Ka波段单脉冲平面和差网络和天线的研究

1  引言

从20世纪40年代后期开始，毫米波单脉冲雷达技术逐步得到发展和应用，尤其是在航空和导弹防御系统中，毫米波单脉冲雷达发挥着重要的作用。毫米波单脉冲天线馈电网络是毫米波雷达的关键技术之一。传统的和差网络由魔T构成，但结构过于庞大，不易实现平面化、集成化，并且成本较高。随着微带印刷技术的不断发展，微带结构的和差网络被广泛应用，但是毫米波波段的微带电路的损耗很大，并且功率承受能力较低。本文设计的Ka波段平面和差网络采用波导缝隙耦合结构，具有结构简单、成本低、损耗小、各端口幅度和相位一致性好等优点。

2  和差网络模型及工作原理

最早的缝隙耦合式波导和差器是由H.A.Bethe提出的，它的原理是：在两根平行的矩形波导公共窄壁上开一个耦合裂缝构成90°混合电桥，如图1所示。根据3dB电桥原理，通过改变耦合裂缝的长度可以调整两波导间的耦合度，使直通端口和耦合端口的输出功率相等。由于耦合端口的电场相位滞后直通端口的电场相位90°，所以直通端口和耦合端口存在90°的相位差，可以在输入端口增加四分之一波长的波导段消除相差。图1中port1和port4为输入端口，port2为和信号输出端口，port3为差信号输出端口。

图1  缝隙电桥(左)及和差器构成原理图(右)

在图1所示的结构中，设从输入端口输入电场幅度为E的TE10波，其余端口均接匹配负载。选取合适的波导尺寸，使主副波导耦合段内只能传输TE10和TE20两种模式的电磁波。根据叠加原理，输入端的电磁波等效于在port1和port4同时输入电场幅度为E/2的偶模波和奇模波的叠加。设波导宽壁的内尺寸为a，耦合段宽度为2a，长度为w。

当偶模波在耦合段内激励起TE10模时，它的波导波长为：

              (1)

当奇模波在耦合段内激励起TE20模时，它的波导波长为：

             (2)

上述两种模式的波同时传向port2和port3，当以耦合段的起始位置作为相位的零参考点时，则

port2的电场为：

   (3)

port3的电场为：

   (4)

其中和分别为TE10，TE20模的相移常数。

由式(3)和式(4)可以得出，port2比port3电场相位超前90度。根据对3dB裂缝电桥的要求， port3与port2输出功率相等。即：

         (5)

由式（5）可以得到

              (6)

在上述计算中忽略了结构不连续性引起的误差。在实际结构中，为了改善匹各端口配特性，增加带宽，可以在耦合区的中心线上安置容性螺钉或感性螺杆。[page]

将图1所示的和差器结构采用非标准波导进行组合可以得到二维平面和差网络，如图2所示。

图2  由缝隙电桥组成的平面波导和差网络

图2中， port A 、port B、 port C、 port D为输入端口，和口、差口1和差口2为三个输出端口，该网络可实现二维单脉冲的控制。

3  仿真与实测结果

利用HFSS对图1所示的和差器进行仿真，得到Ka波段和差器的相关参数为：波导尺寸为6.2mm*4.2mm，耦合缝隙尺寸为；相位补偿。仿真结果如图表1所示。

表1  缝隙电桥仿真结果(中心频率)

图2所示基于上述尺寸的二维和差网络HFSS仿真结果如表2所示：

表2  两维和差网络仿真结果(带内)：

将上述二维和差网络与图3所示天线阵列相结合，构成单脉冲天馈系统。该系统天线的和方向图和差方向图测试结果分别如图4(a)和图4(b)所示。

图3  Ka波段微带阵列天线

图4(a)  单脉冲天线和方向图

图4(b)  单脉冲天线差方向图

由图4(a)可以看出，和波束最大值指向偏离Z轴0.2°，第一副瓣为-17dB，3dB宽度为；由图4(b)可以看出，差波束的双峰不平度在1dB以内，零深大于30dB。由上述结果可以得出与天线与和差网络的幅度和相位一致性都很好，和差网络带内损耗小于0.5dB，与仿真基本吻合。[page]

理想的单脉冲天线和差波束指向关于Z轴对称，差波束双峰一致，零深为无穷小。实际测试中会出现和差波束偏移，差波束双峰不平，零深恶化等情况，这是由于和差出口到四个输入端口的幅相不一致造成的。图2 中，当各端口幅度值满足式(7)所示条件时：

          (7)

和差波束合成后和差方向图的指向不变，但是零深恶化至20dB左右，具体如图5(a)所示。

当各端口相位值满足式(8)所示条件时：

          (8)

差方向图零深不变，但和差波束重合且偏离轴线，具体如图5(b) 所示。

图5(a)  通道幅度不平衡对和差波束的影响

图5(b)  通道相位不平衡对和差波束的影响

零值深度是表征差方向图的一个重要参量，是实现高精度的角跟踪的关键因素。实际应用中，理想的差波束是不可能产生的，这是由于天线阵列各个馈源的不对称，和差网络差支路在幅度和相位上的不一致造成的。因此，工程上应尽量减小各输入端口的不一致性。

4  结束语

本文在缝隙电桥实现变形魔T的基础上，设计了二维平面波导型和差网络，并将其与Ka波段微带阵列天线相结合，实现了和差网络与天线的一体化。实验结果表明，该和差网络具有低损耗，高一致性等优点，为实现单脉冲天馈系统的小型化、一体化奠定了基础。