Ka波段单脉冲和差网络设计

孔英会，汪海洋，李 浩

(电子科技大学物理电子学院， 成都610054)

0 引言

从20世纪40年代后期单脉冲技术发展以来，单脉冲雷达在航空以及导弹防御系统中发挥着重要作用。单脉冲和差网络是单脉冲雷达的一个关键部件，由它完成和、差处理，并形成和、差波束。为了对空中目标进行自动方向跟踪，必须在方位和仰角两个平面上进行跟踪，这就必须获得方位和仰角两个角误差信息，为此需要一个双平面单脉冲和差网络［1］。

1 波导和差网络模型

本文所设计和差网络由四个波导魔T组成，是一个八端口的无源器件，当作为接收天线时，四个天线分别得到的回波信号在和差网络内经过两级加减，最终可以得到和信号、俯仰差信号和方位差信号，其原理如图1所示。接收到的四路信号分别从波导端口1、2、3、4输入，信号1和信号2、信号3和信号4分别在Ⅰ、Ⅱ波导魔T中进行一级加减，然后输出和差信号再在Ⅲ、Ⅳ波导魔T中进行二级加减。最终可以在Ⅲ魔T的Σ支路即5端口获得和信号1+2+3+4;在Ⅲ魔T的Δ支路即6端口获得俯仰差信号(1+2)-(3+4);在Ⅳ魔T的Σ支路即8端口获得水平差信号(1+3)-(2+4);Ⅳ魔T的Δ路即7端口输出通常不使用，而是接上一个等效负载［2］。

图1 单脉冲和差网络原理示意图

2 波导魔T的设计与仿真分析

波导魔T是微波、毫米波电路中的重要器件，能进行功率的分配与合成，由于其具有功率容量高、端口性能好等优点，被广泛应用于微波集成电路、电子对抗设备以及制导系统等［3-5］。在传统雷达体制中，它一般紧接在天线之后，用以产生系统所需的和、差信号。随着近代通信的发展，高频宽带魔T越来越引起人们的重视，但由于传统的平面电路魔T容易受寄生效应的影响，不适宜在高频段工作［5］，毫米波波导魔T仍是研究重点。

普通E-T接头和H-T接头直接组成的普通双T接头魔T，如图2所示，由于连接处结构突变，即使双T各臂均接匹配负载，其各端口的反射也会很大，不能实现魔T特性。因此，在工程上实现魔T特性需在普通双T接头中加入调配体，以减少各端口的反射［6］。比较常用的匹配元件有螺钉、膜片或锥体等［7］，单纯用螺钉或膜片来匹配的主要缺点是调配困难，频带较窄。在文献［8-9］中，为了获得好的魔T性能，除了在魔T接头处加入匹配元件外，还在E臂上加了金属膜片或金属柱体，如图3所示，这给魔T的制作增加了一定的难度。文献［6］去掉了文献［8］、文献［9］中 E臂上的匹配元件，仅保留在接头处的匹配部分，试图通过改变匹配体的形状来实现好的魔T性能，仿真结果表明该方法确实可行。但其中的螺钉结构半径要小于0.5 mm，在高速运载体上使用会形成震颤，从而影响性能稳定。为了简化魔T的结构，降低机械加工复杂程度，提高抗振动能力，本文设计了采用阶梯型过渡的匹配结构形式，如图4所示。

图2 普通魔T的结构示意图

图3 文献中魔T的结构

图4 阶梯型魔T

为了得出适用于工程应用的参数数据，本文通过高频仿真软件HFSS对图4b)三视图中各参数进行仿真与优化，总结出这些参数的变化对魔T性能的影响，以得出便于实际工程应用的结果。魔T的仿真与优化过程为:在初步确定魔T的结构尺寸后，通过改变图4中的参数值寻找最优的S参数。在33.5 GHz～36.5 GHz范围内进行参数优化，为获得较好的平分特性、高隔离度、低损耗，最终确定了其最优参数为:a=5.24，b=3.5，l1=26.49，l2=9.48，l3=14.39，l4=8.18，l5=4.63，l6=3.73，l7=1.53，l8=5.82，d1=0.67，d2=0.61，d3=1.13(以上长度单位为mm)。其仿真结果如下:首先，来看它的匹配特性，如图5a)所示，四个端口的回波损耗均大于20 dB;其次，隔离特性，如图5b)所示，1、2端口的隔离度优于25 dB，3、4端口的隔离度优于55 dB;然后，平分特性，如图5c)所示，当信号从3、4端口输入时，1、2端口能很好的平分，功率差值小于0.05 dB。

