一種新型微波寬帶單脈沖天饋系統(tǒng)

 1 引言

本文闡述了一種工作在C~X頻段的新型微波寬頻帶單脈沖天饋系統(tǒng)，包括和差比較器和槽線天線陣和寬帶功分器。國外對寬頻帶天線的研究比較早,實現(xiàn)寬頻帶的天線種類很多,但多用于相控陣天線陣或單波束天線陣,用于單脈沖方面的寬頻帶天線的報道很少。國內(nèi)對于寬頻帶天線的研究不僅發(fā)表很多文獻，而且已經(jīng)應用于工程系統(tǒng)中。但用得較多的天線形式是雙臂螺旋線天線，而且工作體制是寬波束低增益比相單脈沖。寬頻帶單脈沖高增益天饋系統(tǒng)的相關報道很少。本文提出了一種新型的寬頻帶單脈沖高增益的天饋系統(tǒng)。

本文用漸變槽線天線為單元構(gòu)成天線陣列以獲得較高的增益，以Lange耦合器為基本單元構(gòu)成和差比較器，從而構(gòu)成整個單脈沖天饋系統(tǒng)。

2 和差比較器

單脈沖雷達的關鍵部件是射頻單脈沖處理器，這個部件完成對接收到的微波信號的比較，所以又稱為單脈沖比較器(Monopulse Comparator)或和差比較器，如圖1所示。由和差比較器產(chǎn)生的方位差信號和俯仰差信號能用來確定目標相對于雷達天線視角的方位。為了克服波導結(jié)構(gòu)的缺點，本文采用平面的微帶結(jié)構(gòu)。典型的波導結(jié)構(gòu)單脈沖比較網(wǎng)絡用0°/1803dB 耦合器設計而成，如圖2所示。當四路信號分別從輸入端口1、2、3、4同相輸入時，由于延時器和3dB耦合器均會產(chǎn)生90°相位差，所以在相應的輸出端口產(chǎn)生由這四路信號共同作用的和差信號。圖2中的端口5即為和端口，端口6、7分別形成俯仰差信號和方位差信號，而端口8形成的信號在此處為無用信號，實際中常將此端口加匹配負載，故稱為匹配端口。

圖1 和差比較器

圖2 和差比較器原理圖

本文采用了Lange耦合器結(jié)合90°延遲線組成微帶結(jié)構(gòu)的單脈沖比較器，其HFSS模型如圖3所示，1、2、3、4端口為輸入端口，5、6、7、8端口為輸出端口。采用介電常數(shù)為10.2的介質(zhì)基片，通過仿真分析確定耦合器的線寬w，線間距離s，微帶饋線寬度w1等參數(shù)。圖3中線條較密集的部分為Lange耦合器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，屬于寬帶耦合器且結(jié)構(gòu)緊湊，共有4個端口，輸入的信號在直通端和耦合端等分輸出，中間的弧線為金屬跳線(bondwire)，多采用很細的金絲制成。

圖3 和差比較器HFSS模型 圖5給出了和差比較器一個輸入端口的特性曲線，從中可明顯看出一個輸入端口輸入的信號在四個輸出端口近似等幅輸出，回波損耗及各輸入端口之間的隔離度在整個頻帶內(nèi)都在-15dB以下。其他端口類似，不再給出。

圖4 Lange耦合器

圖5 輸入端口特性曲線

3 系統(tǒng)中的天線及天線陣

天線陣中的基本單元是指數(shù)漸變槽線天線, 圖6給出該漸變槽線天線的HFSS模型。 這種天線的結(jié)構(gòu)比較簡單,總共由三層材料組成:最頂層是金屬接地板,在該接地板上掏出由槽線(實線所示) 所圍的縫隙結(jié)構(gòu)，槽線由三部分構(gòu)成，第一部分是圓形槽線腔,對微帶傳輸線起到阻抗匹配作用;第二部分是矩形槽線,和微帶傳輸線起到相互耦合傳輸電磁波的作用;第三部分是漸變槽線,對天線所輻射的電磁波起到引向作用。中間層是介質(zhì)板。最底層是金屬微帶線(紅色部分所示)，微帶線的終端為扇形結(jié)構(gòu),主要起到終端負載匹配作用，微帶線通過該介質(zhì)板向槽線耦合饋電。該天線的駐波比主要取決于微帶饋線各匹配段的長度和寬度及槽線寬和終端腔體的尺寸等參數(shù)的選取，再者所有參數(shù)之間具有互補性，良好的輻射特性和駐波特性的槽線天線的獲得則需要根據(jù)天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取得到。需要說明的是天線單元幾個參數(shù)的選取，由于開口端長度最大不能超過工作頻帶中的高端波長, 否則陣列天線在高端出現(xiàn)柵瓣，開口又不能太小, 因為太小低端的輻射特性又要受到影響。槽線天線是指數(shù)漸變曲線，其方程為：

圖6 槽線天線的HFSS模型

將圖6所示的天線單元組成4個2×2的天線子陣，每個子陣分別接和差比較器的輸入端。采用Rogers 5880介質(zhì)基板，基板厚度0.508mm，介電常數(shù)為2.2，終端開口寬度為17mm，比例因子R=0.03，槽線寬度Wn=1mm。將圖3中和差比較器的每個輸入端口采用威爾金森功分器的形式形成兩個端口，分別接入二元天線陣(此天線陣平面與和差比較器平面垂直)，這樣每個比較器的輸入端口就是接入2×2天線陣，從而形成整個單脈沖天饋系統(tǒng)(如圖7所示)。

圖7 單脈沖天線陣示意圖

圖8 天線的E面和H面方向圖

圖9 天線陣的和差方向圖 圖8給出了天線陣高頻端和低頻端的E面和H面方向圖，主瓣的E面和H面方向圖吻合的非常好，圖9分別給出了該天線陣在高頻端和低頻端的和差方向圖，從圖中可看出差方向圖的零深小于-40dB，和方向圖的副瓣低于-15dB，經(jīng)仿真該天饋系統(tǒng)在整個頻帶(5-10GHz)內(nèi)增益均大于15dB(如圖10所示)，駐波比均小于2.0(如圖11所示)。

圖10 天線陣的增益

圖11 天線的駐波比

4 結(jié)論

本文設計了一個C~X頻段高增益的結(jié)構(gòu)緊湊型單脈沖天饋系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的增益、波瓣寬度、副瓣電平、駐波比都達到了令人滿意的程度。