一种超宽带和差器网络及其加工方法与流程

本发明涉及天线微波技术领域，特别涉及一种超宽带和差器网络及其加工方法。

背景技术：

在有源相控阵雷达中，对目标的跟踪常用和差波束测角的方法。和差波束测角技术中需要天线在接收状态下具有形成和波束、方位差波束以及俯仰差波束的能力，因此微波频段和差网络广泛应用于有源相控阵雷达以形成所需和、差波束。和差网络是一种微波多端口器件，天线阵面划分为对称的四个象限，将这四个象限的微波信号从四个端口输入和差网络，在和差网络中将四个象限的输入信号在微波频段进行合成以及相减，最终在和差网络的输出口分别形成和波束、方位差波束与俯仰差波束。

现代雷达的功能越来越多，需要的工作频率带宽越来越宽，这就需要雷达系统对应的和差波束网络业具有相应的宽带工作特性。形成和差网络的基本单元是被称之为“魔t”的四端口器件，其中一路输入，另外两路信号反相180°输出，另一个端口隔离。要实现和差网络宽带化，首先要实现魔t的宽带化。

在微波频段常用的和差网络基于波导魔t单元结构，由于波导单模工作频率范围的限制，波导和差网络实现的工作带宽最多不超过40％，且波导和差网络的体积大，重量重，不适合在机载平台使用。

利用微带线和槽线过渡产生反相效应设计的宽带和差网络能够实现宽带工作，且具有较小的体积和重量。此外利用带状线和槽线可以实现宽带的和差网络设计，但是由于槽线在传输微波信号时，需要一定空间形成传输模式，这就使得该种方法设计的和差网络不能做到超薄的尺寸。另外，这种设计方式也无法满足现在对机载火控雷达天线更宽的带宽需求(如6ghz-18ghz)。

将偏置耦合带线应用于微波魔t的设计可以实现较宽带的工作带宽。常规方法是首先利用偏置耦合带线形成能够输出90°相位差的两路信号，再将其中一路信号连接宽带90°移相器，这样就能够形成了两路180°反相输出的魔t，利用这种魔t单元设计实现宽带和差网络。这种设计方法，需要偏置耦合带线有大耦合量，这就要求带线上下层间距小于0.15mm，也就是说需要厚度小于0.15mm的介质板材，这对加工工艺的实现和板材的选择提出了诸多限制，也不利于成品率的提高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供了一种超宽带和差器网络及其加工方法，以解决现有和差波束网络存在的至少一个问题。

本发明的技术方案是：

一种超宽带和差器网络，包括：

由上至下依此层叠的上层金属地板、上层微波介质板材、上层半固化片、中间层微波介质板、下层半固化片、下层微波介质板材以及下层金属地板；

其中，在所述中间层微波介质板上形成和差器网络金属带线。

可选的，在所述中间层微波介质板的上下表面分别刻蚀上层金属带线和下层金属带线，所述上层金属带线和下层金属带线构成所述和差器网络金属带线；

可选的，所述和差器网络金属带线电路包括第一魔t单元、第二魔t单元、第三魔t单元以及第四魔t单元。

可选的，所述第一魔t的和口与所述第三魔t的第一分口连接，所述第一魔t的差口与所述第四魔t的第一分口连接；

所述第二魔t的和口与所述第一魔t的第二分口连接，所述第二魔t的差口与所述第四魔t的第二分口连接；

所述第一魔t的第一分口和第二分口分别连接至天线象限ⅰ和天线象限ⅱ；

所述第二魔t的第一分口和第二分口分别连接至天线象限ⅲ和天线象限ⅳ；

在所述第三魔t的和口形成天线的和路信号，在所述第三魔t的差口形成天线的第一差路信号；

在所述第四魔t的和口连接匹配负载，在所述第四魔t的差口形成天线的第二差路信号。

可选的，在每一个魔t单元中，采用偏置耦合带线形式，且由两节预定耦合度渐变耦合器级联。

可选的，所述预定耦合度为8.34db，以形成3db的超宽带魔t。

本发明还提供了一种超宽带和差器网络加工方法，包括如下步骤：

步骤一、在中间层微波介质板上刻蚀出和差器网络金属带线；

步骤二、将第一覆铜介质板下层金属板刻蚀掉，剩下上层金属地板1和上层微波介质板材；

步骤三、将第二覆铜介质板上层金属板刻蚀掉，剩下下层金属地板和下层微波介质板材；

步骤四、通过上层半固化片热压方式将所述第一覆铜介质板的上层微波介质板材下表面与中间层微波介质板上表面粘接，同时通过下层半固化片热压方式将所述第二覆铜介质板的下层微波介质板材上表面与中间层微波介质板下表面粘接。

