多层带状线和差一体化网络的实现

李丽娴，邵晓龙，陈冬宇，黄　一，刘建锋

(上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109)



多层带状线和差一体化网络的实现

李丽娴，邵晓龙，陈冬宇，黄一，刘建锋

(上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109)

针对相控阵天线复杂的馈电网络问题，介绍了一种多层带状线和差一体化网络的工程实现方法。网络采用多层和差一体化设计理念，与传统的和差网络设计相比，消减了金属盒体和同轴电缆的使用，有效地解决了传统复杂的馈电网络形式。通过对宽带和差器和威尔金森功分器的独立设计，结合同轴电连接器的使用，使在该网络强迫馈电下的天线阵在20%的工作频带内获得了和波束副瓣电平<-30dB，差波束副瓣电平<-20dB的低副瓣特性。网络具有集成度高、可靠性高和成本低的特点，目前已成功应用于相控阵雷达天线。

多层带状线结构；和差器；馈电网络；低副瓣电平

0　引言

馈电网络是相控阵天线实现波束形成、速扫描的关键[1]。传统相控阵天线实现和差波束的方法是先将和、差波束形成通道分开，通过和差器和功分器的多级连接，形成相控阵天线的和差波束，这将会使大型单脉冲相控阵天线的强迫馈电网络[2]非常复杂，甚至在工程上不可实现。

为了简化相控阵天线强迫馈电网络的复杂性，理论上可以采用和差一体化网络来实现天线的和差波束[3]。目前的文献大都只涉及到一体化和差网络设计的理论分析[4],本文介绍了一种多层带状线和差一体化网络的工程实现方式，设计中采用改进的三分支电桥加宽带90°移相器实现宽带和差器，通过同轴连接器的选择实现带状线电路之间的级联，使24单元天线在该网络的强迫馈电下，在20%的带宽内实现了和差波束的低副瓣特性，且该网络具有集成度高、成本低和可靠性强的特点。

1　总体设计方案

传统设计中，为了获得和差波束的低副瓣特性，对馈电网络通常需要进行幅度加权，根据工程经验，一般和通道采用Chebyshev加权，差通道采用Bayliss加权较为适宜。通过二者幅度分布曲线图不难发现，和差分布有近70%单元的分布趋势是一致的。和差一体化网络主要是利用一部分差馈电网络与和馈电网络共用的特点，即将一半和分布反相，另一半保持不变，并对其中的2m个单元进行幅度调整，可得到差分布[5]。这2m个单元是差馈电网络的独立部分，适当地调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，通常为兼顾差波束性能，需要牺牲一些和波束性能，关键是要能找到一个满足性能指标的折中选择。

本文设计了一个24单元的和差一体化馈电网络。通过综合考虑网络的设计和工程实现难易程度，对和通道中间的10个单元进行2组幅度衰减，调整这2组幅度的衰减值，获得良好的差通道性能，该网络和差波束的幅度分布曲线如图1所示。工程中，不等功分采用威尔金森功分器来实现，和、差分布的相位反相则通过和差器实现。

图1　和差网络幅度分布

2　关键技术

2.1宽带和差器的实现

和差器的设计是和差一体化网络实现中重要的环节。常见的和差器可以用1.5混合环和混合环[6]，本文采用带状线三分支定向耦合器加90° schiffman移相器实现宽带和差器。通常两分支耦合器的带宽较窄影响其使用，为展宽带宽，采用三分支定向耦合器，schiffman移相器是利用U形弯耦合线引入附加相移，通过奇耦模分析法可以得到U形弯耦合线相移φ与平行线电长度θ的关系式：

(1)

(2)

由式(1)和式(2)可知，改变线的耦合系数K，可改变该附加相移。因为一个U形口难实现90°的相移，为此可考虑M形走线可相当于3个U形耦合结构，实现宽带的90°耦合。

将三分支定向耦合器和90° schiffman移相器相结合实现和差器，示意图如图2所示，其中端口1为和口，端口2为差口，端口3和端口4为输入口。利用HFSS对此进行仿真优化，实物加工，实测得到各个端口的驻波曲线，如图3所示，所有端口的驻波均小于2，和、差通道到2个输入口的插入损耗曲线如图4所示。

