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        一種方同軸線雙耦合結(jié)構(gòu)的寬帶移相器

        2018-01-05 08:57:52陳良圣李祥菊王群杰
        雷達(dá)與對抗 2017年4期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)模型

        陳良圣,李祥菊,2,王群杰,謝 輝

        (1. 安徽博微長安電子有限公司,安徽 六安 237010;2. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088;3. 空軍駐合肥地區(qū)軍事代表室,合肥 230000)

        一種方同軸線雙耦合結(jié)構(gòu)的寬帶移相器

        陳良圣1,李祥菊1,2,王群杰1,謝 輝3

        (1. 安徽博微長安電子有限公司,安徽 六安 237010;2. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088;3. 空軍駐合肥地區(qū)軍事代表室,合肥 230000)

        基于Schiffman移相器,設(shè)計(jì)了一種2~6 GHz方同軸線雙耦合結(jié)構(gòu)的寬帶移相器。該移相器可以實(shí)現(xiàn)90°的移相量。通過仿真設(shè)計(jì),該移相器在3倍帶寬內(nèi)其模型具有較好的移相精度,且駐波和損耗也較小,驗(yàn)證了該方案的可行性。

        Schiffman移相器;方同軸線;寬帶

        0 引 言

        在雷達(dá)、微波通信系統(tǒng)中,移相器是一種基本元器件,對系統(tǒng)有著重要的作用。隨著系統(tǒng)的高集成度和超寬帶需求越來越廣泛,移相器也向著小型化、寬帶方向發(fā)展。自Schiffman工程師在1958年研發(fā)出Schiffman移相模型[1-2]后,國內(nèi)外眾多學(xué)者和工程技術(shù)人員都對其進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]介紹了一種微帶結(jié)構(gòu)的兩個(gè)耦合線平行相連的Schiffman模型,移相器相對帶寬為80%,移相精度小于±10°。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于懸置微帶線結(jié)構(gòu)的Schiffman移相器,在34~44 GHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)了45°相移,相對帶寬為26%,功率容量為5 W。文獻(xiàn)[5]介紹了一款基于Schiffman模型改進(jìn)形式的X波段帶狀線移相器,在6~18 GHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)了90°相移,帶內(nèi)損耗≤1 dB,駐波<2.2。

        本文介紹了一種基于Schiffman移相模型的方同軸線雙耦合結(jié)構(gòu)的寬帶移相器。它可以在2~6 GHz三倍頻內(nèi)實(shí)現(xiàn)90°移相,相對帶寬為100%,優(yōu)于文獻(xiàn)[3] 和文獻(xiàn)[4]。此外,與文獻(xiàn)[4]中的模型相比,由于采用同軸線結(jié)構(gòu),該移相器的耐功率為205 W,駐波優(yōu)于1.3,損耗優(yōu)于0.15 dB,相應(yīng)指標(biāo)優(yōu)于文獻(xiàn)[5]。

        1 方同軸線

        與常見的同軸線類似,方同軸線[6]是由兩根同軸的方形導(dǎo)體構(gòu)成的導(dǎo)行系統(tǒng),結(jié)構(gòu)如圖1所示。其內(nèi)外導(dǎo)體均為金屬,外導(dǎo)體內(nèi)壁邊長為2a,內(nèi)導(dǎo)體邊長為2b。

        圖1 方同軸線的結(jié)構(gòu)

        文獻(xiàn)[6]對方同軸線的特性阻抗和傳輸損耗進(jìn)行了詳細(xì)的分析計(jì)算,給出了其特性阻抗計(jì)算公式以及特性阻抗與方同軸線尺寸的關(guān)系,見圖2所示。

        圖2 特性阻抗與方同軸線尺寸的關(guān)系

        (1)

        其中εr為相對介電常數(shù),μr為相對磁導(dǎo)率,c=a-b/2。

        根據(jù)微放電效應(yīng)[7],方同軸線內(nèi)的擊穿電壓Umax和極限功率為

        (2)

        (3)

        其中,d=a-b,m是電子的質(zhì)量,e是電子的電量,?是初級電子相角,f是工作頻率。

        本文選用的方同軸線內(nèi)外導(dǎo)體邊長分別為2b=1.24 mm,2a=3.1 mm,端口阻抗Z0=50 Ω,根據(jù)式(2)和(3)可得該方同軸線的擊穿電壓Umax=143 V,極限功率Pmax=205 W。

        2 Schiffman移相器

        Schiffman移相器是一種寬帶差分移相器,由兩條傳輸線組成,一條是參考傳輸線,另一條是彎折的邊緣耦合的傳輸線。

        圖3 Schiffman移相器的結(jié)構(gòu)

        圖4 雙耦合線Schiffman移相器的結(jié)構(gòu)

        耦合線的輸入阻抗ZI和相移量?可以由下式計(jì)算:

        (4)

        ?=cos-1((ρ-tan2θ)/(ρ+tan2θ))

        (5)

        其中,ρ=Z0e/Z0o,Z0e是耦合線的偶模特性阻抗,Z0o是耦合線的奇模特性阻抗。θ=βl是耦合線的電長度。

        耦合度C與耦合線阻抗的關(guān)系為

        (6)

