配置環(huán)行器的雷達饋線系統(tǒng)駐波特性研究

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(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

對于大多數(shù)采用單個天線實現(xiàn)同時收發(fā)功能的雷達系統(tǒng)，環(huán)行器是天饋系統(tǒng)采用最多也是最關鍵的器件。雷達天饋系統(tǒng)反射系數(shù)(或電壓駐波比)對發(fā)射源能否正常穩(wěn)定工作、系統(tǒng)功率容量、天線增益、系統(tǒng)噪聲系數(shù)(或噪聲溫度)[1-3]都有著直接影響。由于饋線系統(tǒng)構(gòu)成復雜，其反射系數(shù)(或電壓駐波比)的準確計算非常困難。文獻[4-6]對雷達饋線系統(tǒng)的反射系數(shù)或電壓駐波比進行了分析計算，但都是基于無源、互易微波器件的基礎上導出的估算公式，當系統(tǒng)中包含環(huán)行器這種非互易微波器件時，這些公式就不適用了。在筆者多年工作中遇到相當多的設計師在計算饋線系統(tǒng)駐波比時，要么是將環(huán)行器當作普通的互易微波器件計算，要么就簡單認為系統(tǒng)的駐波直接等于環(huán)行器的駐波。對于采用環(huán)行器作為收發(fā)雙工功能的雷達饋線系統(tǒng)，由于環(huán)行器的非互易性以及環(huán)行傳輸特性，上述兩種估算都是不正確的。

為了在工程設計中對于采用環(huán)行器作為雙工器的雷達饋線系統(tǒng)駐波特性進行便捷的計算和評估，本文基于最常見的單通道雷達饋線系統(tǒng)建立了一個單鏈路饋線系統(tǒng)分析模型。對于復雜的多通道、多節(jié)點陣列天線系統(tǒng)，通過一些簡化合并方法可以將其等效成單通道饋線鏈路[4]?；趩捂溌佛伨€系統(tǒng)分析模型，分段采用概率統(tǒng)計方法和三端口散射參數(shù)特性推導了適于工程設計的饋線系統(tǒng)電壓駐波比的計算公式，并通過一個實例具體計算了兩種環(huán)行器負載狀態(tài)下饋線系統(tǒng)的反射系數(shù)和電壓駐波比。

1 駐波比分析模型及計算公式推導

采用環(huán)行器作為雙工器的雷達單鏈路饋線系統(tǒng)典型組成如圖1所示。圖中，實線箭頭表示從發(fā)射機向天線和接收機傳輸?shù)纳漕l信號路徑；虛線箭頭表示從天線或接收機向環(huán)行器和發(fā)射機傳輸?shù)纳漕l信號路徑。當雷達饋線系統(tǒng)中包含有環(huán)行器這種非互易微波器件時，微波系統(tǒng)的駐波不能簡單按照文獻[4]中簡單多節(jié)點串聯(lián)方式進行計算。因為環(huán)行器的非互易特性，使得環(huán)行器負載的反射不是直截了當?shù)叵蚯皞鬏?，而是部分直接向前傳輸，部分傳輸?shù)较乱粋€端口，根據(jù)該端口匹配情況，該信號再進行部分反射。因此，存在環(huán)行器時，饋線系統(tǒng)反射信號的計算需要建立具有針對性的分析模型。

圖1 雷達饋線系統(tǒng)典型組成

本文的方法是將圖1所示雷達饋線系統(tǒng)典型構(gòu)成等效為圖2所示的饋線系統(tǒng)反射系數(shù)分析模型。這樣就可利用三端口環(huán)行器散射參數(shù)特性分析計算饋線系統(tǒng)的駐波性能。具體做法是，首先針對從C-C′參考面看向天線和從D-D′參考面看向接收機的串聯(lián)射頻鏈路，采用多節(jié)點概率統(tǒng)計方法分別計算其反射系數(shù)或電壓駐波比；然后將這兩個射頻鏈路等效為具有相應反射系數(shù)的負載，從而將圖1所示的饋線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等效為圖2所示的以環(huán)行器為主要目標的簡化分析模型；最后通過三端口環(huán)行器S參數(shù)特性導出環(huán)行器輸入端(即端口1，B-B′參考面)的反射系數(shù)或電壓駐波比，最終得到整個饋線系統(tǒng)的反射系數(shù)或電壓駐波比。

