一種新型雙平面和差網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

俞忠武，張國華，盛　璞

(1. 空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院,　西安 710051；　2. 中國人民解放軍駐720廠軍事代表室，　南京 210038)

?

一種新型雙平面和差網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

俞忠武1，2，張國華2，盛璞2

(1. 空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院,西安 710051；2. 中國人民解放軍駐720廠軍事代表室，南京 210038)

針對(duì)傳統(tǒng)的八端口雙平面和差網(wǎng)絡(luò)存在對(duì)交叉差端口的問題，文中提出了一種新型的七端口雙平面和差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)由三個(gè)平面魔T和一個(gè)Wilkinson功分器組成，運(yùn)用微波網(wǎng)絡(luò)理論，推導(dǎo)了該網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)矩陣，從理論上證明了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。基于該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用三枝節(jié)分支線耦合器、寬帶90°移相器和Wilkinson功分器構(gòu)建了一種七端口寬帶雙平面和差網(wǎng)絡(luò)，測試結(jié)果表明：該網(wǎng)絡(luò)在2.22 GHz～3.90 GHz的頻段內(nèi)，具有良好的傳輸、隔離以及和差運(yùn)算特性。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)避免了交叉差端口，具有結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以在雙平面單脈沖天線系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

和差網(wǎng)絡(luò)；雙平面；七端口

0　引　言

和差網(wǎng)絡(luò)是單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)重要的組成部件，天線接收到的信號(hào)需要由和差網(wǎng)絡(luò)來完成和差比較運(yùn)算。和差網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)將兩路或四路信號(hào)進(jìn)行疊加和相減，并能同時(shí)輸出和差信號(hào)，因此，和差網(wǎng)絡(luò)有時(shí)又稱為和差器、比較器或者單脈沖處理器。傳統(tǒng)的雙平面和差網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由四個(gè)魔T構(gòu)成的八端口網(wǎng)絡(luò)[1-7]，在實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)的對(duì)角差往往并無實(shí)際意義，對(duì)角差端口需要負(fù)載進(jìn)行匹配連接。

針對(duì)傳統(tǒng)的雙平面和差網(wǎng)絡(luò)存在對(duì)交叉差端口的問題，在總結(jié)相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上[8]，本文提出了一種七端口和差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)取消了對(duì)角差端口，簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。運(yùn)用微波網(wǎng)絡(luò)理論，推導(dǎo)了網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)矩陣，從理論上證明了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性?；谠摼W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)了一種七端口寬帶雙平面和差網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由三個(gè)平面魔T和一個(gè)Wilkinson功分器組成，平面魔T由3 dB分支線耦合器加載90°移相線組成。測試結(jié)果表明，該網(wǎng)絡(luò)在工作頻帶內(nèi)，具有良好的傳輸、隔離以及和差運(yùn)算特性，從工程實(shí)踐上證明了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)避免了交叉差端口，可以在雙平面單脈沖天線系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

1　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的理論推導(dǎo)

七端口和差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，端口1為和端口，端口2為俯仰差端口，端口3為方位差端口。該七端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)表達(dá)式推導(dǎo)過程如下：

對(duì)于一個(gè)加載90°移相線的平面魔T結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，端口1為和端口，端口2為差端口，端口3和端口4為輸入/輸出端口。

圖1　七端口和差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖2　加載90°移相器的平面魔T結(jié)構(gòu)圖

由微波網(wǎng)絡(luò)知識(shí)可知，圖2中平面魔T的S參數(shù)矩陣為

(1)

一分二Wilkinson功分器的S參數(shù)矩陣為

(2)

按照?qǐng)D1中所標(biāo)示的參數(shù)，可以得到如下網(wǎng)絡(luò)參數(shù)方程

(3)

(4)

(5)

(6)

將式(1)和式(2)對(duì)應(yīng)的S參數(shù)值代入式(3)～式(6)中，并對(duì)方程進(jìn)行化簡，可以得到

(7)

