一種Ku波段綜合饋電多功能板的研制

花婷婷， 詹珍賢， 許唐紅， 李化雷

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引 言

隨著微波技術的發(fā)展和戰(zhàn)術市場需求的提高，基于片式架構的更高集成度、更低剖面的有源相控陣天線技術是解決雷達導引頭高集成、輕小型化的有效途徑[]。片式有源相控陣天線在橫向尺寸嚴格受限的情況下，基于多層微波數(shù)字復合基板層疊互聯(lián)技術，將天線輻射面、散熱板、片式收發(fā)組件(T/R Module，簡稱T/R組件)和綜合饋電多功能板等垂直于陣面方向進行壓縮排布，利用彈性互連、金屬化過孔等代替了大量的連接電纜和線束，因而其集成度更高、體積更小、天線剖面更低、重量更輕、互聯(lián)損耗更小、可靠性更高[]。

本文研制的Ku波段綜合饋電多功能板是片式有源天線的核心部件之一，位于片式T/R組件后端，負責多個片式T/R組件功率的分配與合成，同時具備為各T/R組件提供電源及控制鏈路的功能。文中對多功能板的功能組成、材料疊層進行了說明，重點介紹了基于帶狀線的威爾金森功分圓環(huán)形射頻收發(fā)網(wǎng)絡的設計，收發(fā)網(wǎng)絡分口、總口微波垂直互聯(lián)電路的設計，最后加工了驗證樣件，并設計專用測試工裝對多功能板的射頻性能進行了測試。實測結(jié)果表明，研制的Ku波段綜合饋電多功能板符合相應的技術指標要求，確保了有源相控陣雷達天線片式集成的可行性。

1 方案設計

Ku波段綜合饋電多功能板主要實現(xiàn)以下功能：)射頻收發(fā)網(wǎng)絡功能，發(fā)射時將射頻總口的激勵信號分配給個片式T/R組件，接收時將個片式T/R組件的射頻信號合成為一個全陣總口；)電源分配網(wǎng)絡功能，將電源總口的各種工作電源分配給個片式T/R組件和陣面波控；)陣面波控及波控分配網(wǎng)絡功能，將上級波控發(fā)來的波束控制指令、碼值、時序解析后分發(fā)給個片式T/R組件。多功能板外形如圖所示，分為正反兩面布局，正面為射頻面，設置射頻和低頻焊盤接口，通過毛紐扣、彈性連接器實現(xiàn)與片式T/R組件的對接；背面為波控及電源面，主要包括收發(fā)網(wǎng)絡總口SMP連接器、控制信號連接器、電源信號連接器、波控復雜可編程邏輯器件 (Complex Programmable Logic Device，簡稱CPLD)、接口驅(qū)動電路及相應的阻容電感等器件。

(a) 多功能板正面

(b) 多功能板背面圖1 多功能板外形圖

多功能板由層內(nèi)埋電阻式微波數(shù)字基板層壓而成，其中上半部分為射頻收發(fā)網(wǎng)絡部分，微帶板材選用Arlon公司的CLTEXT芯板及型半固化粘接片。多功能板下半部分為電源分配及波束控制網(wǎng)絡部分，選用FR板材。射頻收發(fā)網(wǎng)絡、電源分配網(wǎng)絡和波控分配網(wǎng)絡分別置于不同的疊層，各功能層通過板內(nèi)走線及金屬化過孔進行信號互聯(lián)。不同信號網(wǎng)絡各自獨立不交叉，且設置獨立的接地層保證信號完整性[]。

2 關鍵電路設計

2.1 收發(fā)網(wǎng)絡設計

射頻收發(fā)網(wǎng)絡采用四級一分二網(wǎng)絡級聯(lián)的形式構成一分十六網(wǎng)絡，選用標準TEM波的帶狀線傳輸類型，信號損耗相對于微帶線小且抗干擾能力強[]。

根據(jù)經(jīng)典設計方法，一分二網(wǎng)絡采用單節(jié)威爾金森功分圓環(huán)形實現(xiàn)，結(jié)合選用的介質(zhì)基板參數(shù)及工作頻段，計算出特性阻抗Ω的微帶線寬度、帶狀線寬度和四分之一波長線在.Ω的傳輸線寬度，功分網(wǎng)絡中的隔離電阻采用CLTEXT板材，隔離電阻Ω。對一分二功分器各關鍵參數(shù)設置變量并賦予初始值，并重點優(yōu)化圓環(huán)的線寬長度等參數(shù)，優(yōu)化后的功分器模型如圖所示，仿真優(yōu)化結(jié)果如圖、圖所示，總口駐波、分口駐波.，兩分口隔離度≥.dB，包含功分比在內(nèi)的插損≤.dB，仿真結(jié)果滿足使用要求。

