一种新型微波宽带单脉冲天馈系统

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                1  引言     

                        本文阐述了一种工作在C~X频段的新型微波宽频带单脉冲天馈系统，包括和差比较器和槽线天线阵和宽带功分器。国外对宽频带天线的研究比较早,实现宽频带的天线种类很多,但多用于相控阵天线阵或单波束天线阵,用于单脉冲方面的宽频带天线的报道很少。国内对于宽频带天线的研究不仅发表很多文献，而且已经应用于工程系统中。但用得较多的天线形式是双臂螺旋线天线，而且工作体制是宽波束低增益比相单脉冲。宽频带单脉冲高增益天馈系统的相关报道很少。本文提出了一种新型的宽频带单脉冲高增益的天馈系统。
                         
                        本文用渐变槽线天线为单元构成天线阵列以获得较高的增益，以Lange耦合器为基本单元构成和差比较器，从而构成整个单脉冲天馈系统。
                         
                        2  和差比较器

                        单脉冲雷达的关键部件是射频单脉冲处理器，这个部件完成对接收到的微波信号的比较，所以又称为单脉冲比较器（Monopulse Comparator）或和差比较器，如图1所示。由和差比较器产生的方位差信号和俯仰差信号能用来确定目标相对于雷达天线视角的方位。为了克服波导结构的缺点，本文采用平面的微带结构。典型的波导结构单脉冲比较网络用0°/1803dB 耦合器设计而成，如图2所示。当四路信号分别从输入端口1、2、3、4同相输入时，由于延时器和3dB耦合器均会产生90°相位差，所以在相应的输出端口产生由这四路信号共同作用的和差信号。图2中的端口5即为和端口，端口6、7分别形成俯仰差信号和方位差信号，而端口8形成的信号在此处为无用信号，实际中常将此端口加匹配负载，故称为匹配端口。
       
       

               

       

                图1  和差比较器

       

               

       

                图2  和差比较器原理图

                         
                        本文采用了Lange耦合器结合90°延迟线组成微带结构的单脉冲比较器，其HFSS模型如图3所示，1、2、3、4端口为输入端口，5、6、7、8端口为输出端口。采用介电常数为10.2的介质基片，通过仿真分析确定耦合器的线宽w，线间距离s，微带馈线宽度w1等参数。图3中线条较密集的部分为Lange耦合器，其结构如图4所示，属于宽带耦合器且结构紧凑，共有4个端口，输入的信号在直通端和耦合端等分输出，中间的弧线为金属跳线（bondwire），多采用很细的金丝制成。
                         
       

               

       

                图3  和差比较器HFSS模型

                 
                        图5给出了和差比较器一个输入端口的特性曲线，从中可明显看出一个输入端口输入的信号在四个输出端口近似等幅输出，回波损耗及各输入端口之间的隔离度在整个频带内都在-15dB以下。其他端口类似，不再给出。
                         
       

               

       

                图4  Lange耦合器

       

               

       

                图5  输入端口特性曲线

                         
                        3  系统中的天线及天线阵

                        天线阵中的基本单元是指数渐变槽线天线, 图6给出该渐变槽线天线的HFSS模型。 这种天线的结构比较简单,总共由三层材料组成:最顶层是金属接地板,在该接地板上掏出由槽线(实线所示) 所围的缝隙结构，槽线由三部分构成，第一部分是圆形槽线腔,对微带传输线起到阻抗匹配作用；第二部分是矩形槽线,和微带传输线起到相互耦合传输电磁波的作用；第三部分是渐变槽线,对天线所辐射的电磁波起到引向作用。中间层是介质板。最底层是金属微带线(红色部分所示)，微带线的终端为扇形结构,主要起到终端负载匹配作用，微带线通过该介质板向槽线耦合馈电。该天线的驻波比主要取决于微带馈线各匹配段的长度和宽度及槽线宽和终端腔体的尺寸等参数的选取，再者所有参数之间具有互补性，良好的辐射特性和驻波特性的槽线天线的获得则需要根据天线的结构参数的选取得到。需要说明的是天线单元几个参数的选取，由于开口端长度最大不能超过工作频带中的高端波长, 否则阵列天线在高端出现栅瓣，开口又不能太小, 因为太小低端的辐射特性又要受到影响。槽线天线是指数渐变曲线，其方程为：
                         
       

               

       

                图6  槽线天线的HFSS模型

       

                         （1）

       

                 

                        将图6所示的天线单元组成4个2×2的天线子阵，每个子阵分别接和差比较器的输入端。采用Rogers 5880介质基板，基板厚度0.508mm，介电常数为2.2，终端开口宽度为17mm，比例因子R=0.03，槽线宽度Wn=1mm。将图3中和差比较器的每个输入端口采用威尔金森功分器的形式形成两个端口，分别接入二元天线阵（此天线阵平面与和差比较器平面垂直），这样每个比较器的输入端口就是接入2×2天线阵，从而形成整个单脉冲天馈系统（如图7所示）。
                         
       

               

       

                图7  单脉冲天线阵示意图

       

               

       

                图8  天线的E面和H面方向图

       

               

       

                图9  天线阵的和差方向图

                 
                        图8给出了天线阵高频端和低频端的E面和H面方向图，主瓣的E面和H面方向图吻合的非常好，图9分别给出了该天线阵在高频端和低频端的和差方向图，从图中可看出差方向图的零深小于-40dB，和方向图的副瓣低于-15dB，经仿真该天馈系统在整个频带（5-10GHz）内增益均大于15dB（如图10所示），驻波比均小于2.0（如图11所示）。
                         
       

               

       

                图10  天线阵的增益

       

               

       

                图11  天线的驻波比

                         
                        4  结论

                        本文设计了一个C~X频段高增益的结构紧凑型单脉冲天馈系统，整个系统的增益、波瓣宽度、副瓣电平、驻波比都达到了令人满意的程度。