(8)

(9)

(10)

將式(7)～式(10)進(jìn)行化簡，可得

(11)

從而，可以得到本文提出的七端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)矩陣為

(12)

從網(wǎng)絡(luò)S矩陣可以看出，該七端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠在兩個(gè)平面內(nèi)進(jìn)行和差運(yùn)算。與傳統(tǒng)八端口和差網(wǎng)絡(luò)相比，本文提出的結(jié)構(gòu)取消了對(duì)角差端口，簡化了饋電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。因此，該和差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以在雙平面單脈沖天線饋電系統(tǒng)中廣泛采用。

2　和差網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

基于提出的七端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用三枝節(jié)分支線耦合器和寬帶90°移相器，設(shè)計(jì)了一種雙平面和差網(wǎng)絡(luò)[9-11]。

和差網(wǎng)絡(luò)的實(shí)物如圖3所示，端口1為和端口，端口2為俯仰差端口，端口3為方位差端口。圖4為和差網(wǎng)絡(luò)端口的反射系數(shù)特性測試結(jié)果，圖5和圖6分別為和差端口隔離度測試結(jié)果和輸出端口隔離度測試結(jié)果。從圖4中可以看出，在2.22 GHz～3.92 GHz的頻帶內(nèi)，七個(gè)端口的駐波均小于2，在2.5 GHz～3.5 GHz的大部分頻帶內(nèi)，各個(gè)端口間的隔離度大于20 dB，其中，端口2和端口3的隔離度大于35 dB，表明和差網(wǎng)絡(luò)的具有良好的隔離特性。

圖3　和差網(wǎng)絡(luò)實(shí)物圖

圖4　和差網(wǎng)絡(luò)反射系數(shù)測試結(jié)果

圖5　和差端口隔離度測試結(jié)果

圖7為和差網(wǎng)絡(luò)測試性能評(píng)估結(jié)果，需要說明的是，實(shí)測的和差網(wǎng)絡(luò)對(duì)消性能評(píng)估結(jié)果是在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上對(duì)和差網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行21次雙端口網(wǎng)絡(luò)測量的基礎(chǔ)上獲得的，通過對(duì)各個(gè)端口之間的幅度和相位特性進(jìn)行整理，獲得了和差網(wǎng)絡(luò)的實(shí)測S參數(shù)文件，按照文獻(xiàn)[12]的方法，對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行和差對(duì)消性能的評(píng)估。和差網(wǎng)絡(luò)和端口的實(shí)測插入損耗小于1.9 dB，零值深度均在-27.1 dB以下，與計(jì)算值相比，零值深度有所減小。分析原因主要有以下兩點(diǎn)：一是介質(zhì)板材料、加工工藝等因素造成的影響；二是在進(jìn)行同軸接頭焊接時(shí)，焊點(diǎn)的輻射效應(yīng)造成的影響?？梢钥闯?，和差網(wǎng)絡(luò)具有良好的工作性能。

3　結(jié)束語

本文提出了一種新型七端口雙平面和差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；首先，從理論上證明了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的正確性；其次，基于該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用三枝節(jié)分支線耦合器、寬帶90°移相器和Wilkihson功分器構(gòu)建了一種寬帶雙平面和差網(wǎng)絡(luò)，測試結(jié)果表明七端口和差網(wǎng)絡(luò)具有良好的工作性能。本文提出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以在雙平面單脈沖天線系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

[1]RIBLET G P. Compact planar micros trip-slotline symmetrical ring eight-port comparator circuits[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1990, 38(10): 1421-1426.

[2]張旭春. TSA的分析及寬帶雙極化單脈沖天線面陣的研制[D]. 西安: 空軍工程大學(xué), 2004.

ZHANG Xuchun. Analysis of TSA and study on broadband dual-polarization monopulse antenna array [D]. Xi′an: Air Force Engineering University, 2004.