可选的，在所述步骤一中：

是在所述中间层微波介质板的上下表面分别刻蚀上层金属带线和下层金属带线，再由所述上层金属带线和下层金属带线构成所述和差器网络金属带线。

可选的，在所述步骤一中，所述和差器网络金属带线电路包括第一魔t单元、第二魔t单元、第三魔t单元以及第四魔t单元，其中

所述第一魔t的和口与所述第三魔t的第一分口连接，所述第一魔t的差口与所述第四魔t的第一分口连接；

所述第二魔t的和口与所述第一魔t的第二分口连接，所述第二魔t的差口与所述第四魔t的第二分口连接；

所述第一魔t的第一分口和第二分口分别连接至天线象限ⅰ和天线象限ⅱ；

所述第二魔t的第一分口和第二分口分别连接至天线象限ⅲ和天线象限ⅳ；

在所述第三魔t的和口形成天线的和路信号，在所述第三魔t的差口形成天线的第一差路信号；

在所述第四魔t的和口连接匹配负载，在所述第四魔t的差口形成天线的第二差路信号。

可选的，在所述步骤一中，在每一个魔t单元中，采用偏置耦合带线形式，且由两节预定耦合度渐变耦合器级联。

发明效果：

本发明的超宽带和差器网络具有体积小、厚度小以及工作带宽更宽的优点；通过本发明超宽带和差器网络加工方法，使得超宽带和差器网络更宽的工作带宽、更小的体积，能够形成大偶模阻抗，从而增强带线的耦合度，提升带宽。

附图说明

图1是本发明超宽带和差器网络的层间关系图；

图2是本发明超宽带和差器网络的电路图；

图3是本发明超宽带和差器网络原理拓扑图；

图4是本发明超宽带和差器网络中宽带魔t电路如图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

下面结合附图1至图4对本发明超宽带和差器网络及其加工方法做进一步详细说明。

本发明提供了一种超宽带和差器网络，可以包括通过上下热压成型方式，由上至下依此层叠的上层金属地板11、上层微波介质板材21、上层半固化片31、中间层微波介质板22、下层半固化片32、下层微波介质板材23以及下层金属地板12；其中，是在中间层微波介质板22上形成和差器网络金属带线。

本发明的超宽带和差器网络具有体积小、厚度小以及工作带宽更宽的优点。

进一步，上述各层微波介质板、半固化片的材料和厚度可以根据需要进行适合的选择；本实施例中，优选中间层微波介质板22是厚度为0.254mm的rogers5880材料；上层微波介质板材21和下层微波介质板材23为0.508mm的rogers5880材料。半固化片选用已知的热固型材料。

在本发明的超宽带和差器网络中，是在中间层微波介质板22的上下表面分别刻蚀上层金属带线41和下层金属带线42，再由上层金属带线41和下层金属带线42构成和差器网络金属带线。通过上述分别刻蚀的方式，能够形成大偶模阻抗，从而增强带线的耦合度，提升带宽。

进一步，本发明的超宽带和差器网络采用了偏置耦合带线电路；具体地，在上述结构中，是使用半固化片将带有刻蚀电路图形的微波多层介质板材粘接起来，形成微波射频信号的导波传输结构(具体是通过半固化片进行多层微波介质板材的高温压合和粘接，将分离的多层板材粘接成整体)；其中，上层金属地板11和下层金属地板12是用来完成对微波信号的屏蔽，上层金属带线41和下层金属带线42用来传输微波信号，并且通过改变两金属带线的间距调整传输线偶模阻抗。由于偏置耦合带线电路具有低厚度、无需腔体屏蔽以及能够实现大耦合量的特点，使得该类型的微波电路能够实现紧凑的结构体积、方便集成设计以及能够实现大工作带宽的天然优势。

进一步，本发明的超宽带和差器网络中，上层金属带线41与下层金属带线42刻蚀在超薄微波介质板材上，当传输微波信号时，上下金属带线之间由于超薄间距形成强耦合结构，上下层金属地板位于金属带线两侧，用来屏蔽微波信号，形成封闭的传输结构，该结构能够实现超宽带的耦合器功能。

进一步，本发明的超宽带和差器网络中，和差器网络金属带线的电路可以包括第一魔t单元51、第二魔t单元52、第三魔t单元53以及第四魔t单元54。

具体地，各个魔t单元相互之间的连接关系如图3所示；第一魔t单元51的和口与第三魔t单元53的第一分口连接，第一魔t单元51的差口与第四魔t单元54的第一分口连接；第二魔t单元52的和口与第一魔t单元51的第二分口连接，第二魔t单元52的差口与第四魔t单元54的第二分口连接。其中，第一魔t单元51的第一分口和第二分口分别连接至天线象限ⅰ和天线象限ⅱ；第二魔t单元52的第一分口和第二分口分别连接至天线象限ⅲ和天线象限ⅳ；在第三魔t单元53的和口形成天线的和路信号，在第三魔t单元53的差口形成天线的第一差路信号；在第四魔t单元54的和口连接匹配负载，在第四魔t单元54的差口形成天线的第二差路信号。

