幅度固定唯相位實(shí)現(xiàn)波束控制的功分器設(shè)計(jì)

呂英華　甘曦　張金玲　鄭占旗　萬(wàn)文鋼　溫舒樺

(1.北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院,北京100876;2.中國(guó)科學(xué)研究院微電子研究所,北京100029)

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幅度固定唯相位實(shí)現(xiàn)波束控制的功分器設(shè)計(jì)

呂英華1甘曦1張金玲1鄭占旗2萬(wàn)文鋼1溫舒樺1

(1.北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院,北京100876;2.中國(guó)科學(xué)研究院微電子研究所,北京100029)

摘要針對(duì)傳統(tǒng)陣列天線設(shè)計(jì)流程中功分器繁瑣的設(shè)計(jì)過(guò)程,基于滿足-3 dB范圍為0°～12°,-10 dB波束寬度為65°,波束覆蓋為65°,中心頻率為9.05 GHz的余割平方擴(kuò)展波束賦形要求,設(shè)計(jì)了一種幅度固定唯相位實(shí)現(xiàn)波束控制的新型串饋結(jié)構(gòu)Gysel功分器.該功分器幅度為固定值,此幅度分布滿足余割平方賦形陣列天線幅度的分布特征,在遺傳算法計(jì)算出理想賦形激勵(lì)后只需調(diào)整該功分器的輸出相位值就能實(shí)現(xiàn)高擬合度的余割平方擴(kuò)展波束賦形,大為減少了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中功分器所需的設(shè)計(jì)時(shí)間.

關(guān)鍵詞Gysel功分器;串饋結(jié)構(gòu);唯相位控制波束;固定幅度

引言

功分器全稱為功率分配器[1],是一種將一路輸入信號(hào)分配成兩路或者兩路以上輸出的器件.在陣列天線系統(tǒng)中,功分器與天線都是必不可少的元素,功分器是為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)天線單元發(fā)射時(shí)所需的幅度和相位而設(shè)計(jì)的饋電網(wǎng)絡(luò),只有輸出精確的激勵(lì)值,陣列天線才能輻射出準(zhǔn)確的方向圖.

實(shí)際應(yīng)用中可供選擇的功分器有很多種.工程上應(yīng)用較多的是基于1960年Wilkinson提出并以其名字命名的功分器[2],Wilkinson功分器日后得到了廣泛的利用[3-4].根據(jù)工程中具體運(yùn)用后設(shè)計(jì)者們又在此功分器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),設(shè)計(jì)出了滿足不同需求且性能優(yōu)良的功分器結(jié)構(gòu).其中包括材料上改進(jìn)得到的左右手復(fù)合傳輸線的功分器[5],多分路性能優(yōu)良的功分器[6]和用于波導(dǎo)傳輸?shù)腍型結(jié)構(gòu)功分器[7]等.而Ulrich Gysel.H于1970年提出的Gysel功分器[8],這種結(jié)構(gòu)能夠很方便地實(shí)現(xiàn)等相位功率分配及合成[9-10].另外常見(jiàn)的功分器還有T型頭功分器和圓弧過(guò)渡功分器[11].

本文基于傳統(tǒng)Gysel結(jié)構(gòu)的功分器,設(shè)計(jì)出工作在X波段,中心頻率為9.05 GHz的幅度固定唯相位控制波束新型串饋結(jié)構(gòu)Gysel功分器,解決了當(dāng)前天線系統(tǒng)工程中傳統(tǒng)功分器設(shè)計(jì)繁雜的問(wèn)題,大為減少了功分器所需的設(shè)計(jì)時(shí)間.這種新型功分器端口的輸出幅度為確定值,相位可根據(jù)天線仿真軟件中已設(shè)定好的變量任意調(diào)節(jié)出所需值.

1新型串饋結(jié)構(gòu)Gysel功分器的設(shè)計(jì)

1.1Gysel功分器單元

圖1　Gysel功分器單元原理圖

Gysel功分器單元的工作原理如圖1所示.其中 Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6對(duì)應(yīng)的L1、L2、L3、L4、L5、L6各段長(zhǎng)度都為四分之一波長(zhǎng).輸出端口2與輸出端口3的功分比為 P2/P3=k2=1.總輸入端、2個(gè)輸出端和 2個(gè)隔離電阻的特性阻抗都為Z0=50Ω.其中Z1～ Z6的計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

當(dāng)工作頻率在X波段、中心頻率為9.05 GHz時(shí),Gysel功分器單元兩路等功率分配模型的計(jì)算如下.該功分器單元的介質(zhì)板采用羅杰斯4330,介電常數(shù)為3.5,厚度為0.508 mm. 當(dāng)輸出端口2和端口3等功率分配1∶1時(shí),即P2/P3=k2=1. 將k2=1帶入式(1)～(5)中,得到:

Z1=Z2=70.7 Ω；

Z3=Z4=50 Ω；

Z5=Z6=25 Ω.

