一种新型双平面和差网络设计

俞忠武，张国华，盛　璞

(1. 空军工程大学 防空反导学院,　西安 710051；　2. 中国人民解放军驻720厂军事代表室，　南京 210038)



一种新型双平面和差网络设计

俞忠武1，2，张国华2，盛璞2

(1. 空军工程大学 防空反导学院,西安 710051；2. 中国人民解放军驻720厂军事代表室，南京 210038)

针对传统的八端口双平面和差网络存在对交叉差端口的问题，文中提出了一种新型的七端口双平面和差网络结构。该网络由三个平面魔T和一个Wilkinson功分器组成，运用微波网络理论，推导了该网络的S参数矩阵，从理论上证明了网络结构设计的正确性。基于该网络结构，采用三枝节分支线耦合器、宽带90°移相器和Wilkinson功分器构建了一种七端口宽带双平面和差网络，测试结果表明：该网络在2.22 GHz～3.90 GHz的频段内，具有良好的传输、隔离以及和差运算特性。该网络结构避免了交叉差端口，具有结构简单、制作成本低等优点，可以在双平面单脉冲天线系统中得到广泛应用。

和差网络；双平面；七端口

0　引　言

和差网络是单脉冲雷达系统重要的组成部件，天线接收到的信号需要由和差网络来完成和差比较运算。和差网络能够同时将两路或四路信号进行叠加和相减，并能同时输出和差信号，因此，和差网络有时又称为和差器、比较器或者单脉冲处理器。传统的双平面和差网络是一个由四个魔T构成的八端口网络[1-7]，在实际应用中，信号的对角差往往并无实际意义，对角差端口需要负载进行匹配连接。

针对传统的双平面和差网络存在对交叉差端口的问题，在总结相关文献的基础上[8]，本文提出了一种七端口和差网络结构。该网络结构取消了对角差端口，简化了结构设计。运用微波网络理论，推导了网络的S参数矩阵，从理论上证明了网络结构设计的正确性。基于该网络结构模型，设计了一种七端口宽带双平面和差网络，该网络由三个平面魔T和一个Wilkinson功分器组成，平面魔T由3 dB分支线耦合器加载90°移相线组成。测试结果表明，该网络在工作频带内，具有良好的传输、隔离以及和差运算特性，从工程实践上证明了网络结构设计的正确性。该网络结构避免了交叉差端口，可以在双平面单脉冲天线系统中得到广泛应用。

1　网络结构的理论推导

七端口和差网络结构如图1所示，其中，端口1为和端口，端口2为俯仰差端口，端口3为方位差端口。该七端口网络的S参数表达式推导过程如下：

对于一个加载90°移相线的平面魔T结构，其结构如图2所示，其中，端口1为和端口，端口2为差端口，端口3和端口4为输入/输出端口。

图1　七端口和差网络结构图

图2　加载90°移相器的平面魔T结构图

由微波网络知识可知，图2中平面魔T的S参数矩阵为

(1)

一分二Wilkinson功分器的S参数矩阵为

(2)

按照图1中所标示的参数，可以得到如下网络参数方程

(3)

(4)

(5)

(6)

将式(1)和式(2)对应的S参数值代入式(3)～式(6)中，并对方程进行化简，可以得到

(7)

(8)

(9)

(10)

将式(7)～式(10)进行化简，可得

(11)

从而，可以得到本文提出的七端口网络的S参数矩阵为

(12)

从网络S矩阵可以看出，该七端口网络结构能够在两个平面内进行和差运算。与传统八端口和差网络相比，本文提出的结构取消了对角差端口，简化了馈电网络的结构。因此，该和差网络结构可以在双平面单脉冲天线馈电系统中广泛采用。

2　和差网络的设计

基于提出的七端口网络结构，采用三枝节分支线耦合器和宽带90°移相器，设计了一种双平面和差网络[9-11]。

和差网络的实物如图3所示，端口1为和端口，端口2为俯仰差端口，端口3为方位差端口。图4为和差网络端口的反射系数特性测试结果，图5和图6分别为和差端口隔离度测试结果和输出端口隔离度测试结果。从图4中可以看出，在2.22 GHz～3.92 GHz的频带内，七个端口的驻波均小于2，在2.5 GHz～3.5 GHz的大部分频带内，各个端口间的隔离度大于20 dB，其中，端口2和端口3的隔离度大于35 dB，表明和差网络的具有良好的隔离特性。

图3　和差网络实物图

图4　和差网络反射系数测试结果

图5　和差端口隔离度测试结果

图7为和差网络测试性能评估结果，需要说明的是，实测的和差网络对消性能评估结果是在矢量网络分析仪上对和差网络进行21次双端口网络测量的基础上获得的，通过对各个端口之间的幅度和相位特性进行整理，获得了和差网络的实测S参数文件，按照文献[12]的方法，对测试结果进行和差对消性能的评估。和差网络和端口的实测插入损耗小于1.9 dB，零值深度均在-27.1 dB以下，与计算值相比，零值深度有所减小。分析原因主要有以下两点：一是介质板材料、加工工艺等因素造成的影响；二是在进行同轴接头焊接时，焊点的辐射效应造成的影响。可以看出，和差网络具有良好的工作性能。

3　结束语

本文提出了一种新型七端口双平面和差网络结构；首先，从理论上证明了网络设计的正确性；其次，基于该网络结构，采用三枝节分支线耦合器、宽带90°移相器和Wilkihson功分器构建了一种宽带双平面和差网络，测试结果表明七端口和差网络具有良好的工作性能。本文提出的网络结构具有结构简单、制作成本低等优点，可以在双平面单脉冲天线系统中得到广泛应用。

[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]张旭春. TSA的分析及宽带双极化单脉冲天线面阵的研制[D]. 西安: 空军工程大学, 2004.

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

[3]张凤林, 丁晓磊, 吕善伟, 等. 超宽频带双极化对数周期单脉冲天线[J]. 电波科学学报, 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]张晓璐. 一种平面型宽带单脉冲天线研究[D]. 西安：西安电子科技大学, 2014.

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

[6]王旗. 单脉冲微带平面天线的研究与设计[D]. 西安：西安电子科技大学, 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. 一种新型宽带平面和差网络[J]. 微波学报, 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. 宽带圆极化微带天线分析与设计[D]. 南京: 南京理工大学, 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。研究方向为雷达天线设计、微波器件研制、雷达装备管理。

张国华男，1968年生，高级工程师，研究方向为雷达总体技术。

盛璞男，1979年生，硕士，研究方向为雷达装备管理。

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

国家自然科学基金资助项目(61372034)

俞忠武Email：dabaoyzw1258@sina.com

2016-03-11

2016-05-27

TN959.71

A

1004-7859(2016)07-0055-04

·天馈伺系统·

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.07.014