幅度固定唯相位實現波束控制的功分器設計

呂英華　甘曦　張金玲　鄭占旗　萬文鋼　溫舒樺

(1.北京郵電大學電子工程學院,北京100876;2.中國科學研究院微電子研究所,北京100029)

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幅度固定唯相位實現波束控制的功分器設計

呂英華1甘曦1張金玲1鄭占旗2萬文鋼1溫舒樺1

(1.北京郵電大學電子工程學院,北京100876;2.中國科學研究院微電子研究所,北京100029)

摘要針對傳統陣列天線設計流程中功分器繁瑣的設計過程,基于滿足-3 dB范圍為0°～12°,-10 dB波束寬度為65°,波束覆蓋為65°,中心頻率為9.05 GHz的余割平方擴展波束賦形要求,設計了一種幅度固定唯相位實現波束控制的新型串饋結構Gysel功分器.該功分器幅度為固定值,此幅度分布滿足余割平方賦形陣列天線幅度的分布特征,在遺傳算法計算出理想賦形激勵后只需調整該功分器的輸出相位值就能實現高擬合度的余割平方擴展波束賦形,大為減少了傳統設計中功分器所需的設計時間.

關鍵詞Gysel功分器;串饋結構;唯相位控制波束;固定幅度

引言

功分器全稱為功率分配器[1],是一種將一路輸入信號分配成兩路或者兩路以上輸出的器件.在陣列天線系統中,功分器與天線都是必不可少的元素,功分器是為了實現各個天線單元發射時所需的幅度和相位而設計的饋電網絡,只有輸出精確的激勵值,陣列天線才能輻射出準確的方向圖.

實際應用中可供選擇的功分器有很多種.工程上應用較多的是基于1960年Wilkinson提出并以其名字命名的功分器[2],Wilkinson功分器日后得到了廣泛的利用[3-4].根據工程中具體運用后設計者們又在此功分器的基礎上進行了改進,設計出了滿足不同需求且性能優良的功分器結構.其中包括材料上改進得到的左右手復合傳輸線的功分器[5],多分路性能優良的功分器[6]和用于波導傳輸的H型結構功分器[7]等.而Ulrich Gysel.H于1970年提出的Gysel功分器[8],這種結構能夠很方便地實現等相位功率分配及合成[9-10].另外常見的功分器還有T型頭功分器和圓弧過渡功分器[11].

本文基于傳統Gysel結構的功分器,設計出工作在X波段,中心頻率為9.05 GHz的幅度固定唯相位控制波束新型串饋結構Gysel功分器,解決了當前天線系統工程中傳統功分器設計繁雜的問題,大為減少了功分器所需的設計時間.這種新型功分器端口的輸出幅度為確定值,相位可根據天線仿真軟件中已設定好的變量任意調節出所需值.

1新型串饋結構Gysel功分器的設計

1.1Gysel功分器單元

圖1　Gysel功分器單元原理圖

Gysel功分器單元的工作原理如圖1所示.其中 Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6對應的L1、L2、L3、L4、L5、L6各段長度都為四分之一波長.輸出端口2與輸出端口3的功分比為 P2/P3=k2=1.總輸入端、2個輸出端和 2個隔離電阻的特性阻抗都為Z0=50Ω.其中Z1～ Z6的計算公式如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

當工作頻率在X波段、中心頻率為9.05 GHz時,Gysel功分器單元兩路等功率分配模型的計算如下.該功分器單元的介質板采用羅杰斯4330,介電常數為3.5,厚度為0.508 mm. 當輸出端口2和端口3等功率分配1∶1時,即P2/P3=k2=1. 將k2=1帶入式(1)～(5)中,得到:

Z1=Z2=70.7 Ω；

Z3=Z4=50 Ω；

Z5=Z6=25 Ω.

采用APPCAD軟件可根據已知的特征阻抗值計算得到對應的微帶線寬度值W,得到:

W1=W2=0.61 mm；

W3=W4=1.12 mm；

W5=W6=3.03 mm.

