图1 校正网络示意图
戈海清1,2,冯文文1,2,王惠生1,2,赖清华1,2
(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室,安徽合肥230088)
摘 要:校正网络分析一般只考虑其发射校正和接收校正工作状态,但对于大口径阵面天线的情况,由于阵面口径大,除了校正状态外,在系统正常工作状态时,也经常会出现各通道馈电口的相位相差很大,甚至会出现反相的情况。所以在设计校正网络时,就必须论证整个雷达系统存在的各种工作状态对校正网络的影响,避免出现校正网络内局部承受功率过大而烧毁网络的现象。利用ADS软件建立电路模型,进行分析雷达系统各种工作状态时,校正网络中功率和相位的分布。通过仿真分析,可以清晰地掌握校正网络内部各处承受功率的情况,有效地提高了校正网络的设计可靠性。分析结果准确、可靠、有效。
关键词:校正网络;耦合器;功率;相位
有源相控阵天线由于各个通道的不一致性,以及制造、装配公差和环境变化的因素会造成天线口径的幅度和相位误差,所以需要对相控阵天线进行检测和校正。通过校正补偿,使天线口径的幅度和相位分布满足设计的要求[1-2]。
天线口径的幅度和相位校正是通过校正网络来完成的。在天线扫描过程中,不同的波束指向时,需各通道的输出相位不同,这样就造成功分馈电网络的各输入端馈入的相位不同,有时甚至会出现两个馈入端反相的情况,造成功分网络的合成功率全部加载在隔离电阻上,引起电阻烧毁。特别是在大口径天线的情况下,由于天线口径的增大,整个校正网络中各个子阵的射频连接电缆长度也不同,各馈电点的相位差异就更明显。所以在设计大口径天线的校正网络时,必须考虑各种可能情况,充分地分析网络中各点的功率和相位分布。
校正网络通常由耦合器和功分馈电网络组成[3]。发射通道校正时,各发射通道通过耦合器耦合一部分能量,经由功分馈电网络送到校正分机,由校正分机输出数据到信号处理系统,完成幅度和相位校准数据的计算。发射校正一般采用各单元逐个校正的方法,所以在整个校正网络中只有一路信号,功率也相对较小。接收通道校正时,校正分机输出一个射频信号,通过功分馈电网络送到耦合器,接收通道通过耦合器的能量耦合,接收一部分能量,经由接收通道输出数据到信号处理系统,完成幅度和相位校准数据的计算。接收校正时,在校正网络中功分网络是同相分配的。本文主要讨论在天线扫描时,校正网络中的功率和相位的分布情况。
图1为一个典型的天线内校正形式的校正网络示意图。在图中,由于天线阵面比较大,被分为12个子阵进行拼接。分析整个阵面校正网络中的功率和相位分布时,必须从单个天线单元馈入的功率和相位进行计算,而且需考虑到整个雷达出现的各种工作状态。
图1 校正网络示意图
图2为DAM的内部组成示意图。一个DAM内部含有14个通道,T/R组件通过电桥给天线单元馈电。在T/R组件和电桥之间加入一个耦合网络用于提取每个通道的校正信号。若中心频率为440 MHz,单个T/R组件输出功率为120 W,按照10%的占空比工作,耦合网络的耦合度为30 dB,则每个通道耦合到校正通道的功率计算为
当天线在方位向±60°扫描时,各单元在空间的相位差为
式中,L为单元之间的间距,λ0为波长,θ0为波束指向。
所以在天线扫描时,每一个通道耦合到主校正通道的功率表述为
对于图2所示的14路耦合网络并联耦合后串馈到校正通道的耦合口,以第一路归一后,则在耦合口叠加后的总功率[4-5]可表述为
式中,
图2 DAM内部示意图
利用ADS软件建立电路模型,可以对每个DAM模块内耦合网络进行电路仿真。图3、图4是天线方位向扫描±60°时,通过ADS仿真得到的第一个DAM01耦合口的输出功率和端口相位。从图中可以看出,DAM01耦合端口输出的功率最大为0.15 W,而不同的扫描角,合成的相位各不相同。同样,在ADS电路模型中按照各馈电单元的排列位置,调整各单元馈入的相应相位,就可以计算出DAM02～DAM72模块内耦合网络的输出功率和端口相位。
图3 DAM01内耦合口功率
图4 DAM01内输出端口相位
1个子阵包含1个1∶6功分网络和6个DAM模块。如图5所示,根据阵面的位置排列,子阵内1∶6功分网络左边3个DAM的耦合端口输出是等幅同相的。同样,右边3个DAM的耦合端口输出也是等幅同相的。但左右两边DAM耦合口的输出相位不同。
一个理想的二等分Wilkinson功分器,作功率合成时[6-7],设两个输入端的信号分别为U1cosθ1,U2cosθ2,U1,U2分别为其端口幅度,θ1,θ2分别为其端口相位。则在总口输出的信号为
而在隔离电阻R上损失的信号为
图5 子阵内部示意图
从以上两式可以看出,当两个输入信号等幅同相时,其总口输出功率最大,而隔离电阻上无功率损耗;当两个输入信号等幅反相时,其总口无功率输出,而功率全部损耗在隔离电阻上。
利用前面建立的每个DAM内部耦合网络的ADS电路模型,作为子阵内1∶6功分网络的输入激励,可以得到相应子阵的ADS电路模型。当天线在方位向进行±60°扫描时,通过ADS软件对子阵进行仿真,得到如图6、图7所示的子阵1中耦合校正网络的输出功率和端口相位。
图6 子阵1内输出端口功率
图7 子阵1输出端口相位
在图6中,两条曲线分别为子阵内1∶6功分网络总口输出的功率和子阵内1∶6功分网络左右各单边3个DAM耦合输出口合成的功率。从图中可以看出,由于子阵内1∶6功分网络左右两边合成的相位不同,造成子阵内1∶6功分网络总口的功率不是完全左右两边叠加,而有一部分功率损失。这一部分损失的功率,是由于左右两边存在相位差,而耗散在子阵内1∶6功分网络总口的隔离电阻R上。其电阻R上耗散的功率如图8所示。
图8 子阵1内部R上的功率
从图中可以看到,天线方位向扫描±60°时,电阻上最大需要承受0.45 W的功率。所以在设计子阵中1∶6功分网络时,就要考虑隔离电阻的最大耐功率情况,至少要留有3 dB的余量。其他子阵中功率和相位的仿真分析,只需要改变子阵内1∶6功分网络端口所接的相应DAM内耦合网络电路模型作为激励,就可以得到相应子阵内校正网络的功率和端口相位的仿真结果。
