簡易高定向耦合器

萬繼偉

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

隨著軍事雷達技術(shù)的發(fā)展，對雷達性能的監(jiān)測要求越來越高。只有對雷達性能形成有效的監(jiān)測，才能對雷達的狀態(tài)進行干預(yù)，從而保證雷達工作在最佳狀態(tài)。

現(xiàn)代的相控陣雷達大多采用帶線體制的耦合器來實現(xiàn)，因為這種耦合器從理論上來說傳輸標準TEM波，其定向性可以得到有效保證［1-2］。但實際工程中由于印制板色散等原因，不可避免地會出現(xiàn)定向性的下降。在一些特定場合由于工程原因，也有采用微帶線體制來制作耦合器，由于微帶線傳輸?shù)氖菧蔜EM波，所以其定向性在理論上就不好。為了解決定向性不好的問題，通常有一些解決辦法［3-4］。但這些設(shè)計方法無不對加工精度要求較高。即使帶線的耦合器借鑒這些辦法，也不符合批生產(chǎn)要求。隨著現(xiàn)代雷達規(guī)模的越來越大，其耦合器的使用規(guī)模也越來越大，一個大型雷達的耦合器數(shù)量可以達到數(shù)千只，要想保證這么多耦合器大量生產(chǎn)，而且全部達到高定向性，其生產(chǎn)難度和調(diào)試難度可想而知［5］。

本文針對S波段雷達中需要使用的耦合器，提出了一種較為簡易的方法來提高帶線耦合器的定向性，使得帶線耦合器既滿足工程需要，又能很好地滿足大量生產(chǎn)要求。結(jié)合少量的調(diào)試即可保證耦合器的大批量生產(chǎn)成功率。其設(shè)計方法可以運用到其他頻段以及微帶體制的耦合器中。

1 帶線耦合器定向性

由于帶線內(nèi)傳輸?shù)臑闃藴蔜EM波，所以，經(jīng)過奇偶模理論分析可以得知該耦合器是存在較好的定向性。但常規(guī)耦合器的定向性在實際仿真時只能達到20 dB左右，如圖1所示。實際工程中存在加工誤差、印制板的不均勻性等各種因素，實際加工的耦合器定向性通常在17 dB～18 dB，大量生產(chǎn)定向性甚至只能達到15 dB。如果需要達到理想的20 dB，則對印制板及殼體的加工、印制板均勻性等需要提出較高的要求，而這會大大增加其加工成本。要提高定向性，也可借鑒微帶傳輸提高定向性的方法，在耦合段增加耦合電容，但這些方法無不增加了生產(chǎn)難度。而本文通過增加其耦合段補償電容的辦法提高其定向性，最大的優(yōu)勢在于幾乎不增加任何加工難度，其工程性更好。

圖1 常規(guī)耦合器與定向性仿真圖

2 增加耦合器定向性

增加耦合器的定向性是采用增加耦合段電容的方法來實現(xiàn)的。由于借鑒了微帶耦合器的設(shè)計方法，其理論依據(jù)見文獻［1］，這里就不再贅述。為了減少加工難度，增加耦合段電容是用兩段終端開路傳輸線來實現(xiàn)的，如圖2所示，該耦合器設(shè)計中心頻率為3 GHz，耦合度為20 dB。通過這兩段終端開路傳輸線的長度及寬度來調(diào)節(jié)耦合器的性能。耦合段的線寬也可稍做調(diào)整。

圖2 增加終端開路傳輸線的耦合器與其定向性仿真圖

圖3為改進前后定向性的對比圖，通過該圖可以看出其定向性在較寬的帶寬內(nèi)均有5 dB以上的改善。

圖3 改進前后的定向性對比

定向性即使有所下降，也能滿足其定向性為20 dB的要求，大大降低了工程制作難度。而實測數(shù)據(jù)也很好地證明了該方法是切實可行的。加工出來的耦合器95%以上可以滿足20 dB定向性要求，另有5%稍做調(diào)試也可以滿足該項指標。

3 改進后耦合器的缺點及定向性其他因素

這種定向性的改進也是有代價的，由于增加了兩段開路傳輸線，其耦合段的駐波帶寬相比于原來的耦合器較窄。圖4為兩種耦合器的耦合端駐波對比圖，雖然定向性得到了較大程度地提高，但駐波的帶寬變得較窄。

從圖4中可以看出由于耦合端駐波帶寬相比于原有的耦合器較窄，整個耦合器的帶寬也會受到影響，如果匹配得當時，該耦合器的帶寬可以達到33%左右(耦合端駐波1.2)。而這種性能已經(jīng)能夠滿足大部分系統(tǒng)的需求。

圖4 改進前后的耦合端駐波對比

除了耦合器本身設(shè)計及加工外，隔離端的負載性能也對定向性的性能有較大影響，該批量的耦合器隔離端的負載在整個帶寬內(nèi)的駐波小于1.1，有效地保證了定向性的實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

隨著系統(tǒng)的不斷進步，對耦合器的定向性指標要求越來越高。本文提供了一種較為簡易的方法來提高耦合器的定向性。由于只是在耦合器的耦合端增加兩段開路傳輸線，所以這種方法易于加工，成品率高。實際的工程制作批量一次合格率達到了95%以上，證明了該項措施的有效性。

［1］ 劉志紅，李 兵.大功率微帶定向耦合器的設(shè)計［J］.現(xiàn)代雷達，2012，34(4):67-70.Liu Zhihong，Li Bing.Design of high power microstrip directional coupler［J］.Modern Radar，2012，34(4):67-70.

［2］ 蔡 鈞，唐 艷.基于遺傳算法非對稱多級分支定向耦合器設(shè)計［J］.現(xiàn)代雷達，2007，29(7):65-67，71.Cai Jun，Tang Yan.Design of unsymmetrical multi-section branch-line hybrid based on improved genetic algorithm［J］.Modern Radar，2007，29(7):65-67，71.

［3］ 凌天慶，張德斌.一種高定向性寬頻帶微帶定向耦合器的研究［J］.微波學報，2001，17(4):85-91.Ling Tianqing，Zhang debin.Study on a kind of high-directivity and broadband microwave directional coupler［J］.Journal of Microwaves，2001，17(4):85-91.

［4］ 金 鈴.一種非對稱新型微帶耦合器的研究［J］.微波學報，1997，13(2):167-172，179.Jin Ling.Study on a new unsymmetric microstrip coupler［J］.Journal of Microwaves，1997，13(2):167-172，179.

［5］ 清華大學《微帶電路》編寫組.微帶電路［M］.北京:人民郵電出版社，1979.Tsing Hua University Microstrip Circuit Compile Group.Microstrip circuit［M］.Beijing:Post＆ Telecom Press，1979.