仿真过程中发现，l3、l4、d1、d2主要是影响直通端口与和端口的反射系数。l8对魔T和差口的匹配特性有很大影响，往往出现和端口性能好了，而差端口恶化或反之，因此，设计中要综合考虑各端口特性，多次试验寻找最优结果。

图5 匹配特性

3 和差网络的设计与仿真分析

本文所做的和差网络，因设计需求，和差端口需成一直线排列，根据图1所示的单脉冲和差网络原理图安排四个魔T的摆放和连接，且四个输入端口要成十字形分布。

图6 和差网络结构示意图

为提高电磁波传输效率，减少端口反射，需优化波导拐角处的连接。考虑到实际加工工艺，H面拐角可以进行倒圆角，E面拐角可以采用阶梯过渡的形式。以上设计所用波导为非标准波导，为便于和差器和其他器件连接，还需过渡到标准波导。对每个连接处分别优化达到最优性能，然后，进行联合仿真以获得最优结果，图6为优化后结构图。

图7为单脉冲和差网络在HFSS中的仿真结果。在2G带宽内，各端口的回波损耗大于15 dB，当和端口激励时，各输出端口的幅度一致性小于0.1 dB，相位一致性小于5°。当俯仰差端口6激励时，1～4端口的相位反向特性如图7e)所示，相位偏差小于7°。

图7 和差网络在HFSS中的仿真结果

在仿真过程中发现，魔T结构中匹配矩形槽厚度d3的大小变化对整个和差网络性能有一定影响，在其他参数不变的条件下，分别取d3=1.03 mm，1.08 mm，1.13 mm，1.18 mm和1.23 mm，这五种情况下和差网络匹配特性(只列出典型值和端口和差端口8的回波损耗)，如图8所示。从图中可以看出，d3在0.2 mm范围内的变化能影响和端口中心频点处约10 dB的变化，影响差端口中心频点处约15 dB的变化，因而，加工误差对和差器性能会产生一定影响。

图8 和差网络的灵敏度分析

4 实测结果分析

图9为单脉冲和差器的实物图片。图9a)为和差器四个输入端口，成十字形分布;图9b)为和差网络四个输出端口，成一直线排列;图9c)图为切割第二层示意图。

图9 单脉冲和差网络原理示意图

采用矢量网络分析仪测试此和差器，图10给出和差器测试结果。图10a)为四个输入端口的回波损耗;图10b)为和端口及两个差端口的回波损耗;图10c)为四个输入端口到差端口8的插入损耗;图10d)为四个输入端口到和端口的相位一致性;图10e)为当差端口6激励时，1～4端口的相位反向特性。分析测试结果可以看出，在2G带宽内，各端口的回波损耗约大于12 dB;当差端口8激励时，各输出端口的幅度一致性小于1 dB;当和端口激励时，输出端口相位一致性小于7°;当差端口6激励时，输出端口相位偏差小于8°。由于在毫米波频段，加工和装配精度以及测试环境对实测结果影响较大，造成实测结果与仿真结果有一定的误差。

图10 和差网络的电性能测试结果

5 结束语

本文通过HFSS对8 mm波导魔T进行了优化仿真，设计出了一种结构简单，便于工程应用的结构形式，仿真结果表明:在33 GHz～37 GHz范围内，获得了较好的匹配特性、隔离特性以及平分特性。采用此种阶梯型魔T作为基本结构单元，设计了一个Ka波段单脉冲和差网络，测试结果良好，对研制毫米波段高性能、结构简单的和差网络具有一定参考。

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