整个天线阵面的校正网络包含1个1∶2功分网络、2个1∶6功分网络、12个子阵。在阵面中,因为天线的阵面尺寸比较大,各子阵距离阵面中1∶6功分网络的距离相差比较大。考虑重量和成本的关系,各子阵连接至阵面中1∶6功分网络之间的射频电缆长度L3～L14也相差较大。所以,在作阵面校正网络仿真时,不仅要考虑各子阵中校正网络的端口相位不同,还需要考虑中间连接的射频电缆L3～L14的相位和插损。整个天线阵面校正网络的仿真电路图如图9所示。
如图9所示,在每个子阵和阵面中1∶6功分网络之间都插入了一个衰减器和移相器,模拟射频电缆的损耗和插入相位,其中阵面中1∶6功分网络左右两边的射频电缆长度相互对称。当天线在方位向进行±60°扫描时,通过ADS软件进行仿真,得到阵面中校正网络各点的功率和相位分布仿真结果。图10为阵面中两个1∶6功分网络的总口和其内部1∶3功分网络总口的输出功率,其端口输出功率最大为1.5 W。图11为阵面中1∶6功分网络内部各隔离电阻上耗散的功率。由于各端口馈入的相位不同,所以输入的功率并没有全部从总口输出,而有一部分耗散在内部隔离电阻上。从图11中可以看到,在阵面中1∶6功分网络内部的隔离电阻上最大要承受1.5 W的功率。
图9 阵面校正网络电路图
图10 阵面中1∶6功分网络输出功率
图11 阵面中1∶6功分网络内各电阻承受功率
图12为校正网络中1∶2功分网络的输出功率,其端口输出功率最大为0.8 W。图13为1∶2功分网络中隔离电阻上的耗散功率,其最大值为1.4 W。所以,在设计整个校正网络时,就需要考虑功分网络中的隔离电阻最大需要承受1.5 W的功率。校正网络的总口输出功率比各子阵的输出功率小,主要是由于引入了射频电缆的插损以及因各子阵的输出相位不同,而有部分功率损耗在功分网络的隔离电阻上。
图12 阵面中1∶2功分网络的输出功率
图13 阵面中1∶2功分网络内电阻承受功率
本文基于ADS仿真软件建立的校正网络仿真电路模型,分析校正网路中的功率和相位分布。通过仿真分析,可以详细地得到整个校正网络中各点的功率和相位分布情况,从而为校正网络的电讯设计提供可靠性保障。此方法也可以应用于其他射频馈电系统的分析,简单、实用、有效性高。
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Analysis of Power and Phase in Large Aperture Array Antenna Calibration Network
GE Haiqing1,2,FENG Wenwen1,2,WANG Huisheng1,2,LAI Qinghua1,2
(1.The38th Research Institute of CETC,Hefei230088,China;2.Key Laboratory of Aperture Array and Space Application,Hefei230088,China)
Abstract:Only the working states of the transmitting calibration and receiving calibration are considered in calibration network analysis generally.But for large aperture array antenna,the phase difference between the feed ports is big and even up to 180 degrees under the normal working condition besides the calibrating state.Therefore,in order to avoid burning the network by the large internal power,the affections of various working states of the whole radar system on the calibration network has to take into account.In this paper,the circuit model is built by using ADS software and the analysis of power and phase distributions in the network is made under various working conditions.The simulation and analysis results show the internal power handling of the calibration network.This offers a reference to the improvement design of the calibration network,which can improve the design reliability of the calibration network effectively.The results of the analysis are accurate,reliable and effective.
Key words:calibration network;coupler;power;phase
中图分类号:TN819.1
文献标志码:A
文章编号:1672-2337(2017)01-0103-05
DOI:10.3969/j.issn.1672-2337.2017.01.019
收稿日期:2016-06-06;
修回日期:2016-10-08
作者简介:
戈海清男,1977年生,江西新干人,中国电子科技集团公司第三十八研究所工程师,主要从事微波天馈系统方面的研究。E-mail:gehaiqing@sohu.com
冯文文男,1984年生,安徽砀山人,中国电子科技集团公司第三十八研究所高级工程师,主要从事微波天馈系统方面的研究。
王惠生男,1982年生,河北承德人,中国电子科技集团公司第三十八研究所高级工程师,主要从事微波天馈系统方面的研究。