一种新型带校正功能一体化同轴波导设计

陈良圣

(安徽博微长安电子有限公司，安徽 六安 237000)

0 引 言

伴随有源相控阵雷达领域的快速发展，阵列天线以其馈电方式灵活、波束控制多样等特性得到广泛关注[1-2]。然而，由于各种馈线元器件的加工、安装公差、元器件更换及周围环境温度的影响，馈电系统存在相当大的随机相位误差。此外，发射组件失效会引起发射支路的幅度和相位误差，接收机工作的不稳定性会引起接收支路的幅度和相位误差。这些误差将严重破坏天线方向图特性，使天线增益下降、副瓣电平变坏、波束指向精度变低。为使天线增益一定时，副瓣最低并保持波束指向精度，系统必须具有灵活、可靠、高精度的幅、相监测与校正能力[3-5]。

文献[6]和[7]介绍了一种微带线形式校正网络，设计简单，加工成本低，但网络损耗大。本文设计了一种新型波导校正网络。该网络采用波导转换上方开斜孔耦合信号方式传输校正信号。相比传统的微带耦合校正馈电方式，该网络校正方式具有耦合度可控并且不同支路校正信号强度一致性好的特点。同时，一体化网路具有高集成度、质量轻、结构简单、驻波小、损耗小等特点。随着工艺的发展，未来线源同波导转换校正网络一体化设计将成为可能。现代相控阵雷达已向高集成度小型化方向发展，因此该一体化网络设计具有广阔的应用前景。

1 理论分析

本文设计的波导转换频段是X波段，采用标准波导BJ100,即a=22.86 mm，b=10.16 mm。为满足实际天线需要，设计的一体化网络波导转换间距必须遵守天线电扫描情况下在实空间中不出现栅瓣边缘的准则，即

其中，λmin是频段内的最短工作波长，本文设计的天线工作频率为X波段，这里λmin=30.6 mm；θmax是波束相对于阵面法向的最大扫描角，本文设计电扫描最大角度60°；=1/NP，NP是裂缝线源数，按天线副瓣以及尺寸要求确定线源数数量为16根，单元间距为16.5 mm。

2 校正网络同轴波导一体化设计

本文设计的单个波导转变剖面图如图1所示，总共16个波导转换，根据线源的增加波导同轴转换可相应增加。校正网络同轴波导一体化结构如图2所示。该结构下方的同轴转换和上方的校正通道均采用波导做传输线。为抑制天线的交叉极化影响，相邻波导同轴转换采用左右倒置排列方式。从图2中可以看出，该一体化网络设计是由16根波导同轴转换和1个校正网络通道串联集成在一起。

一体化网络由两层波导构成，校正网络和同轴波导通过斜孔耦合信号。发射校正，通过斜孔将同轴波导转换传输的射频信号耦合到上层校正网络波导中，通过波导传输到校正网络端口，实现发射校正；接收校正，校正组件产生测试信号从校正网络总口输入，经耦合孔耦合信号到波导同轴转换，最后信号传输到校正接收机。

通过HFSS仿真软件对设计的网络进行仿真，分别得到端口驻波和耦合度等仿真结果。图3和图4分别是校正网络端口驻波和同轴波导端口驻波。图5是耦合度仿真结果。

从仿真图可以看出，同轴波导端口驻波都小于1.1，校正端口驻波小于1.5。在9.37～9.77 GHz频率范围内(根据实际情况需要，频率可扩展1 GHz)，耦合度的大小可根据斜孔的倾斜角度和长度来改变，其中倾斜角度对耦合度影响较大。对比发现，倾斜角度越大，耦合度越大，本文仿真设计时倾斜角为90°。为满足校正接收机对耦合度的要求，本次校正网络耦合度仿真结果在42±3 dB范围内。根据实际需要，耦合度可实现15～60 dB之间变化。从图中可以看出，端口耦合度随频率变化较小，同时16个端口耦合度曲线一致性较好，极大地提高了校正精度。端口间隔离是一个重要指标，直接影响不同端口间信号干扰。通常端口隔离度越大越好。从图6给出的端口间隔离度仿真结果可以看出，端口间隔离度远远小于-60 dB，同耦合度-40 dB相比，不足以对校正精度产生影响。

3 结束语

本文设计了一款工作在X波段的一体化波导校正网络。设计的网络端口驻波小于1.1，耦合度控制在39～43dB。同时，该网络可直接与线源和收发组件连接，工作模式灵活方便。该一体化设计方式在国内目前应用还不够广泛。随着雷达系统的集成度提高，该一体化网络设计方法在相控阵雷达中必将具有广泛的应用价值。