采用APPCAD軟件可根據(jù)已知的特征阻抗值計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的微帶線寬度值W,得到:

W1=W2=0.61 mm；

W3=W4=1.12 mm；

W5=W6=3.03 mm.

Gysel 功分器單元兩路等功率分配模型結(jié)構(gòu)如圖2所示.信號(hào)從端口1輸入,理想情況下由于兩端阻抗完全相同,所以功率從端口2和端口3等幅輸出,又由于兩段傳輸長(zhǎng)度完全相同,所以輸出信號(hào)的相位相同.

圖2　Gysel功分器單元兩路等功率分配模型

1.2新型串饋Gysel功分器的結(jié)構(gòu)與性能

幅度固定唯相位實(shí)現(xiàn)波束控制新型串饋結(jié)構(gòu)Gysel功分器的模型如圖3所示.該功分器采用的介質(zhì)板為羅杰斯4330,介電常數(shù)為3.5,厚度為0.508 mm.功分器的背面采用整塊銅板作為接地端.該功分器擁有1個(gè)輸入端口與16個(gè)輸出端口,其中16個(gè)輸出端口的間距采用9.05 GHz半波長(zhǎng),即16.7 mm.每個(gè)輸入輸出端口的微帶線寬為1.1 mm.

該功分器采用串饋結(jié)構(gòu),從正中間第一級(jí)功分器單元1比1功率輸出開(kāi)始,依次向兩側(cè)逐級(jí)向下采用相同簡(jiǎn)潔的等比例分配功率的單元結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)輸出幅度大小從中心向兩側(cè)依次降低的分布特征.當(dāng)輸入幅度值設(shè)定為1時(shí),得到16組輸出幅度值依次為:[0.040 7、0.042 4、0.064、0.095、 0.141、0.21、0.31、0.458、0.463、0.31、0.21、 0.14、0.094、0.063、0.041 5、0.039 7].經(jīng)驗(yàn)證,該幅度分布滿足余割平方賦型陣列天線幅度分布特征,能夠在遺傳算法賦形中實(shí)現(xiàn)高擬合度的余割平方賦形.經(jīng)仿真分析,該功分器輸入端口d0的S11參數(shù)如圖4所示,在8.6～9.6 GHz之間均小于-24 dB,可見(jiàn)激勵(lì)信號(hào)輸入后反射很小,而輸出端口間的隔離度如圖5所示,在8.6～9.6 GHz之間均小于-26 dB,同時(shí)說(shuō)明各個(gè)端口間的干擾很小.

圖3　新型串饋結(jié)構(gòu)Gysel功分器

圖4　S11參數(shù)

圖5　隔離度

2實(shí)例仿真分析

以16單元印刷偶極子天線陣列,賦形指標(biāo)為-3 dB范圍為0°～12°,-10 dB波束寬度為65°,波束覆蓋為65°,中心頻率為9.05 GHz的余割平方波束為例,說(shuō)明該功分器在實(shí)際中的應(yīng)用.基于功分器的固定幅度值,將余割平方擴(kuò)展波束作為目標(biāo)方向圖,利用遺傳算法計(jì)算得到一組滿足此賦形的相位值. 遺傳算法計(jì)算得到的相位值如表1所示,賦形結(jié)果如圖6所示.

表1　遺傳算法計(jì)算得到的相位值

圖6　遺傳算法計(jì)算得到的激勵(lì)值對(duì)應(yīng)的方向圖

經(jīng)驗(yàn)證,圖3中的d(x)與相鄰單元相位差呈線性比例.下面則需找出兩者對(duì)應(yīng)的線性比例即可得到不同的d(x)值對(duì)應(yīng)的相鄰單元相位差.這種線性關(guān)系可由公式Y(jié)(x)=cd(x)+b表示,其中Y(x)為相鄰單元間的相位差,d(x)為圖3所示中半圓弧兩側(cè)豎直微帶線的長(zhǎng)度,c為線性關(guān)系的斜率,b為截距.例如,首先在HFSS中掃描d1參數(shù)可得到一個(gè)d1與Y(1)的線性比例圖,在此圖中取兩點(diǎn)可求出c值.當(dāng)公式中x取值不同時(shí),可驗(yàn)證各個(gè)Y(x)=cd(x)+b中的c值都為一樣,且c=-36.3.c值確定以后,將初始的d(x)值帶入公式中,利用現(xiàn)有相鄰端口的相位差Y(x)帶入公式中求出b,不同d(x)值對(duì)應(yīng)的b值是不一樣的.至此公式中已確定c與b的值.將利用表1中遺傳算法計(jì)算出賦形所需相位值求出各個(gè)相鄰單元的相位差Y(x),一共15組數(shù)據(jù),將這些數(shù)據(jù)帶入線性關(guān)系公式中,即可得到輸出各組相位差所需的d(x)按照此比例調(diào)節(jié)d0,d2,d3,…,d13,d14的值,即可實(shí)現(xiàn)功分器輸出相位值與遺傳算法計(jì)算出的相位值一致. 該功分器的輸出幅度與相位如表2所示.將這組數(shù)據(jù)帶入天線模型中,對(duì)應(yīng)的方向圖如圖7所示.

