11位數控延遲線組件的設計

程翔

（海軍駐南京924廠軍事代表室，江蘇 南京211100）

數控微波延時組件在信號處理系統、雷達系統和相控陣系統等許多領域中具有廣泛的應用。為了提高雷達的測距精度,補償不同工作頻率引起的相位差，n位數控延時組件經常在現代寬帶雷達系統中獲得應用[1-2]。

傳統的時間延遲線包括靜磁波延遲線、聲表面波延遲線和光纖延遲線。但較高的損耗和大的體積限制了這些傳統延遲線的應用。

本項目采用微帶集成電路形式，用PIN微波開關二極管作為控制元件，配合數控電路，實現對微波信號延遲時間的控制。與傳統的靜磁波延時線、聲表面波延時線和光纖延時線相比，本設計具有損耗小、體積小和重量輕的優點。

1 設計要求與原理

1.1組件指標

綜合設計要求，11位數控延遲線組件的設計指標為：

(1)輸入信號頻率范圍：0.6 GHz～3.0 GHz；

(2)延遲范圍：0 ns～10 ns；

(3)延遲步進：5 ps;

(4)增益：≥0 dB；

(5)輸出幅度變化：≤±1 dB(最大延時與最小延時狀態比較)；

(6)輸入/輸出駐波：≤1.5；

(7)延時切換時間：≤80 ns。

1.2組件原理框圖

數控延遲線的每一位由2個SPDT開關和延遲線構成，整個數控延遲線由11個代表不同延時的單元組成。原理框圖如圖1所示[3]。

2 組件設計

2.1 延遲線設計

前8位延遲線因延時小、精度高、損耗小，擬采用微帶線設計，其長度、損耗如表1所示。

圖1 原理框圖

表1 前8位延遲線設計表

表2 SFT-50-2電纜性能表

其中微帶線長度可由下式計算而得：

式中,L為長度，單位為m；t為延遲時間，單位為s；v為介質中傳播相速，單位為m/s。

后3位延遲線的延遲時間較長，若再采用便于混合集成的微帶線結構，則會導致體積增加，損耗相對于直通通道增大很多。設計時考慮常用的硬同軸電纜SFT-50-2作為延遲線，其特性如表2所示。

后3位共延時 8 960 ps，需要電纜長度為 8.960÷4.756≈1.883 9 m。每一位的計算情況如表3所示。其中常數4.756為每米延遲時間，單位為ns/m。

表3 后3位延遲線設計表

2.2 延遲線幅度調整設計

若采用以上設計方法,延遲線總的損耗約為：6 dB@3 GHz、3 dB@0.6 GHz，該值為全延時狀態與直通狀態之間的損耗差，此時差值較大，需改善延時的調幅性能。考慮在延遲損耗較大的每一位直通通路添加阻性衰減器，每一位添加的衰減量控制在它的3 GHz延遲損耗和0.6 GHz延遲損耗之間,那么整個數控延遲線的直通與全延時狀態之間的損耗差將在2 dB以內,如圖2所示。

通過添加損耗與延遲線損耗相似且對傳輸相位幾乎沒有影響的電路，可以達到比添加阻性衰減器更好的效果。仿真電路及結果如圖3～圖6所示。本文僅給出第7位的電路仿真圖。

2.3 開關設計

開關設計需保證在不同延時狀態之間進行切換時不出現諧振現象。由于有很多位開關串聯，應綜合考慮開關隔離度以及控制、線圈圈數等。本文選用串并聯結合的開關形式。

2.4均衡器設計

由于頻帶較寬，覆蓋范圍為 0.6 GHz～3.0 GHz，因此在高低端的損耗存在差異，需要引入均衡器對幅度進行均衡，從而達到整個頻帶內的波動要求。本文選成熟的均衡模塊，減少重復設計，縮短設計周期，提高設計效率。

2.5增益補償

由于整個組件需要實現0 dB的增益要求，所以在組件內部還需添加放大器來補償由延遲線帶來的損耗。本文選用單片放大器SNA-386來實現該要求。

通過以上設計，本文較好地實現了11位數控延遲線組件的小型化設計。通過本文的研究，基本掌握該頻段數控延遲線組件的設計方法和關鍵工藝技術突破，對以后其他頻段數控延遲線的設計具有一定的指引作用。

[1]清華大學《微帶電路》編寫組.微帶電路[M].北京：人民郵電出版社,1976.

[2]BAHI I，BHARTIA P.微波固態電路設計(第二版)[M].鄭新,趙玉潔,劉永寧,等譯.北京：電子工業出版社,2006.

[3]汪霆雷,魏文博，劉其中，等.小型化5位數控延遲線的設計[J].西安電子科技大學學報,2008，35(2)：258-261.