一種微帶寬帶和差波束形成網(wǎng)絡(luò )設計

　　引言

　　雷達單脈沖測角系統中的和差網(wǎng)絡(luò )是形成和差波束的關(guān)鍵部件。常見(jiàn)微帶形式的和差網(wǎng)絡(luò )有帶狀線(xiàn)、矩形同軸線(xiàn)及多層微帶形式等。而單層微帶形式實(shí)現的和差網(wǎng)絡(luò )則在結構和加工制造及集成等方面具有優(yōu)勢。微帶形式的和差網(wǎng)絡(luò )可以用1.5混合環(huán)混合環(huán)，混合環(huán)由于和口和差口被3dB輸出口分開(kāi)而不便于平面布線(xiàn)。本文提出的微帶三分支定向耦合器加改進(jìn)后的90度schiffman移相器實(shí)現單層微帶和差網(wǎng)絡(luò )。

　　2 三分支定向耦合器的優(yōu)化設計

　　常見(jiàn)的分支線(xiàn)定向耦合器由兩根平行傳輸線(xiàn)組成，通過(guò)分支線(xiàn)實(shí)現耦合，分支線(xiàn)的長(cháng)度為中心工作頻率導波長(cháng)的四分之一。通常兩分支耦合器的帶寬較窄影響其使用，超過(guò)三分支的耦合器由于阻抗懸殊太大而不易實(shí)現，常見(jiàn)三分支定向耦合器如圖1所示。3dB耦合時(shí)通常分支線(xiàn)G的阻抗較大，線(xiàn)寬較窄，不易實(shí)現。本文為了實(shí)現更好帶內特性及降低分支線(xiàn)G的阻抗值，將該分支線(xiàn)耦合器改進(jìn)為圖2。各節的長(cháng)度均取工作中心頻率導波長(cháng)的四分之一。此時(shí)G值減小，且工作帶寬內耦合器特性有明顯改善。

　　圖1 三分支定向耦合器

　　圖2 改進(jìn)后的三分支定向耦合器

　　分支電橋有兩結構對稱(chēng)面，我們選擇輸入口與隔離口之間的對稱(chēng)面進(jìn)行奇偶模分析。奇模時(shí)，對稱(chēng)面為電壁，被對稱(chēng)面分開(kāi)的傳輸線(xiàn)處等效為短路。相反偶模時(shí)等效為開(kāi)路。利用A矩陣進(jìn)行級聯(lián)計算，再轉化為S參數，得到奇偶模時(shí)的反射系數(

)和傳輸系數(

)。則最終電橋的S參數為：

(1)

　　改進(jìn)后的三分支耦合器需要確定的參數有：G,K,H,H1等各段的阻抗值,本文采用粒子群優(yōu)化算法[3，4]優(yōu)化這四個(gè)參數。目標函數是要求帶內端口反射系數及直通與耦合臂輸出差別最小。工作相對帶寬取40%，輸入輸出為50歐姆。最終優(yōu)化的各段特性阻抗為：G=75.08歐姆,K=27.13歐姆,H=23.25歐姆，H1=40.68歐姆。帶內反射系數小于-25dB，耦合臂與直通臂帶內差不超過(guò)0.63dB。

　　3 改進(jìn)的90度微帶移相器設計

　　我們知道schiffman移相器是利用U形彎耦合線(xiàn)引入附加相移，schiffman移相器因耦合線(xiàn)間距太近而難以實(shí)現，尤其單層微帶實(shí)現強耦合很困難，因此限制了其使用。本文設計的移相器是schiffman移相器的改進(jìn)。通過(guò)奇偶模分析法可得U形彎耦合線(xiàn)相移與其平行線(xiàn)電長(cháng)度的關(guān)系式如式(2)，改變線(xiàn)的耦合系數K，可改變該附加相移。因此可實(shí)現90度移相。實(shí)現相移與耦合度關(guān)系曲線(xiàn)如圖3。

(2)

(3)

　　圖3 相移與耦合度關(guān)系曲線(xiàn)

　　由圖可知，當耦合度為-3dB時(shí)，可實(shí)現90度移相。因平面微帶線(xiàn)實(shí)現3dB耦合很困難，而當耦合度為大約為-10dB時(shí)，可實(shí)現30度移相。而當耦合度為-12.3dB時(shí)，可實(shí)現22.5度移相?？紤]到M形走線(xiàn)可相當于三個(gè)U形耦合結構，因此采用M形耦合(相鄰耦合度為10dB)可實(shí)現寬帶90度耦合。如圖4所示。經(jīng)HFSS仿真軟件仿真，40%帶寬內相對于長(cháng)為1.25的傳輸線(xiàn)可實(shí)現移相90°±1°。

　　圖4 改進(jìn)后的schiffman移相器 最終單層微帶和差網(wǎng)絡(luò )內部電路圖如圖5所示，其中端口1為差口，端口2為和口。利用HFSS仿真優(yōu)化設計，圖6為其端口反射系數，圖7為直通及耦合度，圖8為其和通道相差及差通道相差，圖9為其和差口間的隔離度。

　　圖5 和差網(wǎng)絡(luò )內部電路

　　圖6 各端口駐波

　　圖7 直通及耦合度

　　圖8 和通道相差與差通道相差

　　圖9 和差口間的隔離度

　　4 結論

　　本文提出了一種新穎的單層微帶寬帶和差波束形成網(wǎng)絡(luò )的設計方法，改進(jìn)的微帶三分支電橋提高了帶內性能且降低了工藝加工難度，移相器是對schiffman移相器進(jìn)行了改進(jìn)設計，實(shí)現了微帶形式的schiffman移相器，且降低了對微帶線(xiàn)間距的工藝要求。利用HFSS仿真設計了一帶寬達40%的和差波束形成網(wǎng)絡(luò )，驗證了方法的有效性。