一種T/R組件的溫度自補償電路設計

張 哲 黃 進

(1. 西安電子工程研究所 西安 710100;2. 西安電子科技大學 西安 710071)

0 引言

隨著電子信息技術發(fā)展的日新月異,有源相控陣天線已廣泛應用于衛(wèi)星通信、導彈制導、電子對抗、氣象監(jiān)測等領域[1-3]。T/R組件作為有源相控陣天線的核心電路模塊,其電性能的穩(wěn)定是保障天線性能的前提。但是,組件在服役過程中存在熱電耦合效應。其產生的熱量會改變天線系統(tǒng)的溫度場,導致有源芯片的特性發(fā)生溫漂,最終使組件性能惡化,限制了天線性能的發(fā)揮。隨著有源相控陣繼續(xù)朝著高頻段、高集成度的方向發(fā)展,熱電耦合問題日益凸顯。

在關于天線電性能的溫度補償研究方面,目前的方法大致可分為兩類。一是采用風冷、微流道液冷等散熱結構方式[4],降低系統(tǒng)的工作溫升,減少熱電耦合效應;二是采用電補償?shù)姆绞絒5],通過實時監(jiān)測陣面溫度,根據(jù)補償算法,調整組件傳輸?shù)姆岛拖辔弧Ｓ捎谙嗫仃嚻毡椴捎脭?shù)字芯片來調整組件的幅值和相位,存在量化誤差,導致主動溫度補償精度受限。

針對有源相控陣的溫度補償問題,本文提出了一種T/R組件溫度自補償電路設計方法。利用介質板的熱介電常數(shù)系數(shù)的特性,實現(xiàn)組件傳輸相位的自動溫度補償,克服了數(shù)字芯片的量化誤差導致的主動溫度補償精度受限的缺陷。此外,研制了一種溫度自補償電路模塊,驗證了本文自補償方法的有效性。

1 溫度自補償電路方法

1.1 溫度自補償電路原理

根據(jù)電磁場理論,電磁波的相速度可表示為[6]

(1)

其中:ε、μ分別為介質的介電常數(shù)、磁導率;εr、μr分別為介質的相對介電常數(shù)、相對磁導率;c為光速。

由式(1)可以看出,當介質的介電常數(shù)增大時,電磁波傳輸速度減小,即傳輸速度滯后;介電常數(shù)減小時,電磁波傳輸速度增大,即傳輸速度超前。而不同的介質材料,在一定的溫度范圍內,其介電常數(shù)的相對平均變化率不一樣,即介電常數(shù)熱溫度系數(shù)不一樣,其定義為

(2)

其中:TKε為介電常數(shù)的相對變化率;t0為原始溫度,一般為室溫;t為改變后的溫度;ε0、εt分別為介質在t0、t時的介電常數(shù)。

根據(jù)工程經驗,一般來說,隨著溫度升高,T/R組件的傳輸相位會減小。而溫度自補償電路就是利用介質板的介電常數(shù)隨溫度變化的特性。當溫度升高時,不同的介質板,若其TKε為正,介電常數(shù)增大,傳輸相位會減小;若其TKε為負,則介電常數(shù)減小,傳輸相位會增大。

如圖1所示,假設溫度自補償電路與T/R組件一直保持在同一環(huán)境溫度下,當環(huán)境溫度變化ΔT時,T/R組件的傳輸相位變化ΔD1。將溫度自補償電路與T/R組件級聯(lián),若補償電路傳輸相位變化為式(3)所示。

圖1 溫度自補償原理示意圖

ΔD2=(-ΔD1)

(3)

則該T/R組件總的傳輸相位變化大約為

ΔD=ΔD1+ΔD2=0

(4)

從而實現(xiàn)組件電性能的自動溫度補償,保證相控陣天線在實際工況下的性能穩(wěn)定。

1.2 補償電路介質板介紹

不同介質板的介電常數(shù)隨溫度變化的規(guī)律并不相同,而TKε的大小將影響到電路傳輸線傳輸相位的溫漂特性。針對T/R組件的溫漂特性,應選用TKε為負值且絕對值較大的介質板。本文設計分析中,溫度自補償電路的介質板選用羅杰斯的RT/duroid 6010板材,如圖2所示。