[3]張鳳林, 丁曉磊, 呂善偉, 等. 超寬頻帶雙極化對(duì)數(shù)周期單脈沖天線[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 22(5): 751-754.ZHANG Fenglin, DING Xiaolei, Lü Shanwei, et al. Ultra-wideband dual-polarization monopulse tracking antenna [J]. Chinese Journal of Radio Science, 2007, 22(5): 751-754.

[4]WANG H, FANG D G, CHEN X G. A compact single layer monopulse microstrip antenna array[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2006, 54(2): 503-509.

[5]張曉璐. 一種平面型寬帶單脈沖天線研究[D]. 西安：西安電子科技大學(xué), 2014.

ZHANG Xiaolu. Study on a broadband planar monopulse antenna [D]. Xi′an: Xidian University, 2014.

[6]王旗. 單脈沖微帶平面天線的研究與設(shè)計(jì)[D]. 西安：西安電子科技大學(xué), 2013.

WANG Qi. Design of monopulse microstrip planar antenna [D]. Xi′an: Xidian University, 2013.

[7]俞忠武, 王光明, 俞志英. 一種新型寬帶平面和差網(wǎng)絡(luò)[J]. 微波學(xué)報(bào), 2011, 27(2): 63-67.

YU Zhongwu, WANG Guangming, YU Zhiying. A novel broadband planar sum-and-difference network [J]. Journal of Microwave, 2011, 27(2): 63-67.

[8]REVANKAR U K, BEENAMOLE K S. New configuration wideband single-axis and dual-axis planar monopulse comparators[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2002, 33(6): 427-430.

[9]EOM S Y, PARK H K. New switched-network phase shifter with broadband characteristics[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2003, 38(4): 255-257.

[10]卞磊. 寬帶圓極化微帶天線分析與設(shè)計(jì)[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2008.

BIAN Lei. Design and analysis of wideband circularly polarized microstrip antennas [D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2008.

[11]MURACUCHI M, YUKITAKE T, NAITO Y. Optimum design of 3 dB branch-line couplers using microstrip lines[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1983, 31(8): 674-678.

[12]ANG K S, LEONG Y C, LEE C H. A wide-band monopulse comparator with complete nulling in all delta channels throughout sum channel bandwidth[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2003, 51(2): 371-373.

俞忠武男，1983年生，博士。研究方向?yàn)槔走_(dá)天線設(shè)計(jì)、微波器件研制、雷達(dá)裝備管理。

張國華男，1968年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槔走_(dá)總體技術(shù)。

盛璞男，1979年生，碩士，研究方向?yàn)槔走_(dá)裝備管理。

A Novel Design of the Dual-axis Sum-and-difference Network

YU Zhongwu1,2，ZHANG Guohua2，SHENG Pu2

(1. Anti-missile Institute, Air Force Engineering University,Xi′an 710051, China) (2. Military Representative Office of PLA Stationed on 720 Factory,Nanjing 210038, China)

A novel dual-axis sum-and-difference network structure with seven ports is proposed in this paper in due to the cross-difference port of the traditional eight-port network. The proposed network structure is composed of three planar magic-T and one Wilkinson divider. The S parameter matrix is concluded to verify the validity. Based on the structured consider here, A novel wideband sum-and-difference network using the three-branch coupler, wideband 90° phase shifters and one Wilkinson divider has been constructed. The measured results have demonstrated that the network can exhibit excellent transmission, isolation and sum-difference performances during the band from 2.22 GHz to 3.9 GHz. The network has the advantage of simple structure and low product cost. Therefore, the network structure can be widely applied in the dual-axis mono-pulse antenna systems.

sum-and-difference network; dual-axis; seven ports

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61372034)

俞忠武Email：dabaoyzw1258@sina.com

2016-03-11

2016-05-27

TN959.71

A

1004-7859(2016)07-0055-04

·天饋伺系統(tǒng)·

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.07.014