圖2 饋線系統(tǒng)駐波特性等效分析模型

圖1中，從A-A′和B-B′參考面看向環(huán)行器，以及從C-C′參考面看向天線和從D-D′參考面看向接收機的電壓反射系數(shù)分別為ΓA，ΓB，ΓC，ΓD，相應的電壓駐波比(VSWR)分別為ρA，ρB，ρC，ρD，其相互關系由下式表示：

(1)

式中，t分別對應A，B，C，D。

1.1 從C-C′參考面看向天線的電壓駐波比ρC

從參考面C-C′處向天線方向看，系統(tǒng)由無源線性互易的各部件組成，其駐波可以按照下式估算[4]：

(2)

式中，ρi代表鏈路中有關節(jié)點如耦合器、移相器、饋源、天線等器件的駐波比。

1.2 從D-D′參考面看向接收機的電壓駐波比ρD

ρD的計算需要分3種情況考慮，第一種情況是在雷達接收狀態(tài)，天線接收到的電磁波信號經(jīng)環(huán)行器傳輸?shù)浇邮諜C，此時從參考面D-D′處向接收機方向看的駐波比ρD可以按照式(2)計算，這時式中的ρi代表限幅器、傳輸線、接收機等各部件的駐波比。第二種情況是在雷達發(fā)射狀態(tài)，從天線反射回來的電磁波信號功率比較小，限幅器保持正常導通，這種情況和第一種情況類似，ρD同樣也可以按照式(2)計算。第三種情況是在雷達發(fā)射狀態(tài)，由于某種原因，從天線(或者在C-C′參考面到天線微波鏈路中任意某處)反射回來的電磁波信號功率比較大，超過限幅器的功率閾值，無源T/R開關關斷，電磁波信號全部反射進入環(huán)行器，此時ρD為∞，ΓD=1。

1.3 從B-B′參考面看向環(huán)行器的電壓駐波比ρB

從參考面B-B′處向天線方向看，由于系統(tǒng)中接入了環(huán)行器這種非互易器件，使問題變得復雜起來，式(2)不適用于包含非互易微波器件的微波系統(tǒng)駐波系數(shù)的計算。由于微波鐵氧體環(huán)行器的非互易旋磁特性，使得環(huán)行器內(nèi)部射頻信號遵循輪換傳輸特性，即射頻信號在環(huán)行器中的傳輸方向為端口1→端口2→端口3→端口1，反之則不能傳輸，如圖2所示。

下面利用環(huán)行器散射參數(shù)特性分析計算其端接不匹配負載時的輸入反射系數(shù)或輸入電壓駐波比。

對于非互易的三端口環(huán)行器，其散射矩陣滿足以下方程式：

(3)

在圖1所示雷達饋線系統(tǒng)中，環(huán)行器端口1入射波電壓為a1,由于系統(tǒng)存在反射，此時環(huán)行器另外兩個端口分別存在入射波電壓a2，a3，根據(jù)電壓反射系數(shù)的定義有

(4)

將式(4)代入式(3)并求解整理得

(5)

式(5)右邊第一項代表環(huán)行器本身的反射信號；發(fā)射機信號經(jīng)環(huán)行器傳輸?shù)教炀€，由于天線存在反射，反射回的信號在環(huán)行器端口2分成兩部分，一部分由于環(huán)行器的非理想隔離直接漏回到環(huán)行器端口1，即形成了式(5)右邊的第二項；另一部分則經(jīng)環(huán)行器傳輸?shù)蕉丝?，并被接收機反射然后經(jīng)環(huán)行器傳輸?shù)蕉丝?，這部分即形成了式(5)右邊的第三項；式(5)右邊的第四項代表了發(fā)射機微波信號由于環(huán)行器的非理想隔離漏到接收機后反射并經(jīng)環(huán)行器傳輸?shù)蕉丝?。因此B-B′處的反射信號是這四部分的信號矢量疊加。值得注意的是式(5)中的S和Γ都是復數(shù)，既包含有幅度值，也包含有相位值，所以在計算中還要考慮各信號之間的相位疊加。

