配置環行器的雷達饋線系統駐波特性研究

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(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

對于大多數采用單個天線實現同時收發功能的雷達系統，環行器是天饋系統采用最多也是最關鍵的器件。雷達天饋系統反射系數(或電壓駐波比)對發射源能否正常穩定工作、系統功率容量、天線增益、系統噪聲系數(或噪聲溫度)[1-3]都有著直接影響。由于饋線系統構成復雜，其反射系數(或電壓駐波比)的準確計算非常困難。文獻[4-6]對雷達饋線系統的反射系數或電壓駐波比進行了分析計算，但都是基于無源、互易微波器件的基礎上導出的估算公式，當系統中包含環行器這種非互易微波器件時，這些公式就不適用了。在筆者多年工作中遇到相當多的設計師在計算饋線系統駐波比時，要么是將環行器當作普通的互易微波器件計算，要么就簡單認為系統的駐波直接等于環行器的駐波。對于采用環行器作為收發雙工功能的雷達饋線系統，由于環行器的非互易性以及環行傳輸特性，上述兩種估算都是不正確的。

為了在工程設計中對于采用環行器作為雙工器的雷達饋線系統駐波特性進行便捷的計算和評估，本文基于最常見的單通道雷達饋線系統建立了一個單鏈路饋線系統分析模型。對于復雜的多通道、多節點陣列天線系統，通過一些簡化合并方法可以將其等效成單通道饋線鏈路[4]。基于單鏈路饋線系統分析模型，分段采用概率統計方法和三端口散射參數特性推導了適于工程設計的饋線系統電壓駐波比的計算公式，并通過一個實例具體計算了兩種環行器負載狀態下饋線系統的反射系數和電壓駐波比。

1 駐波比分析模型及計算公式推導

采用環行器作為雙工器的雷達單鏈路饋線系統典型組成如圖1所示。圖中，實線箭頭表示從發射機向天線和接收機傳輸的射頻信號路徑；虛線箭頭表示從天線或接收機向環行器和發射機傳輸的射頻信號路徑。當雷達饋線系統中包含有環行器這種非互易微波器件時，微波系統的駐波不能簡單按照文獻[4]中簡單多節點串聯方式進行計算。因為環行器的非互易特性，使得環行器負載的反射不是直截了當地向前傳輸，而是部分直接向前傳輸，部分傳輸到下一個端口，根據該端口匹配情況，該信號再進行部分反射。因此，存在環行器時，饋線系統反射信號的計算需要建立具有針對性的分析模型。

圖1 雷達饋線系統典型組成

本文的方法是將圖1所示雷達饋線系統典型構成等效為圖2所示的饋線系統反射系數分析模型。這樣就可利用三端口環行器散射參數特性分析計算饋線系統的駐波性能。具體做法是，首先針對從C-C′參考面看向天線和從D-D′參考面看向接收機的串聯射頻鏈路，采用多節點概率統計方法分別計算其反射系數或電壓駐波比；然后將這兩個射頻鏈路等效為具有相應反射系數的負載，從而將圖1所示的饋線系統結構等效為圖2所示的以環行器為主要目標的簡化分析模型；最后通過三端口環行器S參數特性導出環行器輸入端(即端口1，B-B′參考面)的反射系數或電壓駐波比，最終得到整個饋線系統的反射系數或電壓駐波比。

圖2 饋線系統駐波特性等效分析模型

圖1中，從A-A′和B-B′參考面看向環行器，以及從C-C′參考面看向天線和從D-D′參考面看向接收機的電壓反射系數分別為ΓA，ΓB，ΓC，ΓD，相應的電壓駐波比(VSWR)分別為ρA，ρB，ρC，ρD，其相互關系由下式表示：

(1)

式中，t分別對應A，B，C，D。

1.1 從C-C′參考面看向天線的電壓駐波比ρC

從參考面C-C′處向天線方向看，系統由無源線性互易的各部件組成，其駐波可以按照下式估算[4]：

(2)

式中，ρi代表鏈路中有關節點如耦合器、移相器、饋源、天線等器件的駐波比。

1.2 從D-D′參考面看向接收機的電壓駐波比ρD

ρD的計算需要分3種情況考慮，第一種情況是在雷達接收狀態，天線接收到的電磁波信號經環行器傳輸到接收機，此時從參考面D-D′處向接收機方向看的駐波比ρD可以按照式(2)計算，這時式中的ρi代表限幅器、傳輸線、接收機等各部件的駐波比。第二種情況是在雷達發射狀態，從天線反射回來的電磁波信號功率比較小，限幅器保持正常導通，這種情況和第一種情況類似，ρD同樣也可以按照式(2)計算。第三種情況是在雷達發射狀態，由于某種原因，從天線(或者在C-C′參考面到天線微波鏈路中任意某處)反射回來的電磁波信號功率比較大，超過限幅器的功率閾值，無源T/R開關關斷，電磁波信號全部反射進入環行器，此時ρD為∞，ΓD=1。

