Ka波段波导定标网络的一体化设计

薛玲珑，于守江，阳家宏，韩伟强，孙　竹

(上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109)



Ka波段波导定标网络的一体化设计

薛玲珑，于守江，阳家宏，韩伟强，孙竹

(上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109)

摘要针对多通道复杂系统存在的电磁泄露以及一致性差的问题，详述了一种应用于相控阵天线系统的一体化波导定标网络。一体化网络由功分器(合路器)、定向耦合器和3 dB电桥3种无源器件构成。采用Ansoft HFSS对一体化定标网络进行建模仿真，仿真结果表明，所有端口在工作频带内阻抗匹配，信号幅度平坦，相位稳定，整个网络布局合理，容易一体化加工。

关键词功分器(合路器)；定向耦合器；3 dB电桥；一体化设计

0引言

功率分配器[1]、定向耦合器[2]和3 dB电桥[3]这些微波无源器件以其独特的功能和优良的性能在现代电子设备中获得广泛应用[4]。迄今为止，这些器件的工作原理和设计方法已被微波设计师熟知，理论研究者正在探索新的实现形式[5]，工程技术人员正在开拓这些器件的应用范围和寻找展宽这些器件的工作频率范围的途径[6]。

过去，受应用需求的限制，电子设备中微波无源器件都是为完成某种特定功能而独立使用的[7]，因此是单独设计和加工的，然后通过微波传输线(如高频电缆、波导等)将其与其他电子模块连接组成系统。最近十几年，随着电子系统规模变大，需要使用的元器件数量成倍增长，如果还是沿用传统的设计思路和组装方法，不仅设备的体积、重量无法接受，且整个系统因内部信号多次反射叠加造成性能极其不稳定而无法工作。所以，功能模块高度集成的一体化设计成为复杂的大规模系统设计的一种理念。

本文对一种应用于机载KaSAR天线的波导定标网络一体化进行了描述，设计中首先利用HFSS仿真软件优化出定标网络中功分器[8]、耦合器[9]和电桥具有最佳性能的结构，然后进行一体化设计，综合出满足系统电性能要求的小型化和轻量化定标网络。

1定标网络工作原理

机载KaSAR天线系统中需要一个对24个子阵单元信号的幅相进行定标的网络，该网络是一个50端口的组件，分为24个输入口、24个200 MHz输出口、1个700 MHz输出口和1个耦合定标口。定标网络位于24路子阵后、多通道接收机之前，工作原理如图1所示。24路子阵输出信号进入定标网络后，经24个3 dB电桥实现二等分，其中一路通过24路合路器形成全阵的700 MHz接收信号，与700 MHz接收机相连，另一路作为24路接收通道之一，与200 MHz接收机相连。定标时，定标信号经1∶25功分器功分后，每一路信号通过30 dB定向耦合器耦合进入对应接收通道，然后进入接收机，实现对各子阵接收通道信号的幅相定标。

图1　定标网络工作原理

2波导定标网络设计

从图1可以看出，整个定标网络由24个3 dB电桥、1个24∶1合路器、1个1∶25功分器、25个30 dB定向耦合器和50个接口器件组成。基于传输损耗考虑，定标网络采用波导结构。在考虑了功率容量、重量和加工等因素之后，波导口径选用非标尺寸(4.8 mm×2.4 mm)。由此可知，假如用单独设计的分立器件构建这一网络，不仅存在重量、体积和装配等机械问题，而且存在接口之间电磁泄漏风险和引入的多次反射问题。因此，在充分考虑现代加工水平的基础上，对定标网络拟采用一体化设计和整体加工的方法实现。对于多通道信号标定网络来说，使用中最基本的要求是工作频带内信号幅度平坦和通道间一致性好。下面对组成这一网络的主要器件的设计和整体仿真结果进行描述。

2.1H面T型结

根据定标网络结构布局和通道间距等要求，24∶1合路器和1∶25功分器是采用带有补偿元件的H面T型结[10]级联实现的，如图2所示。

图2　H面T型结功率分配器

这种T型接头最大的优点是通过调整金属匹配块偏离中心的位置方便地实现不同的功率分配，端口在宽带范围内获得很低的驻波性能和平坦功分性能，且加工方便。设计中利用HFSS仿真软件不断优化匹配快的宽度ws和长度Ls参数，使两臂输出的功率分配比、平坦度和总口驻波比在宽频带内达到最佳。经优化后得到二等分HT功率分配器的各结构参数值为ws=0.8 mm，Ls=2.25 mm，a=4.8 mm和wa=5 mm。

2.2波导定向耦合器

为了在宽频带内获得平坦的耦合度和具有好的定向性，并考虑到定标网络中的结构尺寸限制，30 dB定向性耦合器拟采用波导宽边开圆孔(加工方便)的切比雪夫耦合器实现，如图3所示。

