孔英會(huì)，汪海洋，李 浩

(電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院， 成都610054)

0 引言

從20世紀(jì)40年代后期單脈沖技術(shù)發(fā)展以來(lái)，單脈沖雷達(dá)在航空以及導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。單脈沖和差網(wǎng)絡(luò)是單脈沖雷達(dá)的一個(gè)關(guān)鍵部件，由它完成和、差處理，并形成和、差波束。為了對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)方向跟蹤，必須在方位和仰角兩個(gè)平面上進(jìn)行跟蹤，這就必須獲得方位和仰角兩個(gè)角誤差信息，為此需要一個(gè)雙平面單脈沖和差網(wǎng)絡(luò)［1］。

1 波導(dǎo)和差網(wǎng)絡(luò)模型

本文所設(shè)計(jì)和差網(wǎng)絡(luò)由四個(gè)波導(dǎo)魔T組成，是一個(gè)八端口的無(wú)源器件，當(dāng)作為接收天線(xiàn)時(shí)，四個(gè)天線(xiàn)分別得到的回波信號(hào)在和差網(wǎng)絡(luò)內(nèi)經(jīng)過(guò)兩級(jí)加減，最終可以得到和信號(hào)、俯仰差信號(hào)和方位差信號(hào)，其原理如圖1所示。接收到的四路信號(hào)分別從波導(dǎo)端口1、2、3、4輸入，信號(hào)1和信號(hào)2、信號(hào)3和信號(hào)4分別在Ⅰ、Ⅱ波導(dǎo)魔T中進(jìn)行一級(jí)加減，然后輸出和差信號(hào)再在Ⅲ、Ⅳ波導(dǎo)魔T中進(jìn)行二級(jí)加減。最終可以在Ⅲ魔T的Σ支路即5端口獲得和信號(hào)1+2+3+4;在Ⅲ魔T的Δ支路即6端口獲得俯仰差信號(hào)(1+2)-(3+4);在Ⅳ魔T的Σ支路即8端口獲得水平差信號(hào)(1+3)-(2+4);Ⅳ魔T的Δ路即7端口輸出通常不使用，而是接上一個(gè)等效負(fù)載［2］。

圖1 單脈沖和差網(wǎng)絡(luò)原理示意圖

2 波導(dǎo)魔T的設(shè)計(jì)與仿真分析

波導(dǎo)魔T是微波、毫米波電路中的重要器件，能進(jìn)行功率的分配與合成，由于其具有功率容量高、端口性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于微波集成電路、電子對(duì)抗設(shè)備以及制導(dǎo)系統(tǒng)等［3-5］。在傳統(tǒng)雷達(dá)體制中，它一般緊接在天線(xiàn)之后，用以產(chǎn)生系統(tǒng)所需的和、差信號(hào)。隨著近代通信的發(fā)展，高頻寬帶魔T越來(lái)越引起人們的重視，但由于傳統(tǒng)的平面電路魔T容易受寄生效應(yīng)的影響，不適宜在高頻段工作［5］，毫米波波導(dǎo)魔T仍是研究重點(diǎn)。

普通E-T接頭和H-T接頭直接組成的普通雙T接頭魔T，如圖2所示，由于連接處結(jié)構(gòu)突變，即使雙T各臂均接匹配負(fù)載，其各端口的反射也會(huì)很大，不能實(shí)現(xiàn)魔T特性。因此，在工程上實(shí)現(xiàn)魔T特性需在普通雙T接頭中加入調(diào)配體，以減少各端口的反射［6］。比較常用的匹配元件有螺釘、膜片或錐體等［7］，單純用螺釘或膜片來(lái)匹配的主要缺點(diǎn)是調(diào)配困難，頻帶較窄。在文獻(xiàn)［8-9］中，為了獲得好的魔T性能，除了在魔T接頭處加入匹配元件外，還在E臂上加了金屬膜片或金屬柱體，如圖3所示，這給魔T的制作增加了一定的難度。文獻(xiàn)［6］去掉了文獻(xiàn)［8］、文獻(xiàn)［9］中 E臂上的匹配元件，僅保留在接頭處的匹配部分，試圖通過(guò)改變匹配體的形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)好的魔T性能，仿真結(jié)果表明該方法確實(shí)可行。但其中的螺釘結(jié)構(gòu)半徑要小于0.5 mm，在高速運(yùn)載體上使用會(huì)形成震顫，從而影響性能穩(wěn)定。為了簡(jiǎn)化魔T的結(jié)構(gòu)，降低機(jī)械加工復(fù)雜程度，提高抗振動(dòng)能力，本文設(shè)計(jì)了采用階梯型過(guò)渡的匹配結(jié)構(gòu)形式，如圖4所示。

圖2 普通魔T的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 文獻(xiàn)中魔T的結(jié)構(gòu)

圖4 階梯型魔T

為了得出適用于工程應(yīng)用的參數(shù)數(shù)據(jù)，本文通過(guò)高頻仿真軟件HFSS對(duì)圖4b)三視圖中各參數(shù)進(jìn)行仿真與優(yōu)化，總結(jié)出這些參數(shù)的變化對(duì)魔T性能的影響，以得出便于實(shí)際工程應(yīng)用的結(jié)果。魔T的仿真與優(yōu)化過(guò)程為:在初步確定魔T的結(jié)構(gòu)尺寸后，通過(guò)改變圖4中的參數(shù)值尋找最優(yōu)的S參數(shù)。在33.5 GHz～36.5 GHz范圍內(nèi)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，為獲得較好的平分特性、高隔離度、低損耗，最終確定了其最優(yōu)參數(shù)為:a=5.24，b=3.5，l1=26.49，l2=9.48，l3=14.39，l4=8.18，l5=4.63，l6=3.73，l7=1.53，l8=5.82，d1=0.67，d2=0.61，d3=1.13(以上長(zhǎng)度單位為mm)。其仿真結(jié)果如下:首先，來(lái)看它的匹配特性，如圖5a)所示，四個(gè)端口的回波損耗均大于20 dB;其次，隔離特性，如圖5b)所示，1、2端口的隔離度優(yōu)于25 dB，3、4端口的隔離度優(yōu)于55 dB;然后，平分特性，如圖5c)所示，當(dāng)信號(hào)從3、4端口輸入時(shí)，1、2端口能很好的平分，功率差值小于0.05 dB。

仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，l3、l4、d1、d2主要是影響直通端口與和端口的反射系數(shù)。l8對(duì)魔T和差口的匹配特性有很大影響，往往出現(xiàn)和端口性能好了，而差端口惡化或反之，因此，設(shè)計(jì)中要綜合考慮各端口特性，多次試驗(yàn)尋找最優(yōu)結(jié)果。

圖5 匹配特性

3 和差網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與仿真分析

本文所做的和差網(wǎng)絡(luò)，因設(shè)計(jì)需求，和差端口需成一直線(xiàn)排列，根據(jù)圖1所示的單脈沖和差網(wǎng)絡(luò)原理圖安排四個(gè)魔T的擺放和連接，且四個(gè)輸入端口要成十字形分布。

圖6 和差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

為提高電磁波傳輸效率，減少端口反射，需優(yōu)化波導(dǎo)拐角處的連接?？紤]到實(shí)際加工工藝，H面拐角可以進(jìn)行倒圓角，E面拐角可以采用階梯過(guò)渡的形式。以上設(shè)計(jì)所用波導(dǎo)為非標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，為便于和差器和其他器件連接，還需過(guò)渡到標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)。對(duì)每個(gè)連接處分別優(yōu)化達(dá)到最優(yōu)性能，然后，進(jìn)行聯(lián)合仿真以獲得最優(yōu)結(jié)果，圖6為優(yōu)化后結(jié)構(gòu)圖。

圖7為單脈沖和差網(wǎng)絡(luò)在HFSS中的仿真結(jié)果。在2G帶寬內(nèi)，各端口的回波損耗大于15 dB，當(dāng)和端口激勵(lì)時(shí)，各輸出端口的幅度一致性小于0.1 dB，相位一致性小于5°。當(dāng)俯仰差端口6激勵(lì)時(shí)，1～4端口的相位反向特性如圖7e)所示，相位偏差小于7°。

圖7 和差網(wǎng)絡(luò)在HFSS中的仿真結(jié)果

在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，魔T結(jié)構(gòu)中匹配矩形槽厚度d3的大小變化對(duì)整個(gè)和差網(wǎng)絡(luò)性能有一定影響，在其他參數(shù)不變的條件下，分別取d3=1.03 mm，1.08 mm，1.13 mm，1.18 mm和1.23 mm，這五種情況下和差網(wǎng)絡(luò)匹配特性(只列出典型值和端口和差端口8的回波損耗)，如圖8所示。從圖中可以看出，d3在0.2 mm范圍內(nèi)的變化能影響和端口中心頻點(diǎn)處約10 dB的變化，影響差端口中心頻點(diǎn)處約15 dB的變化，因而，加工誤差對(duì)和差器性能會(huì)產(chǎn)生一定影響。

圖8 和差網(wǎng)絡(luò)的靈敏度分析

4 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

圖9為單脈沖和差器的實(shí)物圖片。圖9a)為和差器四個(gè)輸入端口，成十字形分布;圖9b)為和差網(wǎng)絡(luò)四個(gè)輸出端口，成一直線(xiàn)排列;圖9c)圖為切割第二層示意圖。

圖9 單脈沖和差網(wǎng)絡(luò)原理示意圖

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試此和差器，圖10給出和差器測(cè)試結(jié)果。圖10a)為四個(gè)輸入端口的回波損耗;圖10b)為和端口及兩個(gè)差端口的回波損耗;圖10c)為四個(gè)輸入端口到差端口8的插入損耗;圖10d)為四個(gè)輸入端口到和端口的相位一致性;圖10e)為當(dāng)差端口6激勵(lì)時(shí)，1～4端口的相位反向特性。分析測(cè)試結(jié)果可以看出，在2G帶寬內(nèi)，各端口的回波損耗約大于12 dB;當(dāng)差端口8激勵(lì)時(shí)，各輸出端口的幅度一致性小于1 dB;當(dāng)和端口激勵(lì)時(shí)，輸出端口相位一致性小于7°;當(dāng)差端口6激勵(lì)時(shí)，輸出端口相位偏差小于8°。由于在毫米波頻段，加工和裝配精度以及測(cè)試環(huán)境對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果影響較大，造成實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果有一定的誤差。

圖10 和差網(wǎng)絡(luò)的電性能測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)HFSS對(duì)8 mm波導(dǎo)魔T進(jìn)行了優(yōu)化仿真，設(shè)計(jì)出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于工程應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式，仿真結(jié)果表明:在33 GHz～37 GHz范圍內(nèi)，獲得了較好的匹配特性、隔離特性以及平分特性。采用此種階梯型魔T作為基本結(jié)構(gòu)單元，設(shè)計(jì)了一個(gè)Ka波段單脈沖和差網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試結(jié)果良好，對(duì)研制毫米波段高性能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的和差網(wǎng)絡(luò)具有一定參考。

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