圖2 一分二威爾金森帶狀線功分器仿真模型

圖3 端口駐波仿真結(jié)果

圖4 插損和隔離度仿真結(jié)果

2.2 射頻分口設計

由于片式T/R組件與多功能板射頻接口為垂直型毛紐扣結(jié)構，在設計中需將收發(fā)網(wǎng)絡帶狀線轉(zhuǎn)成微帶線后開槽安裝毛紐扣。對毛紐扣結(jié)構以及帶狀線轉(zhuǎn)微帶圖形進行仿真優(yōu)化，其中毛紐扣結(jié)構的內(nèi)導體、介質(zhì)套、外導體、空氣腔、接地等需精確建模[]，模型如圖所示。仿真結(jié)果如圖所示，端口駐波≤.，插損≤.dB。

圖5 毛紐扣-微帶轉(zhuǎn)帶狀線過渡仿真模型

圖6 毛紐扣-微帶轉(zhuǎn)帶狀線過渡仿真結(jié)果

2.3 射頻總口設計

射頻收發(fā)網(wǎng)絡位于多功能板中間層，且工作頻率高，考慮帶狀線和微帶之間的過渡補償問題，射頻總口連接器選用表貼SMP。由于多功能板下方是FR低頻板，所以在設計中收發(fā)網(wǎng)絡總口需將帶狀線通過金屬化過孔轉(zhuǎn)成微帶線后開槽焊接SMP連接器，對SMP模型以及帶狀線轉(zhuǎn)微帶線圖形進行仿真建模，模型如圖所示。仿真結(jié)果如圖所示，端口駐波≤.，兩端口之間的插損≤.dB，滿足使用要求，可以按這個模型設計總口微帶匹配圖形及帶狀線轉(zhuǎn)微帶線過渡圖形。

圖7 SMP-微帶轉(zhuǎn)帶狀線仿真模型

圖8 SMP-微帶轉(zhuǎn)帶狀線仿真結(jié)果

2.4 電源及波控網(wǎng)絡設計

多功能板電源分配網(wǎng)絡主要是為了滿足多功能板各有源模塊的用電需求，實現(xiàn)將外部電源進行隔離變換，為T/R組件及波控器件等各用電器件提供所需電壓的功能。波控網(wǎng)絡主要功能是解析上位機發(fā)來的控制指令，將上位機發(fā)來的波束控制碼值、時序轉(zhuǎn)發(fā)給各T/R組件，并按指令預先存儲后續(xù)波位的碼值。

電源及波控器件位于多功能板背面，布局時將電源與控制連接器分別置于多功能板兩側(cè)，小信號的波控器件盡量遠離電源連接器，以防對小信號有影響。疊層設計上使用了張FR芯板，不同信號層通過電源層和地層進行隔離，來減少電磁干擾的影響。

3 測試結(jié)果與分析

多功能板集成三大功能，電源分配網(wǎng)絡需要驗證通斷情況，波束控制網(wǎng)絡性能在有源天線級驗證，射頻收發(fā)網(wǎng)絡性能指標驗證需要借助專用測試工裝進行。射頻浮動集成模塊是專為圖所示待測多功能板設計的射頻性能測試工裝，提供路毛紐扣轉(zhuǎn)同軸連接器方案，通過毛紐扣與多功能板正面焊盤的可靠接觸，將多功能板路射頻分口焊盤轉(zhuǎn)為同軸連接器界面，方便可測。測試儀表為矢量網(wǎng)絡分析儀，測試時空余端口全部接Ω匹配負載。測試現(xiàn)場照片如圖所示。

圖9 測試現(xiàn)場照片

(a) 相位

(b) 幅度

(c) 分口駐波

(d) 總口駐波圖10 典型通道測試結(jié)果

圖為多功能板典型通道的射頻性能測試結(jié)果。～GHz工作頻帶內(nèi)，收發(fā)網(wǎng)絡總口駐波.，分口駐波.，含一分十六功分比在內(nèi)的插入損耗dB，相鄰分端口的隔離度dB，且不同分口至總口的幅度一致性≤.dB，相位一致性≤.°。與仿真結(jié)果相比，實物測試結(jié)果稍有惡化。惡化原因包括毛紐扣轉(zhuǎn)同軸連接器測試工裝壓接力度和接地的影響、射頻總口SMP連接器焊接工藝的偏差以及多級級聯(lián)傳輸線不連續(xù)的影響，但影響均在可接受范圍內(nèi)，滿足設計要求。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種用于片式有源相控陣天線的Ku波段綜合饋電多功能板的研制。對基于威爾金森功分器設計的收發(fā)網(wǎng)絡，射頻分口毛紐扣垂直互聯(lián)結(jié)構、射頻總口SMP垂直互聯(lián)結(jié)構的設計進行了詳細闡述，最后利用專用測試工裝對Ku波段綜合饋電多功能板的射頻性能進行了測試。實測結(jié)果表明研制的Ku波段一分十六網(wǎng)絡具有較好的駐波、插損、隔離度、一致性等性能指標，保證了某低剖面彈載多功能有源天線樣機的實現(xiàn)。