图2　宽带和差器示意

图3　和差器驻波曲线

图4　和差器插入损耗

2.2多层带状线

根据图1给出的和差馈电网络幅度分布曲线可得到功分网络的拓扑结构图，如图5所示，其中实线部分为和差波束共用部分，只是采用和差器进行相位反相，虚线部分为2组幅度衰减部分，每组中间都采用一个和差器进行相位反相。

图5　和差一体化网络拓扑结构

通过布线发现，若采用单层印制板进行电路设计会出现馈线干涉，不能实现网络设计；若采用多个盒体电缆连接的方式[7]，提高了网络的繁冗程度，还增加了成本；若采用多层板直接加工工艺，复杂了加工工艺，增加加工成本，为此在本设计中采用同轴连接器在结构上实现多层印制板板间级联，实现一体化网络的设计。

和差一体化网络的具体电路图如图6所示，根据图1的幅度值采用威尔金森功分器进行设计[8]，和差器采用上述的宽带和差器，3处圈出处为采用同轴电连接器进行板间级联。

图6　和差一体化网络电路

3　应用结果分析

工程最终实现的和差一体化网络如图7所示，印制板安装于壳体两侧，上下垂直放置，通过使用安装在壳体上的同轴连接器互连互通，形成多层带状线结构。

图7　和差一体化网络实物

实测获得各个端口的幅相分布，并编程计算可得到由该网络强馈得到的阵列天线和、差方向图，如图8所示，和方向图的副瓣电平SLL<-30dB，差方向图的副瓣电平<-20dB。

和差一体化网络实现了天线阵低副瓣的特性，且与传统和、差馈电网络设计相比，该网络实现阵面的低副瓣特性只需网络到天线的24根电缆和一个金属网络盒体，而传统的设计需要通过48根电缆和多个金属网络盒体间的相互级联才能实现。为此，在工程实现上，该设计有效降低了馈电网络的复杂性，控制成本，实现小型化。

图8　和差方向图

4　结束语

本文详细介绍了一种多层带状线和差一体化网络的实现方法，重点是对和差幅度分布中共用单元及独立单元的幅度进行理论分析，并设计了VSWR<1.2、相对带宽20%的宽带和差器。网络采用同轴连接器实现多层带状线板间级联，抛弃了同轴电缆的使用，减少了金属盒子的数量，实现了天馈线系统的小型化、轻量化。网络已完成工程研制，通过实物测试，获得在此和差一体化网络馈电下的天线阵的和波束副瓣电平<-30dB，差波束的副瓣电平<-20dB，具有低副瓣的特性，该设计方法已成功应用于相控阵雷达的研制。

[1]张光义.相控阵雷达系统[M].北京:国防工业出版社,2001.

[2]束咸荣，何炳发，高铁.相控阵雷达天线[M].北京：国防工业出版社,2007.

[3]黄建军，李渠塘.一种新颖的宽带和差模波束形成系统[J].无线电工程，1997，27(4)：5-9.

[4]张继浩，李丽娴，孙竹.平面相控阵天线和差分布馈电网络设计[J].无线电工程，2015,45(1)：61-64.

[5]郑雪飞,郭昌燕.和差分布一体化设计[J].现代雷达,1996，18(4)：45-49.

[6]张肇仪，周乐柱.微波工程[M].北京：电子工业出版社,2007.

[7]吴昊旻，敬守钊，唐聪.小型化和差功分器的设计[J].电子元件与材料，2014，33(2)：24-26.

[8]张文梁，丁春艳.多路宽带带状线功率分配器设计分析[J].无线电工程，2012，42(7)：59-61.

李丽娴女，(1986—)，硕士，工程师。主要研究方向：天馈线的设计。

邵晓龙男，(1988—)，硕士，工程师。主要研究方向：天馈线的设计。

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

上海航天技术研究院核攀基金资助项目(ZY2014-023)。

TN015

A

1003-3106(2016)09-0066-03

引用格式：李丽娴,邵晓龙,陈冬宇,等.多层带状线和差一体化网络的实现[J].无线电工程,2016,46(9):66-68.