下在實空間中不出現(xiàn)柵瓣邊緣的準(zhǔn)則，即

其中，λmin是頻段內(nèi)的最短工作波長，本文設(shè)計的天線工作頻率為X波段，這里λmin=30.6 mm；θmax是波束相對于陣面法向的最大掃描角，本文設(shè)計電掃描最大角度60°；=1/NP，NP是裂縫線源數(shù)，按天線副瓣以及尺寸要求確定線源數(shù)數(shù)量為16根，單元間距為16.5 mm。

2 校正網(wǎng)絡(luò)同軸波導(dǎo)一體化設(shè)計

本文設(shè)計的單個波導(dǎo)轉(zhuǎn)變剖面圖如圖1所示，總共16個波導(dǎo)轉(zhuǎn)換，根據(jù)線源的增加波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換可相應(yīng)增加。校正網(wǎng)絡(luò)同軸波導(dǎo)一體化結(jié)構(gòu)如圖2所示。該結(jié)構(gòu)下方的同軸轉(zhuǎn)換和上方的校正通道均采用波導(dǎo)做傳輸線。為抑制天線的交叉極化影響，相鄰波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換采用左右倒置排列方式。從圖2中可以看出，該一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是由16根波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換和1個校正網(wǎng)絡(luò)通道串聯(lián)集成在一起。

一體化網(wǎng)絡(luò)由兩層波導(dǎo)構(gòu)成，校正網(wǎng)絡(luò)和同軸波導(dǎo)通過斜孔耦合信號。發(fā)射校正，通過斜孔將同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換傳輸?shù)纳漕l信號耦合到上層校正網(wǎng)絡(luò)波導(dǎo)中，通過波導(dǎo)傳輸?shù)叫ＵW(wǎng)絡(luò)端口，實現(xiàn)發(fā)射校正；接收校正，校正組件產(chǎn)生測試信號從校正網(wǎng)絡(luò)總口輸入，經(jīng)耦合孔耦合信號到波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換，最后信號傳輸?shù)叫Ｕ邮諜C。

通過HFSS仿真軟件對設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)進行仿真，分別得到端口駐波和耦合度等仿真結(jié)果。圖3和圖4分別是校正網(wǎng)絡(luò)端口駐波和同軸波導(dǎo)端口駐波。圖5是耦合度仿真結(jié)果。

從仿真圖可以看出，同軸波導(dǎo)端口駐波都小于1.1，校正端口駐波小于1.5。在9.37～9.77 GHz頻率范圍內(nèi)(根據(jù)實際情況需要，頻率可擴展1 GHz)，耦合度的大小可根據(jù)斜孔的傾斜角度和長度來改變，其中傾斜角度對耦合度影響較大。對比發(fā)現(xiàn)，傾斜角度越大，耦合度越大，本文仿真設(shè)計時傾斜角為90°。為滿足校正接收機對耦合度的要求，本次校正網(wǎng)絡(luò)耦合度仿真結(jié)果在42±3 dB范圍內(nèi)。根據(jù)實際需要，耦合度可實現(xiàn)15～60 dB之間變化。從圖中可以看出，端口耦合度隨頻率變化較小，同時16個端口耦合度曲線一致性較好，極大地提高了校正精度。端口間隔離是一個重要指標(biāo)，直接影響不同端口間信號干擾。通常端口隔離度越大越好。從圖6給出的端口間隔離度仿真結(jié)果可以看出，端口間隔離度遠遠小于-60 dB，同耦合度-40 dB相比，不足以對校正精度產(chǎn)生影響。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款工作在X波段的一體化波導(dǎo)校正網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)端口駐波小于1.1，耦合度控制在39～43dB。同時，該網(wǎng)絡(luò)可直接與線源和收發(fā)組件連接，工作模式靈活方便。該一體化設(shè)計方式在國內(nèi)目前應(yīng)用還不夠廣泛。隨著雷達系統(tǒng)的集成度提高，該一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法在相控陣雷達中必將具有廣泛的應(yīng)用價值。