CN115377671A - 一种超宽带长缝耦合串联监测网络 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超宽带长缝耦合串联监测网络，旨在改善小孔耦合由阻抗失配引起的监测性能恶化现象，属于雷达馈电网络领域。该串联监测网络由多层印制板电路组成，主要包括多路主通道、监测通道、耦合长缝和金属过孔组。主通道与监测通道均为带状线结构，共用中间层金属地，在该共用金属地上刻蚀了一条长缝隙，其走线方式与监测通道传输线一致；金属过孔组分布在长缝隙和主通道传输线两侧，贯穿整个多层板，使上、下层金属地垂直相连。该串联监测网络在超宽频带内具备平稳的监测性能，适用于各类有源相控阵天线系统的内监测。
Description
技术领域
本发明属于雷达馈电网络领域。
背景技术
在有源相控阵雷达系统中，天线通道的幅相误差会引起天线副瓣的恶化和天线增益的下降，通道幅相一致性误差的监测校准非常重要，天线监测系统在相控阵雷达系统中扮演着非常重要的角色。相对于外监测，内监测系统可快速展开工作，受外界环境干扰小，通道间的相互影响也较小，测量误差及系统稳定性也要优于外监测系统，越来越适用于现代雷达的使用需求。
内监测系统通过在通道内设置定向耦合器作为信号馈入和提取点，并将多个耦合信号通过馈线网络连接起来构成内监测网络，通过提取各通道的耦合信号对有源阵面进行幅相监测校准。这种馈线网络可以是并联形式、串联形式或者串并联混合形式。
串联监测具有结构形式简单，体积小、易集成等优点。串联形式的内监测网络中，采用小孔耦合的定向耦合器主通道传输线一端接天线，另一端接T/R组件，主通道传输线上的信号经过孔隙耦合到另一侧耦合传输线上。将所有定向耦合器的耦合传输线串联起来形成监测通道的传输线，且监测通道一端作为监测信号口，另一端接匹配负载。
串联内监测网络的各主通道间距通常与单元间距相同，此时监测通道传输线一侧有等间距排列的耦合缝隙。由传输线理论可知，监测通道传输线阻抗在缝隙处不匹配，部分电磁波在缝隙处反射。周期排列的缝隙会导致传输线在某频点的反射波同相叠加，最终在传输线的输入端口处电压驻波比急剧上升，称该频点为失配点，其监测的幅度会突然下降，导致该频点附近的通道幅相校准精度的恶化。
当串联内监测网络的工作带宽较窄时，该失配频点通过设计，可以移出工作频带外。在超宽带天线设计中，单元间距一般取最高频的半波长，此处的波长为自由空间波长，介质波长小于自由空间波长。而在监测网络中，相邻缝隙之间的耦合传输线的物理长度不低于单元间距，则该段传输线180°电长度对应的频点，即所述的失配点，必然小于带宽内的最高频。由于传输线的重复性，失配点的整数倍依然是失配点，因此，在两倍频程的宽带内，失配点必然会出现。
在超宽带串联监测网络的设计中，带内失配点问题可以在缝隙处的耦合传输线位置做一些阻抗匹配，减少反射波的影响。但当缝隙个数较多时，需要在各缝隙处依次做阻抗匹配来减小反射波的影响，设计较为复杂，宽带匹配效果也不理想。
发明内容
为了克服小孔耦合结构超宽带工作的不足，本发明提出了一种超宽带长缝耦合串联监测网络，对监测通道传输线进行了超宽带的阻抗匹配设计，使相控阵天线具有平稳的超宽带监测性能。
本发明采取的技术方案为：
一种超宽带长缝耦合串联监测网络，由多层印制板组成，包括第一介质板10、第二介质板20、第三介质板30、第四介质板40、上层金属地101、主通道传输线组201、中间层金属地301、监测通道传输线401、下层金属地402以及金属过孔组50；其中上层金属地101位于第一介质板10上表面，主通道传输线组201位于第二介质板20上表面，中间层金属地301位于第三介质板30上表面，监测通道传输线401位于第四介质板40的上表面，下层金属地402位于第四介质板40的下表面，所有介质板用半固化片压合；中间层金属地301上刻蚀长耦合缝隙3011，金属过孔组50垂直贯穿所有印制板，连接上层金属地101、中间层金属地301和下层金属地402。
进一步地，长耦合缝隙3011与监测通道传输线401结构相同，且在垂直方向投影位置重合。
进一步地，主通道传输线组201由若干等间距排布的金属直线传输线组成。
进一步地，金属过孔组50分布在主通道传输线组201、监测通道传输线401以及长耦合缝隙3011的两侧。
上层金属地、主通道传输线和中间层金属地构成主通道，为带状线结构；中间层金属地、监测通道传输线和下层金属地构成传输通道，为带状线结构；主通道与监测通道共用中间层金属地。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)采用长缝耦合结构，仅需调整长缝宽度和监测通道传输线宽度即可完成传输的阻抗匹配，设计简洁。
(2)本发明的内监测网络能够在六倍频带宽内具备稳定的监测幅相，带内幅度平坦度小于±4dB。
(3)本发明的监测网络采用多层印制板结构，性能稳定，制造成本低，批产一致性高。
附图说明
图1是本发明的整体结构的各层示意图；
图2是本发明的正上方视角结构示意图；
