應用于復雜饋電系統的射頻網絡設計

薛玲瓏，劉 宇，王 豪，孫 竹，劉衛平

(上海航天電子通訊設備研究所，上海 201109)

應用于復雜饋電系統的射頻網絡設計

薛玲瓏，劉 宇，王 豪，孫 竹，劉衛平

(上海航天電子通訊設備研究所，上海 201109)

針對現代雷達系統多功能、高集成、小型化發展的需求，設計了一種應用于有源相控陣天線復雜饋線系統的射頻網絡。射頻網絡采用埋薄膜電阻實現隔離功能，與數字電路的一體化設計，提高系統的集成度、穩定性和可靠性。通過高頻仿真軟件Ansoft HFSS對射頻網絡建模仿真，射頻網絡電路與激勵器控制電路一體化加工。測試結果表明，射頻網絡在5.0～5.8 GHz工作頻帶內良好匹配，VSWR≤1.3，帶內傳輸特性一致性較好，端口起伏≤0.4 dB，與仿真結果對比很吻合。

射頻網絡；復雜饋線系統；集成設計

0 引言

復雜饋電系統[1]是指有源相控陣雷達[2]陣面中天線單元、T/R組件[3]、波控單元[4]、電源系統等模塊之間傳輸、分配和合成多種信號(射頻信號、波控數字信號、電源信號和光信號等)的網絡總稱，其基本結構由射頻饋電網絡和激勵器控制電路等組成。在一般的饋電系統[5]中，各種網絡結構上自成一體，各自分立，電纜、連接器等互聯器件多，整個信號傳輸鏈路接口關系繁雜，傳統的帶狀線功分器[6]安裝時需要單獨設計盒體，留出對外的射頻接口，在大型相控陣系統[7]中一般需要多級功分網絡級聯，盒體數量驚人，這種饋電系統占據了有源相控陣天線系統較大的體積和重量。

近年來，有源相控陣天線發展迅速，越來越多地應用到機載SAR、星載SAR系統中，機載、星載系統對結構空間、重量的要求要遠遠高于地面雷達系統，對系統的集成度提出了越來越高的要求，使得復雜饋電系統的研制成為必然。隨著復雜信號綜合電路設計技術和多層印制板制造技術[8]等關鍵技術的發展，復雜饋電系統由研制轉為實用成為可能，其將射頻電路、數字電路和電源控制等多種信號一體化集成設計，簡化了系統間互聯，節省了裝配空間，結構緊湊，具有高集成、小型化的顯著優點。通過在饋電電路部分采用多層微帶板電路來代替傳統的單層微帶板電路可以有效提高雷達系統的集成度、穩定性和可靠性。

本文設計了一種應用于星載電子偵察SAR復雜饋線系統的射頻網絡，其中射頻網絡由具有隔離功能的帶狀線功分器[9]和帶狀線耦合功分器組成。傳統的帶狀線功分器安裝時需要單獨設計盒體，留出對外的射頻接口，在大型相控陣系統中一般需要多級功分網絡級聯，盒體數量驚人，此外，還需使用射頻接頭，會引入插損，一致性也變差。與傳統射頻網絡相比，集成度高，性能穩定，可靠性高，單機部套數量大大減小，射頻網絡部分可實現重量減少90%，更適合用于星載系統[10]。

1 復雜饋電系統設計

復雜饋線系統位于中心計算機與C波段雙T/R組件之間，激勵器控制是激勵器的重要組成部分，主要為T/R組件提供各種控制信號；同時轉送來自激勵器電源板多路電源，一部分自用，另一部分提供給C波段雙T/R組件；射頻網絡實現射頻信號傳輸及功率合成、分配。復雜饋線系統的信息流圖如圖1所示。