Gysel 功分器單元兩路等功率分配模型結構如圖2所示.信號從端口1輸入,理想情況下由于兩端阻抗完全相同,所以功率從端口2和端口3等幅輸出,又由于兩段傳輸長度完全相同,所以輸出信號的相位相同.

圖2　Gysel功分器單元兩路等功率分配模型

1.2新型串饋Gysel功分器的結構與性能

幅度固定唯相位實現波束控制新型串饋結構Gysel功分器的模型如圖3所示.該功分器采用的介質板為羅杰斯4330,介電常數為3.5,厚度為0.508 mm.功分器的背面采用整塊銅板作為接地端.該功分器擁有1個輸入端口與16個輸出端口,其中16個輸出端口的間距采用9.05 GHz半波長,即16.7 mm.每個輸入輸出端口的微帶線寬為1.1 mm.

該功分器采用串饋結構,從正中間第一級功分器單元1比1功率輸出開始,依次向兩側逐級向下采用相同簡潔的等比例分配功率的單元結構,實現輸出幅度大小從中心向兩側依次降低的分布特征.當輸入幅度值設定為1時,得到16組輸出幅度值依次為:[0.040 7、0.042 4、0.064、0.095、 0.141、0.21、0.31、0.458、0.463、0.31、0.21、 0.14、0.094、0.063、0.041 5、0.039 7].經驗證,該幅度分布滿足余割平方賦型陣列天線幅度分布特征,能夠在遺傳算法賦形中實現高擬合度的余割平方賦形.經仿真分析,該功分器輸入端口d0的S11參數如圖4所示,在8.6～9.6 GHz之間均小于-24 dB,可見激勵信號輸入后反射很小,而輸出端口間的隔離度如圖5所示,在8.6～9.6 GHz之間均小于-26 dB,同時說明各個端口間的干擾很小.

圖3　新型串饋結構Gysel功分器

圖4　S11參數

圖5　隔離度

2實例仿真分析

以16單元印刷偶極子天線陣列,賦形指標為-3 dB范圍為0°～12°,-10 dB波束寬度為65°,波束覆蓋為65°,中心頻率為9.05 GHz的余割平方波束為例,說明該功分器在實際中的應用.基于功分器的固定幅度值,將余割平方擴展波束作為目標方向圖,利用遺傳算法計算得到一組滿足此賦形的相位值. 遺傳算法計算得到的相位值如表1所示,賦形結果如圖6所示.

表1　遺傳算法計算得到的相位值

圖6　遺傳算法計算得到的激勵值對應的方向圖

經驗證,圖3中的d(x)與相鄰單元相位差呈線性比例.下面則需找出兩者對應的線性比例即可得到不同的d(x)值對應的相鄰單元相位差.這種線性關系可由公式Y(x)=cd(x)+b表示,其中Y(x)為相鄰單元間的相位差,d(x)為圖3所示中半圓弧兩側豎直微帶線的長度,c為線性關系的斜率,b為截距.例如,首先在HFSS中掃描d1參數可得到一個d1與Y(1)的線性比例圖,在此圖中取兩點可求出c值.當公式中x取值不同時,可驗證各個Y(x)=cd(x)+b中的c值都為一樣,且c=-36.3.c值確定以后,將初始的d(x)值帶入公式中,利用現有相鄰端口的相位差Y(x)帶入公式中求出b,不同d(x)值對應的b值是不一樣的.至此公式中已確定c與b的值.將利用表1中遺傳算法計算出賦形所需相位值求出各個相鄰單元的相位差Y(x),一共15組數據,將這些數據帶入線性關系公式中,即可得到輸出各組相位差所需的d(x)按照此比例調節d0,d2,d3,…,d13,d14的值,即可實現功分器輸出相位值與遺傳算法計算出的相位值一致. 該功分器的輸出幅度與相位如表2所示.將這組數據帶入天線模型中,對應的方向圖如圖7所示.

