多層帶狀線和差一體化網絡的實現

李麗嫻，邵曉龍，陳冬宇，黃　一，劉建鋒

(上海航天電子通訊設備研究所，上海 201109)

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多層帶狀線和差一體化網絡的實現

李麗嫻，邵曉龍，陳冬宇，黃一，劉建鋒

(上海航天電子通訊設備研究所，上海 201109)

針對相控陣天線復雜的饋電網絡問題，介紹了一種多層帶狀線和差一體化網絡的工程實現方法。網絡采用多層和差一體化設計理念，與傳統的和差網絡設計相比，消減了金屬盒體和同軸電纜的使用，有效地解決了傳統復雜的饋電網絡形式。通過對寬帶和差器和威爾金森功分器的獨立設計，結合同軸電連接器的使用，使在該網絡強迫饋電下的天線陣在20%的工作頻帶內獲得了和波束副瓣電平<-30dB，差波束副瓣電平<-20dB的低副瓣特性。網絡具有集成度高、可靠性高和成本低的特點，目前已成功應用于相控陣雷達天線。

多層帶狀線結構；和差器；饋電網絡；低副瓣電平

0　引言

饋電網絡是相控陣天線實現波束形成、速掃描的關鍵[1]。傳統相控陣天線實現和差波束的方法是先將和、差波束形成通道分開，通過和差器和功分器的多級連接，形成相控陣天線的和差波束，這將會使大型單脈沖相控陣天線的強迫饋電網絡[2]非常復雜，甚至在工程上不可實現。

為了簡化相控陣天線強迫饋電網絡的復雜性，理論上可以采用和差一體化網絡來實現天線的和差波束[3]。目前的文獻大都只涉及到一體化和差網絡設計的理論分析[4],本文介紹了一種多層帶狀線和差一體化網絡的工程實現方式，設計中采用改進的三分支電橋加寬帶90°移相器實現寬帶和差器，通過同軸連接器的選擇實現帶狀線電路之間的級聯，使24單元天線在該網絡的強迫饋電下，在20%的帶寬內實現了和差波束的低副瓣特性，且該網絡具有集成度高、成本低和可靠性強的特點。

1　總體設計方案

傳統設計中，為了獲得和差波束的低副瓣特性，對饋電網絡通常需要進行幅度加權，根據工程經驗，一般和通道采用Chebyshev加權，差通道采用Bayliss加權較為適宜。通過二者幅度分布曲線圖不難發現，和差分布有近70%單元的分布趨勢是一致的。和差一體化網絡主要是利用一部分差饋電網絡與和饋電網絡共用的特點，即將一半和分布反相，另一半保持不變，并對其中的2m個單元進行幅度調整，可得到差分布[5]。這2m個單元是差饋電網絡的獨立部分，適當地調整幅度可有效地改善差通道性能。但由于和、差分布大部分共用，通常為兼顧差波束性能，需要犧牲一些和波束性能，關鍵是要能找到一個滿足性能指標的折中選擇。

本文設計了一個24單元的和差一體化饋電網絡。通過綜合考慮網絡的設計和工程實現難易程度，對和通道中間的10個單元進行2組幅度衰減，調整這2組幅度的衰減值，獲得良好的差通道性能，該網絡和差波束的幅度分布曲線如圖1所示。工程中，不等功分采用威爾金森功分器來實現，和、差分布的相位反相則通過和差器實現。

圖1　和差網絡幅度分布

2　關鍵技術

2.1寬帶和差器的實現

和差器的設計是和差一體化網絡實現中重要的環節。常見的和差器可以用1.5混合環和混合環[6]，本文采用帶狀線三分支定向耦合器加90° schiffman移相器實現寬帶和差器。通常兩分支耦合器的帶寬較窄影響其使用，為展寬帶寬，采用三分支定向耦合器，schiffman移相器是利用U形彎耦合線引入附加相移，通過奇耦模分析法可以得到U形彎耦合線相移φ與平行線電長度θ的關系式：

(1)

(2)

由式(1)和式(2)可知，改變線的耦合系數K，可改變該附加相移。因為一個U形口難實現90°的相移，為此可考慮M形走線可相當于3個U形耦合結構，實現寬帶的90°耦合。

將三分支定向耦合器和90° schiffman移相器相結合實現和差器，示意圖如圖2所示，其中端口1為和口，端口2為差口，端口3和端口4為輸入口。利用HFSS對此進行仿真優化，實物加工，實測得到各個端口的駐波曲線，如圖3所示，所有端口的駐波均小于2，和、差通道到2個輸入口的插入損耗曲線如圖4所示。

