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(guó)外對(duì)寬頻帶天線的研究比較早,實(shí)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(bào)道很少。國(guó)內(nèi)對(duì)于寬頻帶天線的研究不僅發(fā)表很多文獻(xiàn)，而且已經(jīng)應(yīng)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(guān)報(bào)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(gè)單脈沖天饋系統(tǒng)。

2 和差比較器

單脈沖雷達(dá)的關(guān)鍵部件是射頻單脈沖處理器，這個(gè)部件完成對(duì)接收到的微波信號(hào)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(hào)和俯仰差信號(hào)能用來確定目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)天線視角的方位。為了克服波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，本文采用平面的微帶結(jié)構(gòu)。典型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)單脈沖比較網(wǎng)絡(luò)用0°/1803dB 耦合器設(shè)計(jì)而成，如圖2所示。當(dāng)四路信號(hào)分別從輸入端口1、2、3、4同相輸入時(shí)，由于延時(shí)器和3dB耦合器均會(huì)產(chǎn)生90°相位差，所以在相應(yīng)的輸出端口產(chǎn)生由這四路信號(hào)共同作用的和差信號(hào)。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(hào)和方位差信號(hào)，而端口8形成的信號(hào)在此處為無用信號(hào)，實(shí)際中常將此端口加匹配負(fù)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L(zhǎng)ange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(gè)端口，輸入的信號(hào)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(xì)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(gè)輸入端口的特性曲線，從中可明顯看出一個(gè)輸入端口輸入的信號(hào)在四個(gè)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(gè)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(jiǎn)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(shí)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(duì)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(duì)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(fù)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(zhǎng)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(bǔ)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(gè)參數(shù)的選取，由于開口端長(zhǎng)度最大不能超過工作頻帶中的高端波長(zhǎng), 否則陣列天線在高端出現(xiàn)柵瓣，開口又不能太小, 因?yàn)樘〉投说妮椛涮匦杂忠艿接绊?。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(gè)2×2的天線子陣，每個(gè)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(gè)輸入端口采用威爾金森功分器的形式形成兩個(gè)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(gè)比較器的輸入端口就是接入2×2天線陣，從而形成整個(gè)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(gè)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(shè)計(jì)了一個(gè)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(gè)系統(tǒng)的增益、波瓣寬度、副瓣電平、駐波比都達(dá)到了令人滿意的程度。