表2新型串饋結構Gysel功分器輸出的幅度與相位

端口幅度相位端口幅度相位D7-20.0397303.5D80.46782.4D7-10.0414343.9D90.31163.8D60.062284D100.21185.8D50.093144.7D110.138274.4D40.138253.5D120.09370.8D30.21225.4D130.06294.3D20.3193.8D14-10.0409128D10.46177.8D14-20.0384210.1

圖7　新型串饋結構Gysel功分器輸出的激勵值對應的方向圖

由圖6與圖7可見，兩者方向圖幾乎一致,而且賦形擬合度高,說明該功分器輸出的幅度和相位值與遺傳算法計算值一致,能夠滿足余割平方方向圖賦形的要求.

由整個功分器設計過程可見,這種新型串饋結構Gysel功分器不需要進行幅度的調節,只需要調節輸出相位就能滿足余割平方方向圖賦形設計.而傳統的功分器設計中,設計者會依照算法給出的幅度與相位值對其進行調節,輸出結果滿意后完成設計,整個過程十分繁雜,尤其是完成輸出幅度值的調節,會耗費大量的時間.由此可見,該新型串饋結構Gysel功分器在陣列天線系統中使得功分器的設計變得簡單、高效.

3結論

本文以傳統Gysel功分器單元為基礎,針對傳統陣列天線系統設計中功分器繁瑣的設計過程,提出了一種固定幅度唯相位控制波束新型串饋結構Gysel功分器.該功分器簡化了設計流程,且性能優良,只需調整輸出相位值即可滿足余割平方方向圖的賦形要求.

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Gysel power divider with fixed amplitude and phase-only beam control

Lü Yinghua1GAN Xi1ZHANG Jinling1ZHENG Zhanqi2WAN Wengang1WEN Shuhua1

(1.SchoolofElectronicEngineering,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876,China; 2.InstituteofMicroelectronicsofChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China)

AbstractFor tedious design of power divider in traditional array antenna design process, based on the -3 dB beam width in height is from 0° to 12°, -10 dB beam width in height is from 12° to 65°, total height coverage is 65°, the center frequency is 9.05 GHz cosecant squared expanded beam informs requirements, this paper designs a new serially fed structure Gysel power divider with fixed amplitude and phase-only control. This power divider amplitude as a fixed value and only using the phase to control antenna’s beamforming. Using genetic algorithm, it can realize accurate beamforming of the cosecant squared expanded beam and use less time to complete the design.

KeywordsGysel power divider; fed structure; phase-only control; fixed amplitude

收稿日期：2015-06-10

中圖分類號TN819.1

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2016)02-0358-05

DOI10.13443/j.cjors.2015061004

作者簡介

呂英華 (1944-),男,遼寧人,北京郵電大學教授,博士生導師.中國郵電高校(英文)學報、電波科學學報、中國高校學術文摘等編委、國家自然基金委的同行評議專家,通信學會高級會員.主要從事電磁兼容與信息安全、電波與天線、生物電子等方面的研究.承擔項目30余項,在國內外重要學術刊物及會議上發表文章260多篇.

甘曦(1989-),男,湖南人,北京郵電大學電子工程學院碩士研究生,主要研究方向為微帶天線,功分器以及陣列賦形天線等.

張金玲 (1968-),女,內蒙古人,博士,副教授,博士生導師,主要從事電磁場與微波技術,太赫茲電子技術和生物醫學電子學領域的研究工作.

呂英華, 甘曦, 張金玲, 等. 幅度固定唯相位實現波束控制的功分器設計[J]. 電波科學學報,2016,31(2):358-362. DOI:10.13443/j.cjors.2015061004.

Lü Y H, GAN X, ZHANG J L, et al. Gysel power divider with fixed amplitude and phase-only beam control[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):358-362. (in Chinese). DOI:10.13443/j.cjors.2015061004

資助項目: 國家自然科學基金(No.61171051)

聯系人： 甘曦 E-mail：se7en13502@qq.com