1.3 從B-B′參考面看向環行器的電壓駐波比ρB

從參考面B-B′處向天線方向看，由于系統中接入了環行器這種非互易器件，使問題變得復雜起來，式(2)不適用于包含非互易微波器件的微波系統駐波系數的計算。由于微波鐵氧體環行器的非互易旋磁特性，使得環行器內部射頻信號遵循輪換傳輸特性，即射頻信號在環行器中的傳輸方向為端口1→端口2→端口3→端口1，反之則不能傳輸，如圖2所示。

下面利用環行器散射參數特性分析計算其端接不匹配負載時的輸入反射系數或輸入電壓駐波比。

對于非互易的三端口環行器，其散射矩陣滿足以下方程式：

(3)

在圖1所示雷達饋線系統中，環行器端口1入射波電壓為a1,由于系統存在反射，此時環行器另外兩個端口分別存在入射波電壓a2，a3，根據電壓反射系數的定義有

(4)

將式(4)代入式(3)并求解整理得

(5)

式(5)右邊第一項代表環行器本身的反射信號；發射機信號經環行器傳輸到天線，由于天線存在反射，反射回的信號在環行器端口2分成兩部分，一部分由于環行器的非理想隔離直接漏回到環行器端口1，即形成了式(5)右邊的第二項；另一部分則經環行器傳輸到端口3，并被接收機反射然后經環行器傳輸到端口1，這部分即形成了式(5)右邊的第三項；式(5)右邊的第四項代表了發射機微波信號由于環行器的非理想隔離漏到接收機后反射并經環行器傳輸到端口1。因此B-B′處的反射信號是這四部分的信號矢量疊加。值得注意的是式(5)中的S和Γ都是復數，既包含有幅度值，也包含有相位值，所以在計算中還要考慮各信號之間的相位疊加。

按反射系數和電壓駐波比定義可求出參考面B-B′處向天線方向看的駐波比ρB：

(6)

1.4 從A-A′參考面看向天線的電壓駐波比ρA

按照式(2)有

(7)

式中，ρc,ρf分別為耦合器、濾波器的駐波比。

2 饋線系統駐波比計算實例

下面通過一個實例對兩種環行器負載狀態下饋線系統的反射系數和電壓駐波比進行具體計算。

2.1 系統鏈路較小反射狀態

假設接入饋線系統中的耦合器、濾波器、接收機等各器件或電路的駐波比分別是1.1，1.25…1.35(各模塊駐波比如圖1所示)；環行器駐波比為1.2、正向插入損耗為0.4 dB、反向隔離度為20 dB，據此可計算出三端口環行器的散射矩陣參數，根據環行器的輪換對稱性可知，S11=S22=S33=0.09，S12=S23=S31=0.1，S13=S32=S21=0.955。利用這些參數，按照上述分析計算方法可以得到饋線系統各參考面反射系數和電壓駐波比，如表1所示。

表1 饋線系統各參考面駐波比計算結果

注：計算時式(5)按同相疊加即駐波最大情況。

在此情況下由于傳輸線失配引起大約4.5%的功率反射回到發射機。

如采用文獻[1]算法，則饋線系統的反射系數ΓA為0.3266，電壓駐波比ρA為1.97，大約11%的功率反射回到發射機。

2.2 系統鏈路較大反射狀態

當外界環境條件發生改變或系統出現故障等原因引起天線鏈路反射信號增大，并且回波能量超過限幅器的功率閾值，無源T/R開關關斷，此時的ρD為∞，ΓD=1，電磁波信號全部反射進入環行器。假定天線駐波比為2.5，其余各微波模塊仍按照圖1標示的駐波值計算，得出計算結果如表2所示。

表2 饋線系統各參考面駐波比計算結果

注：計算時式(5)按同相疊加即駐波最大情況。

在此情況下由于傳輸線失配引起大約43.2%的功率反射回到發射機。

3 仿真驗證

為了驗證上述分析，利用HFSS軟件建立了一個波導結構的傳輸鏈路模型，如圖3所示。圖1中各反射節點在仿真模型中以等反射的金屬塊模擬(各金屬塊位置隨機分布)。仿真結果如圖4所示，可以看出，在饋線系統存在較小反射時，饋線系統最大駐波比ρA=1.53；當存在較大反射時，饋線系統最大駐波比ρA=4.86，仿真結果和前述分析結果(表1、表2)非常吻合。

圖3 饋線系統仿真模型

圖4 系統駐波比仿真結果

4 結束語

對于采用環行器作為雙工器的雷達饋線系統駐波特性計算，特別是在天線端口有較大反射的情況下，不能簡單采用串聯節點方法，更不能直接用環行器的駐波性能進行天饋系統性能的評估。本文采用概率統計方法和三端口散射參數特性導出了適用于工程設計的單鏈路饋線系統反射系數和電壓駐波比的實用計算公式，通過一個饋線系統工程實例的計算和等效仿真分析驗證了該計算方法的正確性。在工程設計中應用該公式能快速、有效、比較精確地估算雷達天饋系統的最大駐波比，從而縮短計算時間，提高設計效率。