图3　4孔切比雪夫耦合器

根据文献给出多孔切比雪夫定向耦合器设计公式[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为通带内方向性的最小值。根据孔耦合理论分析可知，当小孔位置s=a/4时耦合最强，N=3，D=25，C=30 dB，有

由式(1)、式(2)、式(3)和式(4)计算得出各耦合孔的半径r1=0.76 mm，r2=1.2 mm，然后将这些值作为仿真的初始值，利用HFSS仿真软件进行优化，这主要是上述理论公式的运用并未考虑电磁波在小孔中传播的衰减，最终得到r1=0.8 mm，r2=1.4 mm。

2.3宽边裂缝电桥

为了确保定标网络天线子阵输入端口在宽频带内低驻波和功分比的平坦特性，并考虑结构布局和加工因素，定标网络中的3 dB电桥采用如图4所示的宽边裂缝耦合电桥。

图4　宽边耦合裂缝电桥

该电桥具有结构紧凑、简单等优点，且在20%的带宽内具有良好的阻抗特性和隔离度。根据宽边裂缝电桥设计公式：

(5)

计算得到裂缝长度L的初始值，然后通过调整裂缝的宽度w和长度L优化出所满足低驻波、高隔离和平坦的3 dB耦合量要求的性能。

3一体化网络仿真设计

在完成定标网络中3个主要器件设计后，根据工作原理图和实际使用要求，完成了整个网络的整体布局设计，如图5所示。然后在HFSS仿真软件中建立模型，对整个网络的性能进行分析和优化。仿真时所有输入输出接口采用同轴波导变换，并在3 dB电桥和定向耦合器隔离端口加入吸收块。实际中吸收块的结构和固定方式如图6所示。

图6　吸收块放置示意

3.1仿真结果

在仿真过程中，根据所得到的各端口电性能，并结合观察场分布，适当微调部分尺寸，最终结果如图7、图8、图9、图10和图11所示。

图7中，实线为24个输入口的VSWR仿真值，虚线为耦合定标口的VSWR仿真值。图8中，实线为24个200 MHz输出口的VSWR值，虚线为700 MHz输出口的VSWR值。

图7　X01G～25G端口的VSWR曲线

图8　X26G～50G端口的VSWR曲线

由图7和图8可以看出，各输入口、输出口和定标口均实现阻抗匹配，VSWR<1.55。

24个输入口到24个200 MHz输出口传输特性如图9所示。由图9可以看出，在通频带内各输入口到输出口的插入损耗范围为-3.5～-2.65 dB，带内起伏<±0.5 dB，端口一致性<±0.1 dB。

图9　X01G～24G到X26G～X49G直通特性

700 MHz端口到子阵输入端口的传输特性曲线如图10所示。由图10可以看出，工作频带内插入损耗范围为-17.3～-16.1 dB，带内起伏<±0.3 dB,端口间一致性<±0.3 dB。

图10　X50G到X01G～24G传输特性

耦合定标口到200 MHz输出口传输特性曲线如图11所示。由图11可以看出，通频带内插入损耗范围为-46.4～-44.8 dB，带内起伏小于±1 dB,端口间一致性小于±1 dB。

图11　X25G到X26G～49G传输特性

3.2实物加工

由于整个网络工作在毫米波段，所以结构尺寸的加工精度对其性能十分敏感，并且任何缝隙都对性能有很大影响。因此，一体化加工的波导定标网络可以规避这些问题。实际工艺分为3层零件加工，主体结构采用上下两面数控铣成型，然后与上下盖板焊接成一体，加工零件图如图12所示。

图12　一体化网络加工零件

4结束语

本文详细介绍了一种一体化波导定标网络的设计，设计中巧妙地利用了3 dB电桥，在宽频带内不仅实现了输入信号的等分，解决了布局的难题，而且实现了全端口阻抗匹配并有效地改善了端口一致性。仿真结果表明，所有性能指标满足系统要求。该一体化波导定标网络在机载Ka频段SAR系统方面已经得到了应用，其设计方法也可以作为其他RF定标网络的参考。

参考文献

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.20

收稿日期：2016-03-28

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61371022)。

中图分类号TN015

文献标志码A

文章编号1003-3106(2016)07-0076-04

作者简介

薛玲珑女，(1985—)，硕士，工程师。主要研究方向：天馈线的设计。

于守江男，(1984—)，硕士，高级工程师。主要研究方向：雷达总体设计。

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：薛玲珑,于守江,阳家宏,等.Ka波段波导定标网络的一体化设计[J].无线电工程,2016,46(7):76-79.