        選擇合適的耦合線長度和間距,利用耦合傳輸線的非線性相位特性和參考傳輸線的線性相位特性,二者相位相減,可得Schiffman移相器的差分相移Δ?:

        (7)

        其中,ρ=Z0e/Z0o,Kθ是參考傳輸線的電長度,K是參考傳輸線長度與耦合線長度的比值。

        本文選用的雙耦合線Schiffman移相器,其結(jié)構(gòu)如圖4所示,其差分相移Δ?為

        (8)

        本文設(shè)計(jì)的移相模型中,參考線的耦合度C1=21 dB,耦合線的耦合度C2=7 dB,根據(jù)式(4)可得ρ1=1.2,ρ2=2.6,則兩條耦合線的奇偶模阻抗為

        3 仿真設(shè)計(jì)

        方同軸線內(nèi)外導(dǎo)體均為金屬導(dǎo)體,考慮到移相器的尺寸和可加工性,內(nèi)導(dǎo)體邊長2b=1.24 mm,端口阻抗Z0=50 Ω,則外導(dǎo)體內(nèi)邊長2a=3.1 mm,介質(zhì)支撐材料為聚四氟乙烯。具體設(shè)計(jì)步驟如下:

        (1) 根據(jù)方同軸線端口阻抗Z0和工程要求,確定2a,2b;

        (2) 根據(jù)參考線和耦合線耦合度C1,C2,計(jì)算出ρ1,ρ2,進(jìn)而得到兩條耦合線的奇偶模阻抗Z0e1,Z0o1,Z0e2,Z0o2;

        (3) 根據(jù)奇偶模阻抗計(jì)算得出參考線和耦合線耦合段的寬度w1=1.4 mm,w2=0.8 mm和縫隙寬度d1=1.7 mm,d2=0.35 mm;

        (4) 利用HFSS軟件進(jìn)行建模,如圖5。優(yōu)化耦合段的切角、長度l1,l2、線寬w1,w2和縫間距d1,d2,使結(jié)果達(dá)到最佳。

        圖5 模型

        通過優(yōu)化得到仿真結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出,在頻帶內(nèi)移相起伏≤±7°,VSWR≤1.3,損耗≤0.15 dB。

        圖6 移相精度

        圖7 端口駐波

        圖8 損耗

        4 結(jié)束語

        本文基于Schiffman移相模型設(shè)計(jì)改進(jìn)的移相器,對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算和HFSS軟件的仿真設(shè)計(jì)。從仿真結(jié)果可以看出,該移相器在3倍帶寬內(nèi),實(shí)現(xiàn)了90°的移相,移相精度≤±7°,VSWR≤1.3,損耗≤0.15 dB,驗(yàn)證了該方案的可行性。

        [1] Schiffman B M.A New Class of Broad-Band Microwave 90-Degree Phase Shifters[J].IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1958,6(2):232-237.

        [2] Quirarte J L R,Starski J P.Synthesis of Schiffman phase shifters[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1991,39(11):1885-1889.

        [3] Quirarte J L R,Starski J P.Novel Schiffman phase shifters[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1993,41(1):9-14.

        [4] 王建,陳春紅,鄧曉東,吳文.基于懸置帶線結(jié)構(gòu)的毫米波移相器設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào),2012(6):155-157.

        [5] 邢君,白明強(qiáng),李暢游.一款X波段帶狀線移相器的設(shè)計(jì)[J].艦船電子工程,2016(10):170-172.

        [6] 曹桂明,王積勤.方同軸線的特性分析[J].上海航天,2003(2):27-29.

        [7] Wu CB,Sun Q F,Luo Y H,etal. Studies of Multipactor Threshold in Square Coaxial Lines[J].Proceedings of 2000 ISAPE,2000:422- 425.

        A broadband phase shifter with a square coaxial line double coupling structure

        CHEN Liang-sheng1, LI Xiang-ju1,2, WANG Qun-jie1, XIE Hui3

        (1. An’hui Bwchangan Electronics Co., Ltd., Lu’an 237010, China; 2. No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088; 3. Military Representatives Office of the PLA Air Force in Hefei, Hefei 230000)

        A broadband phase shifter with a square coaxial line double coupling structure is designed based on the Schiffman phase shifter at the frequency of 2~6 GHz. The phase shifter can obtain 90°phase shift. Through the simulation design, the phase shifter has better phase-shifting accuracy and less standing wave and loss in triple bandwidth, which verifies the feasibility of the scheme.

        Schiffman phase shifter; square coaxial line; broadband

        TN95

        A

        1009-0401(2017)04-0044-03

        2017-10-22;

        2017-10-29

        陳良圣(1984-),男,工程師,研究方向:陣列天線、微波網(wǎng)絡(luò);李祥菊(1985-),女,工程師,研究方向:雷達(dá)天饋系統(tǒng);王群杰(1975-),男,高級工程師,研究方向:雷達(dá)天饋系統(tǒng);謝輝(1979-),男,碩士,研究方向:雷達(dá)系統(tǒng)工程。

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