一种紧凑型低损耗馈电网络设计

2021-05-10薛玲珑贺奎尚李小磊张丽娜

无线电工程 2021年4期

季超，薛玲珑，贺奎尚，李小磊，张丽娜

(上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109)

0 引言

相控阵天线[1]具有波束切换迅速、反应时间短和数据率高等优点，成为当前非常热门的天线形式。馈电网络[2]是相控阵天馈线系统的重要组成部分，用于实现射频输入信号的功率分配或接收信号的功率合成，一般采用同轴线[3]、微带线[4]和波导[5]等传输线形式实现。其中波导传输线因损耗低、易加工、结构强度高、可靠性高和便于机电一体化设计等优点得到了广泛应用[6-7]。

星载数传通信分系统[8]与地面雷达系统[9]相比，对组成部件的低功耗、轻量化、高密度集成、高可靠性和优异的电磁兼容性等有更迫切的需求。因此，易于机电一体化设计[10-11]加工、腔体封闭和低损耗的波导传输线是很好的实现方案。

本文对一种应用于船器领域的Ka数传相控阵天馈线的馈电网络进行了描述，设计中首先根据系统使用需求进行综合布局，利用HFSS仿真软件优化出馈电网络中各级功分器[12]、穿层结构的最佳性能结构，然后通过波导传输线、穿层结构实现各部件信号连接，并通过调整波导传输线实现各输出端口间的延时一致。对加工的馈电网络进行实物测试，测试结果满足各项指标要求。

1 网络形式的选择及布局

某Ka波段数传相控阵天馈线系统射频链路如图1所示，射频网络为49个端口无源微波器件，1个总口通过SMA2.92接头与前级输出端滤波器连接，48个分口通过SSMP接头直接与8联装T组件的输入射频口连接。

若射频馈电网络采用带状线形式，会导致网络损耗大，对前级功放的数传功率要求大大提高，不仅对整星的功耗大大提高，且热耗也增大，散热压力巨大。因此，基于传输损耗的考虑，馈电网络采用波导结构。在结合功率容量、质量和加工等因素之后，波导口径选用非标尺寸(6.2 mm×1.6 mm)。

网络要求体积紧凑，同时需要为T组件控制接头预留穿孔位置，为了合理使用有限的面积，布局最优化，选择3层腔体交替的网络结构，49个端口采用相同的波同转换结构。

图1 天线系统射频链路Fig.1 RF link of antenna system

2 网络的设计

网络分为3层，输入端在最下层，通过H面T型结2等分功分器(如图2(a)所示)及穿层结构(如图2(b)所示)，将能量传递到中层。中层有2个功分比为1∶2∶3的H面波导功分器(如图2(c)所示)，使用同样的穿层架构将能量传到上层。上层是2个3等分功分器(如图2(d)所示)、2等分功分器和连接器，将能量通过穿层结构再传回中层。中层的12个E面二等分T型结功分器，连接下层4行6列24个E面二等分T型结功分器(如图2(e)所示)，实现能量的输出。中下2层E面T型结模型如图2(f)所示。

网络主要由H面T型结[13]、E面T型结[14]及穿层结构连接而成，下面对这些器件的设计和整体仿真结果进行描述。

(a) 二等分功分器

(b) 穿层结构

(d) 1:1:2功分器

(e) E面T型结

(f) T型结组合结构

2.1 H面T型结

以二等分功分器为例，将图2(a)用参数图3来表示。H面T型结通过调节金属匹配块(Ls×Ws)偏离中心的距离就可以实现不同的功率分配比，通过添加金属块(Wa×Wa)可以实现更好的阻抗匹配，波导传输线的拐角处进行切角处理能减小电磁场的不连续性。利用HFSS仿真软件不断优化匹配块的尺寸，使两臂输出的功率分配比、平坦度和总口驻波比在频带内达到最佳。图3经优化后得到各参数值分别为Ls=2.3 mm，Ws=1.4 mm，Wa=0.4 mm，Ld=5.9 mm。

图3 H面T型结参数Fig.3 Parametric diagram of H-plane T-junction

2.2 E面T型结

由于空间尺寸的限制，为了做到布局最优，部分功分器需采用E面T型结结构，以图2(e)为例，其二维参数如图4所示。调节金属匹配块的长和高l×h可以优化输出端口功率的一致性和平坦度，调节输入端口短边长w可以获得更好的总口驻波性能。经HFSS软件优化，得到的最终参数值为w=1.6 mm，l=4 mm，h=0.6 mm。

