一種新型雙平面和差網絡設計

俞忠武，張國華，盛　璞

(1. 空軍工程大學 防空反導學院,　西安 710051；　2. 中國人民解放軍駐720廠軍事代表室，　南京 210038)

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一種新型雙平面和差網絡設計

俞忠武1，2，張國華2，盛璞2

(1. 空軍工程大學 防空反導學院,西安 710051；2. 中國人民解放軍駐720廠軍事代表室，南京 210038)

針對傳統的八端口雙平面和差網絡存在對交叉差端口的問題，文中提出了一種新型的七端口雙平面和差網絡結構。該網絡由三個平面魔T和一個Wilkinson功分器組成，運用微波網絡理論，推導了該網絡的S參數矩陣，從理論上證明了網絡結構設計的正確性。基于該網絡結構，采用三枝節分支線耦合器、寬帶90°移相器和Wilkinson功分器構建了一種七端口寬帶雙平面和差網絡，測試結果表明：該網絡在2.22 GHz～3.90 GHz的頻段內，具有良好的傳輸、隔離以及和差運算特性。該網絡結構避免了交叉差端口，具有結構簡單、制作成本低等優點，可以在雙平面單脈沖天線系統中得到廣泛應用。

和差網絡；雙平面；七端口

0　引　言

和差網絡是單脈沖雷達系統重要的組成部件，天線接收到的信號需要由和差網絡來完成和差比較運算。和差網絡能夠同時將兩路或四路信號進行疊加和相減，并能同時輸出和差信號，因此，和差網絡有時又稱為和差器、比較器或者單脈沖處理器。傳統的雙平面和差網絡是一個由四個魔T構成的八端口網絡[1-7]，在實際應用中，信號的對角差往往并無實際意義，對角差端口需要負載進行匹配連接。

針對傳統的雙平面和差網絡存在對交叉差端口的問題，在總結相關文獻的基礎上[8]，本文提出了一種七端口和差網絡結構。該網絡結構取消了對角差端口，簡化了結構設計。運用微波網絡理論，推導了網絡的S參數矩陣，從理論上證明了網絡結構設計的正確性。基于該網絡結構模型，設計了一種七端口寬帶雙平面和差網絡，該網絡由三個平面魔T和一個Wilkinson功分器組成，平面魔T由3 dB分支線耦合器加載90°移相線組成。測試結果表明，該網絡在工作頻帶內，具有良好的傳輸、隔離以及和差運算特性，從工程實踐上證明了網絡結構設計的正確性。該網絡結構避免了交叉差端口，可以在雙平面單脈沖天線系統中得到廣泛應用。

1　網絡結構的理論推導

七端口和差網絡結構如圖1所示，其中，端口1為和端口，端口2為俯仰差端口，端口3為方位差端口。該七端口網絡的S參數表達式推導過程如下：

對于一個加載90°移相線的平面魔T結構，其結構如圖2所示，其中，端口1為和端口，端口2為差端口，端口3和端口4為輸入/輸出端口。

圖1　七端口和差網絡結構圖

圖2　加載90°移相器的平面魔T結構圖

由微波網絡知識可知，圖2中平面魔T的S參數矩陣為

(1)

一分二Wilkinson功分器的S參數矩陣為

(2)

按照圖1中所標示的參數，可以得到如下網絡參數方程

(3)

(4)

(5)

(6)

將式(1)和式(2)對應的S參數值代入式(3)～式(6)中，并對方程進行化簡，可以得到

(7)

(8)

(9)

(10)

將式(7)～式(10)進行化簡，可得

(11)

從而，可以得到本文提出的七端口網絡的S參數矩陣為

(12)

從網絡S矩陣可以看出，該七端口網絡結構能夠在兩個平面內進行和差運算。與傳統八端口和差網絡相比，本文提出的結構取消了對角差端口，簡化了饋電網絡的結構。因此，該和差網絡結構可以在雙平面單脈沖天線饋電系統中廣泛采用。

2　和差網絡的設計

基于提出的七端口網絡結構，采用三枝節分支線耦合器和寬帶90°移相器，設計了一種雙平面和差網絡[9-11]。

和差網絡的實物如圖3所示，端口1為和端口，端口2為俯仰差端口，端口3為方位差端口。圖4為和差網絡端口的反射系數特性測試結果，圖5和圖6分別為和差端口隔離度測試結果和輸出端口隔離度測試結果。從圖4中可以看出，在2.22 GHz～3.92 GHz的頻帶內，七個端口的駐波均小于2，在2.5 GHz～3.5 GHz的大部分頻帶內，各個端口間的隔離度大于20 dB，其中，端口2和端口3的隔離度大于35 dB，表明和差網絡的具有良好的隔離特性。

圖3　和差網絡實物圖

圖4　和差網絡反射系數測試結果

圖5　和差端口隔離度測試結果

圖7為和差網絡測試性能評估結果，需要說明的是，實測的和差網絡對消性能評估結果是在矢量網絡分析儀上對和差網絡進行21次雙端口網絡測量的基礎上獲得的，通過對各個端口之間的幅度和相位特性進行整理，獲得了和差網絡的實測S參數文件，按照文獻[12]的方法，對測試結果進行和差對消性能的評估。和差網絡和端口的實測插入損耗小于1.9 dB，零值深度均在-27.1 dB以下，與計算值相比，零值深度有所減小。分析原因主要有以下兩點：一是介質板材料、加工工藝等因素造成的影響；二是在進行同軸接頭焊接時，焊點的輻射效應造成的影響。可以看出，和差網絡具有良好的工作性能。