本发明的超宽带和差器网络中，采用了上述超宽带和差网络，使用四个宽带魔t单元级联从而实现6ghz-18ghz的超宽带和差网络；超宽带和差器网络结构更紧凑，并且，只用到宽带魔t，不需要引入其他宽带器件，更有利于后续偏置耦合带线层接连接。

进一步，参照图2和图3所示，超宽带和差器网络中的四个魔t单元是利用偏置耦合带线的制作工艺；具体可以利用印制板加工工艺，结合真空压合工艺，实现无金属结构腔体的印制电路。在电路设计过程中，是将四个魔t单元按照附图3的基本电路拓扑形式级联，其中，port1、port2、port5和port6分别对应ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ象限，port4对应第三魔t单元53的和口(∑)，port3和port7分别是第三魔t单元53的差口(δ1)和第四魔t单元54的差口(δ2)，port8对应负载端口(与第四魔t单元54的和口连接)。当port1、port2、port5和port6端口分别连接相控阵天线四个象限的分区的集合口后，天线处于接收状态下，此时，四个象限的微波信号经过该和差网络，将会在port4端口进行四个象限信号的同相叠加，形成和波束；四个象限的微波信号在port3端口形成左半阵面与右半阵面的反相叠加，形成方位差波束；四个象限的微波信号在port7端口形成上半阵面与下半阵面的反相叠加，形成俯仰差波束。将和波束通道、方位差波束通道以及俯仰差波束通道通过射频传输电缆直接输入接收通道即可。

进一步，在本发明的超宽带和差器网络的每一个魔t单元中，还采用偏置耦合带线形式，且由两节预定耦合度渐变耦合器6级联；通过利用低耦合度的耦合器6级联实现高耦合度，能够在相对较厚的介质板材条件下实现较大的偶模阻抗，有利于加工实现，而采用单层板材的话目前是无法实现的。

进一步，优选预定耦合度为8.34db，连接相位参考线7以形成3db的超宽带魔t。具体地，耦合度8.34db的渐变耦合渐变段按照klopfenstein方法设计，耦合区域的归一化偶模阻抗从1至2.2398之间渐变，渐变段的长度设置为中心频点对应波长的1.25倍。另外，相位参考线7位于渐变耦合之后，其长度设置为等于耦合段长度。当端口port1输出微波信号时，会在port3端口和port4端口产生等幅且180°反相的两路微波信号。8.34db的耦合器6的偶模阻抗是按照渐变设计的，且最大偶模阻抗按照公式kmean＝zj-1/zj+1进行计算，其中kmean为耦合量值；偶模阻抗的渐变形式可以是指数形式或切比雪夫形式。

综上所述，本发明本发明的超宽带和差器网络具有更宽的工作带宽，更小的体积。相比较槽线/带线和差网络，其工作带宽提升了3倍，厚度缩小了近一半。同时，由于采用双节低耦合度级联实现高耦合的方式，能够减轻对材料和加工精度要求，对提升制作的成品率十分有利。本发明在具有单脉冲功能宽带天线的雷达、电子战、通信等系统中有着很好的应用前景，特别是在射频孔径综合方面，扩展天线工作带宽、提高天线系统集成度以及提升天线孔径利用率上有着很显著的效果。

本发明还提供了一种超宽带和差器网络的加工方法，具体地，可以包括如下步骤：

步骤一、在中间层微波介质板22上刻蚀出和差器网络金属带线；

步骤二、将第一覆铜介质板下层金属板刻蚀掉，剩下上层金属地板11和上层微波介质板材21；

步骤三、将第二覆铜介质板上层金属板刻蚀掉，剩下下层金属地板12和下层微波介质板材23；

步骤四、通过上层半固化片31热压方式将第一覆铜介质板的上层微波介质板材21下表面与中间层微波介质板22上表面粘接，同时通过下层半固化片32热压方式将第二覆铜介质板的下层微波介质板材23上表面与中间层微波介质板22下表面粘接。

进一步，在本发明还提供了一种超宽带和差器网络的加工方法步骤一中：

是在中间层微波介质板22的上下表面分别刻蚀上层金属带线41和下层金属带线42，再由上层金属带线41和下层金属带线42构成和差器网络金属带线。

本发明的超宽带和差器网络的加工方法中，和差器网络金属带线电路与上述超宽带和差器网络中的电路相同，不再赘述。

通过本发明超宽带和差器网络加工方法，使得超宽带和差器网络更宽的工作带宽、更小的体积，能够形成大偶模阻抗，从而增强带线的耦合度，提升带宽；并且在相对较厚的介质板材条件下实现较大的偶模阻抗，更有利于加工实现；进一步，还能够减轻对材料和加工精度要求，对提升制作的成品率十分有利。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。