圖1 復雜饋線系統電路板信息流

該饋電系統采用多層印制電路形式，電路共12層，尺寸為330 mm×230 mm×3.6 mm，復雜饋電系統疊層圖如圖2所示。

圖2 復雜饋電系統疊層

復雜饋線系統檢測激勵器電源板提供給C波段雙T/R組件和雙延時組件的+9 V、+5 V和-5 V電源；按照中心計算機(波控機)發送的組件地址碼，接收中心計算機發送波控數據，轉換成相應格式后，發送給對應C波段雙T/R組件實現C波段雙T/R組件接收通道和發射通道開關控制及射頻信號衰減移相控制；接收中心計算機送來的接收選通信號和發射選通信號，按照該信號要求控制組件接收與發射支路切換；接收中心計算機功放電源的控制信號，轉發給激勵器電源板，實現對功放+9 V電源的開關控制；接收中心計算機送來的起步走信號，實現C波段雙T/R組件波控碼的同時更新；射頻網絡實現發射射頻信號功率平均分配到8個T/R組件以及接收射頻信號的功率合成和16路耦合監測信號的分配及合成，其中功率合成/分配器、耦合功分器均采用具有隔離功能的帶狀線結構；實現冷板溫度檢測；接收C波段雙T/R組件功率檢波信號，設置門限對其進行故障檢測；通過RS-485口上傳BIT信息和冷板溫度信息。

2 射頻網絡設計

射頻網絡采用帶狀線形式，集中在第5～7層(中間層)，其中第6層為射頻電路層，含1個由二功分器連接的2個八耦合功分器和2個一分8功分器，功分器均采用埋薄膜電阻[11]工藝實現隔離，工作頻段為5.0～5.8 GHz，平面電路如圖3所示。

圖3 射頻網絡平面電路

第5層和第7層為射頻地，射頻出口分別在第1層(TOP層)和第11層(BOTTOM層)，為方便和TR組件實現盲插對接，射頻網絡傳輸端口全部從第11層引出，總口從第1層引出，接口形式為SMP。為獲取更好的系統性能，功分器需要具有隔離功能，因為射頻網絡集成在多層板中間層，且上下均有數字電路走線，隔離電阻無法采用傳統的焊接工藝，采用埋薄膜電阻的方法解決多層電路電阻焊接的問題。

射頻功分電路的仿真電路圖如圖4所示。50 Ω射頻信號走線到對位接口處因為穿層到頂層或底層，介質板的厚度的改變以及線型的改變，出口線寬也進行了相應的調整；采用埋薄膜電阻的工藝實現100 Ω隔離電阻，露出的薄膜(Ohmege-Ply金屬薄膜電阻材料)電阻區域的尺寸為0.4 mm×0.8 mm；考慮電磁兼容性設計，頻信號線兩側打上金屬化盲孔將射頻信號盡量限定在射頻層。射頻信號對外接口示意圖如圖5所示，通過金屬化孔將射頻信號引導到頂層電路。

圖4 射頻功分網絡仿真電路

圖5 射頻信號對外接口示意

2.1 射頻網絡對外接口仿真設計

射頻網絡對外接口有八功分器的總口以及耦合功分器與天線單元的連接，八功分器的出口以及耦合功分器與TR組件連接處采用類似金手指的形式。

要實現射頻網絡在復雜饋電系統中的集成設計，金屬化過孔的作用顯著，通過金屬化孔實現信號在不同平面過渡傳輸；同時，金屬化盲孔可以將射頻信號限定在特定的傳輸區間，改善電磁兼容特性。通過高頻仿真軟件Ansoft HFSS仿真計算可以看出，多層微帶板電路的電性能不僅受制于平面電路部分，過孔設計的好壞對最終性能影響很大。這主要是因為用于各層之間過渡信號的金屬化孔在電性能上可等效于同軸傳輸線模型，在同軸線中，除了主模TEM波外，還可能出現TE或TM波模，這是由傳輸線的不連續性所引起的[12]。為了保證垂直直通孔中只傳輸TEM波，必須滿足

λmin>π(a+b)。

式中，λmin為最小工作波長；a和b分別為內、外導體半徑。雖然同軸線本身具有寬頻帶特性，但隨著頻率提高，整個多層微帶板電路性能要在特定的頻率范圍取得優異的性能，就必須對金屬化過孔進行仿真計算，優化設計，盡量消除阻抗不連續性的影響。

以5.0～5.8GHz多層射頻電路為例，對金屬化過孔建模仿真，如圖6所示。

(a) 斜視圖

(b) 俯視圖圖6 背饋SMP接頭仿真模型

圖6(a)為斜視圖，圖6(b)為俯視圖，垂直過孔半徑為r1，第11層隔離半徑為r2，除第11層外的各層地板上的隔離半徑為r3，在近似半徑為r0的圓周上分布9個屏蔽過孔，直徑為0.25 mm。垂直互聯設計與背饋SMP接頭設計相似。信號傳輸過孔半徑受上下傳輸線線寬的限制，取r1=0.45 mm，直徑0.25 mm的通孔分布的半徑r0作用類似同軸線外導體，r0取經驗值3倍傳輸線線寬2.5 mm。隔離半徑r2、r3對駐波的影響比較顯著，經優化得到r2=1.5 mm，r3=2 mm時，帶內駐波在1.15以下，最終仿真得到的駐波曲線如圖7所示。