按反射系數(shù)和電壓駐波比定義可求出參考面B-B′處向天線方向看的駐波比ρB：

(6)

1.4 從A-A′參考面看向天線的電壓駐波比ρA

按照式(2)有

(7)

式中，ρc,ρf分別為耦合器、濾波器的駐波比。

2 饋線系統(tǒng)駐波比計算實例

下面通過一個實例對兩種環(huán)行器負載狀態(tài)下饋線系統(tǒng)的反射系數(shù)和電壓駐波比進行具體計算。

2.1 系統(tǒng)鏈路較小反射狀態(tài)

假設接入饋線系統(tǒng)中的耦合器、濾波器、接收機等各器件或電路的駐波比分別是1.1，1.25…1.35(各模塊駐波比如圖1所示)；環(huán)行器駐波比為1.2、正向插入損耗為0.4 dB、反向隔離度為20 dB，據(jù)此可計算出三端口環(huán)行器的散射矩陣參數(shù)，根據(jù)環(huán)行器的輪換對稱性可知，S11=S22=S33=0.09，S12=S23=S31=0.1，S13=S32=S21=0.955。利用這些參數(shù)，按照上述分析計算方法可以得到饋線系統(tǒng)各參考面反射系數(shù)和電壓駐波比，如表1所示。

表1 饋線系統(tǒng)各參考面駐波比計算結(jié)果

注：計算時式(5)按同相疊加即駐波最大情況。

在此情況下由于傳輸線失配引起大約4.5%的功率反射回到發(fā)射機。

如采用文獻[1]算法，則饋線系統(tǒng)的反射系數(shù)ΓA為0.3266，電壓駐波比ρA為1.97，大約11%的功率反射回到發(fā)射機。

2.2 系統(tǒng)鏈路較大反射狀態(tài)

當外界環(huán)境條件發(fā)生改變或系統(tǒng)出現(xiàn)故障等原因引起天線鏈路反射信號增大，并且回波能量超過限幅器的功率閾值，無源T/R開關關斷，此時的ρD為∞，ΓD=1，電磁波信號全部反射進入環(huán)行器。假定天線駐波比為2.5，其余各微波模塊仍按照圖1標示的駐波值計算，得出計算結(jié)果如表2所示。

表2 饋線系統(tǒng)各參考面駐波比計算結(jié)果

注：計算時式(5)按同相疊加即駐波最大情況。

在此情況下由于傳輸線失配引起大約43.2%的功率反射回到發(fā)射機。

3 仿真驗證

為了驗證上述分析，利用HFSS軟件建立了一個波導結(jié)構(gòu)的傳輸鏈路模型，如圖3所示。圖1中各反射節(jié)點在仿真模型中以等反射的金屬塊模擬(各金屬塊位置隨機分布)。仿真結(jié)果如圖4所示，可以看出，在饋線系統(tǒng)存在較小反射時，饋線系統(tǒng)最大駐波比ρA=1.53；當存在較大反射時，饋線系統(tǒng)最大駐波比ρA=4.86，仿真結(jié)果和前述分析結(jié)果(表1、表2)非常吻合。

圖3 饋線系統(tǒng)仿真模型

圖4 系統(tǒng)駐波比仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

對于采用環(huán)行器作為雙工器的雷達饋線系統(tǒng)駐波特性計算，特別是在天線端口有較大反射的情況下，不能簡單采用串聯(lián)節(jié)點方法，更不能直接用環(huán)行器的駐波性能進行天饋系統(tǒng)性能的評估。本文采用概率統(tǒng)計方法和三端口散射參數(shù)特性導出了適用于工程設計的單鏈路饋線系統(tǒng)反射系數(shù)和電壓駐波比的實用計算公式，通過一個饋線系統(tǒng)工程實例的計算和等效仿真分析驗證了該計算方法的正確性。在工程設計中應用該公式能快速、有效、比較精確地估算雷達天饋系統(tǒng)的最大駐波比，從而縮短計算時間，提高設計效率。