表2新型串饋結(jié)構(gòu)Gysel功分器輸出的幅度與相位

端口幅度相位端口幅度相位D7-20.0397303.5D80.46782.4D7-10.0414343.9D90.31163.8D60.062284D100.21185.8D50.093144.7D110.138274.4D40.138253.5D120.09370.8D30.21225.4D130.06294.3D20.3193.8D14-10.0409128D10.46177.8D14-20.0384210.1

圖7　新型串饋結(jié)構(gòu)Gysel功分器輸出的激勵(lì)值對(duì)應(yīng)的方向圖

由圖6與圖7可見(jiàn)，兩者方向圖幾乎一致,而且賦形擬合度高,說(shuō)明該功分器輸出的幅度和相位值與遺傳算法計(jì)算值一致,能夠滿足余割平方方向圖賦形的要求.

由整個(gè)功分器設(shè)計(jì)過(guò)程可見(jiàn),這種新型串饋結(jié)構(gòu)Gysel功分器不需要進(jìn)行幅度的調(diào)節(jié),只需要調(diào)節(jié)輸出相位就能滿足余割平方方向圖賦形設(shè)計(jì).而傳統(tǒng)的功分器設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)者會(huì)依照算法給出的幅度與相位值對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié),輸出結(jié)果滿意后完成設(shè)計(jì),整個(gè)過(guò)程十分繁雜,尤其是完成輸出幅度值的調(diào)節(jié),會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間.由此可見(jiàn),該新型串饋結(jié)構(gòu)Gysel功分器在陣列天線系統(tǒng)中使得功分器的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單、高效.

3結(jié)論

本文以傳統(tǒng)Gysel功分器單元為基礎(chǔ),針對(duì)傳統(tǒng)陣列天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中功分器繁瑣的設(shè)計(jì)過(guò)程,提出了一種固定幅度唯相位控制波束新型串饋結(jié)構(gòu)Gysel功分器.該功分器簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程,且性能優(yōu)良,只需調(diào)整輸出相位值即可滿足余割平方方向圖的賦形要求.

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Gysel power divider with fixed amplitude and phase-only beam control

Lü Yinghua1GAN Xi1ZHANG Jinling1ZHENG Zhanqi2WAN Wengang1WEN Shuhua1

(1.SchoolofElectronicEngineering,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876,China; 2.InstituteofMicroelectronicsofChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China)

AbstractFor tedious design of power divider in traditional array antenna design process, based on the -3 dB beam width in height is from 0° to 12°, -10 dB beam width in height is from 12° to 65°, total height coverage is 65°, the center frequency is 9.05 GHz cosecant squared expanded beam informs requirements, this paper designs a new serially fed structure Gysel power divider with fixed amplitude and phase-only control. This power divider amplitude as a fixed value and only using the phase to control antenna’s beamforming. Using genetic algorithm, it can realize accurate beamforming of the cosecant squared expanded beam and use less time to complete the design.

KeywordsGysel power divider; fed structure; phase-only control; fixed amplitude

收稿日期：2015-06-10

中圖分類號(hào)TN819.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1005-0388(2016)02-0358-05

DOI10.13443/j.cjors.2015061004

作者簡(jiǎn)介

呂英華 (1944-),男,遼寧人,北京郵電大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.中國(guó)郵電高校(英文)學(xué)報(bào)、電波科學(xué)學(xué)報(bào)、中國(guó)高校學(xué)術(shù)文摘等編委、國(guó)家自然基金委的同行評(píng)議專家,通信學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員.主要從事電磁兼容與信息安全、電波與天線、生物電子等方面的研究.承擔(dān)項(xiàng)目30余項(xiàng),在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)刊物及會(huì)議上發(fā)表文章260多篇.

甘曦(1989-),男,湖南人,北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院碩士研究生,主要研究方向?yàn)槲炀€,功分器以及陣列賦形天線等.

張金玲 (1968-),女,內(nèi)蒙古人,博士,副教授,博士生導(dǎo)師,主要從事電磁場(chǎng)與微波技術(shù),太赫茲電子技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)領(lǐng)域的研究工作.

呂英華, 甘曦, 張金玲, 等. 幅度固定唯相位實(shí)現(xiàn)波束控制的功分器設(shè)計(jì)[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(2):358-362. DOI:10.13443/j.cjors.2015061004.

Lü Y H, GAN X, ZHANG J L, et al. Gysel power divider with fixed amplitude and phase-only beam control[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):358-362. (in Chinese). DOI:10.13443/j.cjors.2015061004

資助項(xiàng)目: 國(guó)家自然科學(xué)基金(No.61171051)

聯(lián)系人： 甘曦 E-mail：se7en13502@qq.com