图4 E面T型结参数Fig.4 Parametric diagram of E-plane T-junction

2.3 穿层结构

由于网络采用了3层腔体交替结构，层与层之间通过穿层结构来进行能量的传递。因此穿层结构的性能也尤为重要。根据上下层功分器的不同，穿层结构的尺寸也略微不同，但是其结构都类似，以图2(b)为例，其二维参数如图5所示。层高h限制为0.8 mm，通过优化波导宽w来实现上下层的匹配。经HFSS软件的优化结果为w=1.25 mm，穿层结构与上下层功分器连接的局部示意如图6所示。

图5 穿层结构参数Fig.5 Parametric diagram of layered structure

图6 穿层结构示意Fig.6 Schematic diagram of layered structure

3 一体化网络仿真设计

在完成射频馈电网络中3个主要器件的设计后，根据最初的布局走线逐层进行设计仿真。加上穿层结构后进行2层、3层仿真设计。通过调整波导传输线的长度、切角实现各输出端口的相位一致性。射频网络的49个端口需要引入波同转换结构实现与其他部组件的互联，虽然总口和分口采用的接插件形式不同但仿真结构相同，如图7所示，波同转换使用波导阶梯结构来获得更好的匹配。

图7 波同转换结构Fig.7 Structure of waveguide-coaxial-line conversion

加上波同转换结构后，最终的馈电网络的俯视图和侧视图如图8所示。

(a) 俯视图

(b) 侧视图图8 馈电网络整体Fig.8 Overall chart of feeder network

3.1 仿真结果

波同转换结构的电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)仿真曲线如图9所示。从仿真结果可见，波同转换的VSWR在频带内小于1.2，可满足使用要求。1分48馈电网络的仿真结果如图10所示。

图9 波同转换结构仿真结果Fig.9 Simulation results of waveguide-coaxial-line conversion

(a) 驻波

(b) 插损

由于部分输出端口相位比其他端口多180°，但信号在时间维度上是同时的，因此对这些端口的相位进行减180°处理，便于直观地看到输出端口的相位一致性。由图10可知，网络总口驻波小于1.5，插入损耗小于20 dB，分口相位一致性好，可满足使用要求。

3.2 实物加工与测试结果分析

由于该馈电网络工作在毫米波段，其性能对加工误差十分敏感，且加工过程中任何缝隙都对性能有很大影响。因此，网络对加工工艺和加工精度的要求很高。选取具有多层波导加工、焊接经验的南京驰韵为加工单位，因使用要求需对波导内外腔做本色导电氧化处理，考虑到波导内腔尺寸小，内腔流道复杂，存在电镀液残留的风险，采取在波导上留多个直径5 mm的工艺孔，电镀完成后用销子填补的方法解决了该难题，完成电性能调试后，点胶加固。波导功分网络的实物加工照片如图11所示，其整体尺寸为210 mm×110 mm×20 mm。

(a) 正面

(b) 背面图11 实物加工图Fig.11 Processing maps of feeder network

实物测试结果如图12所示。由图可以看出，馈电网络的总口驻波在工作频带内小于2，分口的插入损耗在带内小于25 dB，可以满足使用要求。由于存在波导加工的误差以及测试校准等误差，VSWR实测结果与仿真结果存在一定的偏差，插入损耗与仿真结果相比较大，是由于仿真时波导材料设置的是没有损耗的理想材料，实际使用的铝材料以及表面处理使得传输线的损耗值变大，且无法校准到末端的测试转接头K/2.92，在Ka频段的损耗也是不可忽略的。

(a) 驻波

(b) 插损

4 结束语

本文详细介绍了一种紧凑型低损耗波导馈电网络的设计，在有限空间里，使用H面、E面T型结、穿层结构形成3层腔体交替的网络设计，实现了布局最优设计，电气性能、结构安装上均能满足紧凑型相控阵天馈线系统的使用要求。从分立器件的单独设计到整体仿真调整，实现全端口阻抗匹配和输出端口幅度、相位一致性。仿真和实测结果表明，所有性能指标都能满足系统要求。该波导馈电网络在Ka频段数传相控阵天馈线系统中已经得到了应用，其设计方法也可以作为其他射频馈电网络的参考。