圖2 羅杰斯RT/duroid 6010板材

羅杰斯RT/duroid 6010板材是一種陶瓷填充的聚四氟乙烯復合材料,是為需要高介電常數(shù)的電子電路和微波電路設計的,廣泛應用于衛(wèi)星通信、雷達預警等領域。常溫下,其εr為10.2,損耗角正切為0.0023。在-50℃～170℃范圍內,其介電常數(shù)熱溫度系數(shù)TKε為-425ppm/℃。按照式(2)計算,溫度每升高1℃,介電常數(shù)減小0.004。

1.3 電路傳輸結構對溫度補償效果的影響

電磁波在傳輸線中的傳輸速度取決于電路結構的傳輸特性。本節(jié)主要分析了傳輸線類型、傳輸線長度對介質板傳輸相位溫漂特性的影響。

1)傳輸線類型的影響

常見的傳輸線結構有微帶線、共面波導、接地共面波導、帶狀線等,如圖3所示。

圖3 傳輸線類型

以這四種傳輸線類型為分析對象,仿真模型中心頻率均為10GHz,傳輸線長度為λ,并設置RT/duroid 6010介質板的相對介電常數(shù)εr為參數(shù)化變量,通過改變介電常數(shù)εr,來模擬介質板溫度的變化。介電常數(shù)的變化范圍設置為[9.96,10.36],即介質板溫度變化范圍為-20℃～80℃。仿真結果如圖4所示。

圖4 不同溫度下傳輸線S參數(shù)變化

由上述分析結果可以看出,在介質板不同溫度下,帶狀線、微帶線對傳輸相位的影響較大,且近似于線性變化;而共面波導和接地共面波導對傳輸相位的影響相對較小,且為非線性變化。此外,不同溫度下,微帶線、帶狀線S11諧振頻率發(fā)生偏移,S21幅值幾乎無變化,但由于傳輸線工作帶寬較寬,在9～11GHz范圍內,其回波損耗均在-20dB以下,溫度對傳輸線的駐波比幾乎沒有影響。因此,微帶線、帶狀線適用于T/R組件傳輸相位的溫度自補償。

2)傳輸線長度的影響

以10GHz微帶線和帶狀線為分析對象,仿真分析了長度分別為λ/4、λ/2、λ、2λ的傳輸線對RT/duroid 6010介質板不同溫度下傳輸相位的影響。仿真結果如圖5所示。

圖5 不同長度傳輸線的仿真結果

在-20℃～80℃溫度變化范圍內,由圖5(a)可以看出,長度分別為λ/4、λ/2、λ、2λ的微帶線,其傳輸相位變化量依次為4.46°、10.16°、18.7°、37.1°;由圖5(b)可以看出,長度分別為λ/4、λ/2、λ、2λ的帶狀線,其傳輸相位變化量依次為5.6°、11.77°、23.3°、47.08°。在RT/duroid 6010介質板不同溫度下,微帶線、帶狀線的傳輸相位變化量隨著傳輸線線長的增大而增大,且近似為線性關系。其中,帶狀線的變化量要大于微帶線的變化量。在實際工程應用中,不同收發(fā)鏈路組成,其不同溫度下的傳輸相位變化特性并不一樣。根據(jù)上述電路傳輸結構對溫度補償效果影響的分析,可選擇合適的傳輸線及其長度,用來設計不同補償效果的溫度自補償電路,以適配不同鏈路的相位變化特性。

2 溫度自補償電路設計

2.1 設計方案

溫度補償電路模塊采用單獨設計的方式,它與T/R組件是相互獨立的模塊,如圖6所示為4個溫度補償電路模塊與四通道T/R組件的裝配示意圖,通過射頻接頭,將其與T/R組件、天線陣面裝配。自補償電路置于組件與天線之間,由于其插損,會引起發(fā)射輸出功率減小及接收噪聲系數(shù)變大。為了滿足對組件性能的指標要求,可以在考慮自補償電路插損影響的基礎上,選擇合適的發(fā)射末級功放、接收低噪放芯片。