3　結束語

本文提出了一種新型七端口雙平面和差網絡結構；首先，從理論上證明了網絡設計的正確性；其次，基于該網絡結構，采用三枝節分支線耦合器、寬帶90°移相器和Wilkihson功分器構建了一種寬帶雙平面和差網絡，測試結果表明七端口和差網絡具有良好的工作性能。本文提出的網絡結構具有結構簡單、制作成本低等優點，可以在雙平面單脈沖天線系統中得到廣泛應用。

[1]RIBLET G P. Compact planar micros trip-slotline symmetrical ring eight-port comparator circuits[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1990, 38(10): 1421-1426.

[2]張旭春. TSA的分析及寬帶雙極化單脈沖天線面陣的研制[D]. 西安: 空軍工程大學, 2004.

ZHANG Xuchun. Analysis of TSA and study on broadband dual-polarization monopulse antenna array [D]. Xi′an: Air Force Engineering University, 2004.

[3]張鳳林, 丁曉磊, 呂善偉, 等. 超寬頻帶雙極化對數周期單脈沖天線[J]. 電波科學學報, 2007, 22(5): 751-754.ZHANG Fenglin, DING Xiaolei, Lü Shanwei, et al. Ultra-wideband dual-polarization monopulse tracking antenna [J]. Chinese Journal of Radio Science, 2007, 22(5): 751-754.

[4]WANG H, FANG D G, CHEN X G. A compact single layer monopulse microstrip antenna array[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2006, 54(2): 503-509.

[5]張曉璐. 一種平面型寬帶單脈沖天線研究[D]. 西安：西安電子科技大學, 2014.

ZHANG Xiaolu. Study on a broadband planar monopulse antenna [D]. Xi′an: Xidian University, 2014.

[6]王旗. 單脈沖微帶平面天線的研究與設計[D]. 西安：西安電子科技大學, 2013.

WANG Qi. Design of monopulse microstrip planar antenna [D]. Xi′an: Xidian University, 2013.

[7]俞忠武, 王光明, 俞志英. 一種新型寬帶平面和差網絡[J]. 微波學報, 2011, 27(2): 63-67.

YU Zhongwu, WANG Guangming, YU Zhiying. A novel broadband planar sum-and-difference network [J]. Journal of Microwave, 2011, 27(2): 63-67.

[8]REVANKAR U K, BEENAMOLE K S. New configuration wideband single-axis and dual-axis planar monopulse comparators[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2002, 33(6): 427-430.

[9]EOM S Y, PARK H K. New switched-network phase shifter with broadband characteristics[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2003, 38(4): 255-257.

[10]卞磊. 寬帶圓極化微帶天線分析與設計[D]. 南京: 南京理工大學, 2008.

BIAN Lei. Design and analysis of wideband circularly polarized microstrip antennas [D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2008.

[11]MURACUCHI M, YUKITAKE T, NAITO Y. Optimum design of 3 dB branch-line couplers using microstrip lines[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1983, 31(8): 674-678.

[12]ANG K S, LEONG Y C, LEE C H. A wide-band monopulse comparator with complete nulling in all delta channels throughout sum channel bandwidth[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2003, 51(2): 371-373.

俞忠武男，1983年生，博士。研究方向為雷達天線設計、微波器件研制、雷達裝備管理。

張國華男，1968年生，高級工程師，研究方向為雷達總體技術。

盛璞男，1979年生，碩士，研究方向為雷達裝備管理。

A Novel Design of the Dual-axis Sum-and-difference Network

YU Zhongwu1,2，ZHANG Guohua2，SHENG Pu2

(1. Anti-missile Institute, Air Force Engineering University,Xi′an 710051, China) (2. Military Representative Office of PLA Stationed on 720 Factory,Nanjing 210038, China)

A novel dual-axis sum-and-difference network structure with seven ports is proposed in this paper in due to the cross-difference port of the traditional eight-port network. The proposed network structure is composed of three planar magic-T and one Wilkinson divider. The S parameter matrix is concluded to verify the validity. Based on the structured consider here, A novel wideband sum-and-difference network using the three-branch coupler, wideband 90° phase shifters and one Wilkinson divider has been constructed. The measured results have demonstrated that the network can exhibit excellent transmission, isolation and sum-difference performances during the band from 2.22 GHz to 3.9 GHz. The network has the advantage of simple structure and low product cost. Therefore, the network structure can be widely applied in the dual-axis mono-pulse antenna systems.

sum-and-difference network; dual-axis; seven ports

國家自然科學基金資助項目(61372034)

俞忠武Email：dabaoyzw1258@sina.com

2016-03-11

2016-05-27

TN959.71

A

1004-7859(2016)07-0055-04

·天饋伺系統·

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.07.014