圖2　寬帶和差器示意

圖3　和差器駐波曲線

圖4　和差器插入損耗

2.2多層帶狀線

根據圖1給出的和差饋電網絡幅度分布曲線可得到功分網絡的拓撲結構圖，如圖5所示，其中實線部分為和差波束共用部分，只是采用和差器進行相位反相，虛線部分為2組幅度衰減部分，每組中間都采用一個和差器進行相位反相。

圖5　和差一體化網絡拓撲結構

通過布線發現，若采用單層印制板進行電路設計會出現饋線干涉，不能實現網絡設計；若采用多個盒體電纜連接的方式[7]，提高了網絡的繁冗程度，還增加了成本；若采用多層板直接加工工藝，復雜了加工工藝，增加加工成本，為此在本設計中采用同軸連接器在結構上實現多層印制板板間級聯，實現一體化網絡的設計。

和差一體化網絡的具體電路圖如圖6所示，根據圖1的幅度值采用威爾金森功分器進行設計[8]，和差器采用上述的寬帶和差器，3處圈出處為采用同軸電連接器進行板間級聯。

圖6　和差一體化網絡電路

3　應用結果分析

工程最終實現的和差一體化網絡如圖7所示，印制板安裝于殼體兩側，上下垂直放置，通過使用安裝在殼體上的同軸連接器互連互通，形成多層帶狀線結構。

圖7　和差一體化網絡實物

實測獲得各個端口的幅相分布，并編程計算可得到由該網絡強饋得到的陣列天線和、差方向圖，如圖8所示，和方向圖的副瓣電平SLL<-30dB，差方向圖的副瓣電平<-20dB。

和差一體化網絡實現了天線陣低副瓣的特性，且與傳統和、差饋電網絡設計相比，該網絡實現陣面的低副瓣特性只需網絡到天線的24根電纜和一個金屬網絡盒體，而傳統的設計需要通過48根電纜和多個金屬網絡盒體間的相互級聯才能實現。為此，在工程實現上，該設計有效降低了饋電網絡的復雜性，控制成本，實現小型化。

圖8　和差方向圖

4　結束語

本文詳細介紹了一種多層帶狀線和差一體化網絡的實現方法，重點是對和差幅度分布中共用單元及獨立單元的幅度進行理論分析，并設計了VSWR<1.2、相對帶寬20%的寬帶和差器。網絡采用同軸連接器實現多層帶狀線板間級聯，拋棄了同軸電纜的使用，減少了金屬盒子的數量，實現了天饋線系統的小型化、輕量化。網絡已完成工程研制，通過實物測試，獲得在此和差一體化網絡饋電下的天線陣的和波束副瓣電平<-30dB，差波束的副瓣電平<-20dB，具有低副瓣的特性，該設計方法已成功應用于相控陣雷達的研制。

[1]張光義.相控陣雷達系統[M].北京:國防工業出版社,2001.

[2]束咸榮，何炳發，高鐵.相控陣雷達天線[M].北京：國防工業出版社,2007.

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[7]吳昊旻，敬守釗，唐聰.小型化和差功分器的設計[J].電子元件與材料，2014，33(2)：24-26.

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李麗嫻女，(1986—)，碩士，工程師。主要研究方向：天饋線的設計。

邵曉龍男，(1988—)，碩士，工程師。主要研究方向：天饋線的設計。

Realization of Multilayer Stripline Sum-difference Unified Network

LI Li-xian,SHAO Xiao-long,CHEN Dong-yu,HUANG Yi,LIU Jian-feng

(ShanghaiAerospaceElectronicsandCommunicationEquipmentResearchInstitute，Shanghai201109)

To address the issue of complex feeding network in phased array antenna,an engineering realization method of multilayer stripline sum-difference unified network is introduced in this paper.The design concept of multilayer sum-difference unification is used in the network which can reduce the complexity of feeding network with reduced use of metal cavity and coaxial cable as compared with traditional sum-difference network.By a separate design of the wideband sum-difference network and theWilkinson divider as well as the use of coaxial connector,the sum beam sidelobe level is reduced to -30dB and the difference beam sidelobe level -20dB in 20% operating frequency band,which means a low sidelobe characteristic is realized in antenna array.Thishigh-integration,high-reliability and low-cost networkhas already been applied to phased array antenna successfully.

multilayer stripline;sum-difference network;feeding network;low sidelobe level

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.17

2016-05-06

上海航天技術研究院核攀基金資助項目(ZY2014-023)。

TN015

A

1003-3106(2016)09-0066-03

引用格式：李麗嫻,邵曉龍,陳冬宇,等.多層帶狀線和差一體化網絡的實現[J].無線電工程,2016,46(9):66-68.