圖7 對外接口駐波(VSWR)仿真結果

2.2 射頻網絡測試結果分析

根據圖3平面布局聯合激勵器控制電路一體化出圖加工一塊試驗板，對其中的射頻網絡的電氣性能進行測試，總口的駐波測試曲線如圖8所示，可以看到整個頻帶內的VSWR<1.3；各端口傳輸特性一致性測試曲線如圖9所示，可以看到各端口一致性較好，整個帶內起伏<0.4 dB。

圖8 總口駐波測試曲線

圖9 各端口傳輸特性一致性測試曲線

3 結束語

設計了一種適用于高集成小型化復雜饋電系統的射頻網絡，采用薄膜電阻實現隔離效果，各端口傳輸特性一致性好，最后實測結果驗證了設計的有效性。一體化的設計大大減少單機部套數量，實現射頻網絡綜合減重90%以上，該設計已應用于某星載電子偵察SAR系統中。

[1] 李迎林，高 鐵.現代雷達復雜饋線系統設計與分析[C]∥2014年全國軍事微波技術暨太赫茲技術學術會議論文集，2014：348-351.

[2] 張光義，趙玉潔.相控陣雷達技術[M].北京：電子工業出版社，2006.

[3] 吳禮群，孫再吉.T/R組件核心核心技術最新發展綜述[J].中國電子科學研究院學報，2012，7(1):29-33.

[4] 程 丹，王長武.一種星載雷達T/R組件與波控單元連接設計[J].電子機械工程，2015，31(1):32-35.

[5] 張繼浩，李麗嫻，孫 竹.平面相控陣天線和差分布饋電網絡設計[J].無線電工程，2015，45(1)：61-64.

[6] 林 鑫，胡俊毅，湯杭飛.一種雙波束掃描相控陣接收網絡設計[C]∥ 2014年全國軍事微波技術暨太赫茲技術學術會議論文集，2014：348-351.

[7] 蔣慶全.有源相控陣雷達技術發展趨勢[J].國防技術基礎，2005(4)：9-11.

[8] 楊維生．微波器件高頻多層板制造工藝研究[J]．印制電路信息，2015(3):174-183.

[9] 張文梁，丁春艷.多路寬帶帶狀線功分器分配器設計分析[J].無線電工程，2012,42(7)：59-61.

[10] 周冠杰，趙玉潔.星載雷達結果設計的特點[J].電子機械工程，2008,24(2)：35-40.

[11] 賴涵琦， 彭勤衛.PTFE埋電阻多層印制板制造技術[J].印制電路信息，2010(S1):225-231.

[12] 張運傳，李 佩，張德智.多層微帶功分網絡的設計[J].火控雷達技術，2009,38(2):63-67.

薛玲瓏 女，(1985—)，碩士，工程師。主要研究方向：相控陣天饋線的設計。

孫 竹 男，(1982—)，博士，高級工程師。主要研究方向：天線饋線的設計。

Design of RF Network for Complex Feeding System Application

XUE Ling-long,LIU Yu,WANG Hao,SUN Zhu,LIU Wei-ping

(ShanghaiAerospaceElectronicsandCommunicationEquipmentResearchInstitute,Shanghai201109,China)

An integrated RF network module is proposed for the modern active phased array to meet the multi-function and compact requirements.The RF network is integrated with the digital circuit to increase the system reliability and stability.The embedded membrane resistance is employed to realize the isolation in the RF network.The integrated RF network and PCB boards are fabricated.TheVSWR≤1.3 and ripple factor≤0.4 dB at port are measured over the required bandwidth,which agree well with the calculated results.

RF network;complex feeding system;integrative design

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.18

薛玲瓏,劉 宇,王 豪,等.應用于復雜饋電系統的射頻網絡設計[J].無線電工程,2017,47(5):75-78.[XUE Linglong,LIU Yu,WANG Hao,et al.Design of RF Network for Complex Feeding System Application[J].Radio Engineering,2017,47(5):75-78.]

2017-02-27

TN015

A

1003-3106(2017)05-0075-04