一種新型帶校正功能一體化同軸波導設計

陳良圣

(安徽博微長安電子有限公司，安徽 六安 237000)

0 引 言

伴隨有源相控陣雷達領域的快速發展，陣列天線以其饋電方式靈活、波束控制多樣等特性得到廣泛關注[1-2]。然而，由于各種饋線元器件的加工、安裝公差、元器件更換及周圍環境溫度的影響，饋電系統存在相當大的隨機相位誤差。此外，發射組件失效會引起發射支路的幅度和相位誤差，接收機工作的不穩定性會引起接收支路的幅度和相位誤差。這些誤差將嚴重破壞天線方向圖特性，使天線增益下降、副瓣電平變壞、波束指向精度變低。為使天線增益一定時，副瓣最低并保持波束指向精度，系統必須具有靈活、可靠、高精度的幅、相監測與校正能力[3-5]。

文獻[6]和[7]介紹了一種微帶線形式校正網絡，設計簡單，加工成本低，但網絡損耗大。本文設計了一種新型波導校正網絡。該網絡采用波導轉換上方開斜孔耦合信號方式傳輸校正信號。相比傳統的微帶耦合校正饋電方式，該網絡校正方式具有耦合度可控并且不同支路校正信號強度一致性好的特點。同時，一體化網路具有高集成度、質量輕、結構簡單、駐波小、損耗小等特點。隨著工藝的發展，未來線源同波導轉換校正網絡一體化設計將成為可能。現代相控陣雷達已向高集成度小型化方向發展，因此該一體化網絡設計具有廣闊的應用前景。

1 理論分析

本文設計的波導轉換頻段是X波段，采用標準波導BJ100,即a=22.86 mm，b=10.16 mm。為滿足實際天線需要，設計的一體化網絡波導轉換間距必須遵守天線電掃描情況下在實空間中不出現柵瓣邊緣的準則，即

其中，λmin是頻段內的最短工作波長，本文設計的天線工作頻率為X波段，這里λmin=30.6 mm；θmax是波束相對于陣面法向的最大掃描角，本文設計電掃描最大角度60°；=1/NP，NP是裂縫線源數，按天線副瓣以及尺寸要求確定線源數數量為16根，單元間距為16.5 mm。

2 校正網絡同軸波導一體化設計

本文設計的單個波導轉變剖面圖如圖1所示，總共16個波導轉換，根據線源的增加波導同軸轉換可相應增加。校正網絡同軸波導一體化結構如圖2所示。該結構下方的同軸轉換和上方的校正通道均采用波導做傳輸線。為抑制天線的交叉極化影響，相鄰波導同軸轉換采用左右倒置排列方式。從圖2中可以看出，該一體化網絡設計是由16根波導同軸轉換和1個校正網絡通道串聯集成在一起。

一體化網絡由兩層波導構成，校正網絡和同軸波導通過斜孔耦合信號。發射校正，通過斜孔將同軸波導轉換傳輸的射頻信號耦合到上層校正網絡波導中，通過波導傳輸到校正網絡端口，實現發射校正；接收校正，校正組件產生測試信號從校正網絡總口輸入，經耦合孔耦合信號到波導同軸轉換，最后信號傳輸到校正接收機。

通過HFSS仿真軟件對設計的網絡進行仿真，分別得到端口駐波和耦合度等仿真結果。圖3和圖4分別是校正網絡端口駐波和同軸波導端口駐波。圖5是耦合度仿真結果。

從仿真圖可以看出，同軸波導端口駐波都小于1.1，校正端口駐波小于1.5。在9.37～9.77 GHz頻率范圍內(根據實際情況需要，頻率可擴展1 GHz)，耦合度的大小可根據斜孔的傾斜角度和長度來改變，其中傾斜角度對耦合度影響較大。對比發現，傾斜角度越大，耦合度越大，本文仿真設計時傾斜角為90°。為滿足校正接收機對耦合度的要求，本次校正網絡耦合度仿真結果在42±3 dB范圍內。根據實際需要，耦合度可實現15～60 dB之間變化。從圖中可以看出，端口耦合度隨頻率變化較小，同時16個端口耦合度曲線一致性較好，極大地提高了校正精度。端口間隔離是一個重要指標，直接影響不同端口間信號干擾。通常端口隔離度越大越好。從圖6給出的端口間隔離度仿真結果可以看出，端口間隔離度遠遠小于-60 dB，同耦合度-40 dB相比，不足以對校正精度產生影響。

3 結束語

本文設計了一款工作在X波段的一體化波導校正網絡。設計的網絡端口駐波小于1.1，耦合度控制在39～43dB。同時，該網絡可直接與線源和收發組件連接，工作模式靈活方便。該一體化設計方式在國內目前應用還不夠廣泛。隨著雷達系統的集成度提高，該一體化網絡設計方法在相控陣雷達中必將具有廣泛的應用價值。