图3是本发明的频带内主通道和监测通道端口电压驻波比；
图4是本发明的频带内主通道与监测通道的耦合量曲线；
图5是本发明的监测通道方向性和相邻端口间的隔离度。
其中：10，第一介质板；20，第二介质板；30，第三介质板；40，第四介质板；101，上层金属地；201，主通道传输线组；301，中间层金属地；3011，长耦合缝隙；401监测通道传输线；402，下层金属地；50，金属过孔组。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施案例，对本发明作进一步详细说明：
实施例1
参照图1，一种超宽带长缝耦合串联监测网络，由多层印制板压合而成，主要包括第一介质板10、第二介质板20、第三介质板30、第四介质板40、上层金属地101、主通道传输线组201、中间层金属地301、监测通道传输线401、下层金属地402以及金属过孔组50。所有印制板相对介电常数均为3.0，长度426mm，宽度16mm。第一介质板10和第二介质板20的厚度为1.0mm，第三介质板30和第四介质板40的厚度为0.5mm。
上层金属地101位于第一介质板10上表面，主通道传输线组201位于第二介质板20上表面，由16个等间距排布的金属直线传输线组成，主通道传输线线宽1.3mm，相邻间距为27mm。中间层金属地301位于第三介质板30上表面，监测通道传输线401位于第四介质板40的上表面，线宽0.8mm。下层金属地402位于第四介质板40的下表面，所有介质板用半固化片压合。
中间层金属地301上刻蚀长耦合缝隙3011，缝隙宽度0.8mm，长耦合缝隙3011与所述监测通道传输线401结构相同，且在垂直方向投影位置重合。金属过孔组50垂直贯穿所有印制板，直径0.6mm，连接上层金属地101、中间层金属地301和下层金属地402，分布在主通道传输线组201、监测通道传输线401以及长耦合缝隙3011的两侧。
参照图2，该串联监测网络各端口的位置示意图，整个模块为长条形，最右侧端口J为监测通道的监测端口，最左侧K为监测通道匹配端口，主通道组共16路，均匀分布在中间位置。例如，P1-Q1构成一路主通道，P1端口接T/R组件端口，Q1端口接天线端口，P2-Q2与P1-Q1相邻。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
1、仿真条件和内容
利用商业仿真软件对实施案例1进行了全波仿真，仿真结果如图3～5所示。
2、仿真结果分析
参照图3，为实施例1中的主通道P1端口和监测通道J端口的电压驻波比曲线。在1～6GHz频带范围内，电压驻波比均小于1.15，其中监测通道J端口的驻波在带内并没有出现突然升高的现象。参照图4，S(J,P1)为实施例1中监测通道端口J与主通道端口P1的耦合幅度量。在1～6GHz频带内，耦合量较平稳，没有出现带内突然下降的情况。耦合量控制在-38～-30dB内，幅度平坦度小于±4dB，带内平坦度较好。参照图5，为实施例1中监测通道的方向性和相邻主通道的隔离度曲线。该监测通道的方向性|S(K,P1)-S(J,P1)|大于20dB，相邻主通道间的隔离度|S(P1,Q2)|大于60dB。因此，可见该长缝结构的内监测网络具有超宽频带、监测稳定、平坦度好、方向性和隔离度大等优点。
Claims (4)
1.一种超宽带长缝耦合串联监测网络，其特征在于：所述串联监测网络由多层印制板组成，包括第一介质板(10)、第二介质板(20)、第三介质板(30)、第四介质板(40)、上层金属地(101)、主通道传输线组(201)、中间层金属地(301)、监测通道传输线(401)、下层金属地(402)以及金属过孔组(50)；其中上层金属地(101)位于第一介质板(10)上表面，主通道传输线组(201)位于第二介质板(20)上表面，中间层金属地(301)位于第三介质板(30)上表面，监测通道传输线(401)位于第四介质板(40)的上表面，下层金属地(402)位于第四介质板(40)的下表面，所有介质板用半固化片压合；中间层金属地(301)上刻蚀长耦合缝隙(3011)；金属过孔组(50)垂直贯穿所有印制板，连接底层金属地(101)、中间层金属地(301)和底层金属地(402)。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带长缝耦合串联监测网络，其特征在于：长耦合缝隙(3011)与监测通道传输线(401)结构相同，且在垂直方向投影位置重合。
3.根据权利要求1所述的一种超宽带长缝耦合串联监测网络，其特征在于：所述主通道传输线组(201)由若干等间距排布的直线金属传输线组成。
4.根据权利要求1所述的一种超宽带长缝耦合串联监测网络，其特征在于：所述金属过孔组(50)分布在主通道传输线组(201)、监测通道传输线(401)以及长耦合缝隙(3011)的两侧。
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