圖6 溫度補償電路模塊與組件級聯(lián)示意圖

由第一節(jié)的分析可得,溫度自補償電路的補償原理是利用介質板介電常數(shù)在不同溫度下的變化,從而改變電路傳輸相位。因此,為了補償電路傳輸相位的溫漂,應調節(jié)溫度補償電路介質板的溫度。本文對補償電路模塊溫度的調節(jié)采用熱傳導的方式,利用T/R組件工作時自身散發(fā)的大量熱量,通過金屬射頻接頭、補償電路模塊金屬外殼的導熱作用,調節(jié)模塊內部補償電路介質板的溫度,改變補償電路的傳輸相位,從而補償T/R組件鏈路的性能溫漂。根據(jù)圖6所示的X波段天線陣面、T/R組件、射頻接頭結構、以及組件鏈路性能的溫漂特性,初步確定溫度補償電路模塊的結構尺寸為14mm×14mm×10mm,總傳輸線長度暫定為30mm,對應10GHz的一個波長。

2.2 仿真分析

溫度自補償電路的電磁仿真模型如圖7所示,其工作中心頻率為10GHz。

圖7 溫度自補償電路的電磁仿真模型

為了方便加工及測試,該補償電路的輸入、輸出采用同軸射頻接頭。此外,考慮到電路溫度補償?shù)男Ч鷤鬏斁€長度有關,因此,使用了垂直互聯(lián)的傳輸方式,并適當增加帶狀傳輸線的拐角,以延長傳輸線長度。不含射頻接頭,該電路板整體尺寸為7.5mm×10mm×1.089mm,電路板疊層結構及各層PCB材料如圖8所示,其中RO4450是用來作為粘結材料的。

圖8 電路疊層結構示意圖

設置RT/duroid 6010介質板的相對介電常數(shù)εr為參數(shù)化變量,其變化范圍設置為εr∈[9.96,10.36],即介質板溫度變化范圍為-20℃～80℃。不同溫度下,該溫度自補償電路的S參數(shù)仿真結果如圖9所示。

圖9 補償電路S21仿真結果

之后,將該溫度自補償電路不同溫度下的S參數(shù)數(shù)據(jù)導出為snp文件,與T/R組件發(fā)射通道中芯片的高低溫snp數(shù)據(jù)文件、通道中各節(jié)傳輸線snp數(shù)據(jù)文件進行級聯(lián)仿真,仿真模型如圖10所示;分析不同溫度下整個射頻鏈路傳輸相位的變化情況如圖11所示。

圖10 鏈路級聯(lián)仿真模型

圖11 補償前后鏈路S21相位高低溫仿真結果對比

由圖11可以看出,補償前,相對于20℃下的傳輸相位,T/R組件在-20℃～80℃范圍內,其傳輸相位變化了±10°左右;補償后,相對于20℃下的傳輸相位,T/R組件在-20℃～80℃范圍內,其傳輸相位變化了±2.5°左右,有效地對組件傳輸相位溫漂進行了補償。

3 實驗測試

3.1 溫度補償電路模塊性能測試

溫度補償電路模塊的加工實物如圖12(a)所示,其總體尺寸為14mm×14 mm×10mm。測試溫度補償電路模塊的S參數(shù)過程如圖12(b)所示,通過在電路模塊背面貼上電熱阻,調節(jié)模塊的溫度。不同溫度下電路模塊的S參數(shù)測試結果如圖13所示。

圖12 溫度補償電路模塊實物及測試

圖13 補償電路S21測試結果

由圖13可以看出,補償電路模塊電性能的測試結果與仿真結果相比,其變化趨勢基本吻合,但測試的S參數(shù)值相比仿真結果較差,推測原因主要是電路板加工和射頻接頭的安裝,以及電路焊接所帶來的誤差。

3.2 組件級聯(lián)后性能測試

如圖14所示,對組件與補償電路模塊級聯(lián)后的傳輸性能進行測試。補償前后,鏈路測試結果如圖15所示。

圖14 組件及溫度補償電路模塊的級聯(lián)測試

圖15 補償前后鏈路S21相位高低溫測試結果對比

由圖15可以看出,補償前,相對于20℃下的傳輸相位,T/R組件在20℃～60℃范圍內,其傳輸相位最大變化約9°左右;補償后,相對于20℃下的傳輸相位,T/R組件在20℃～60℃范圍內,其傳輸相位在3°以內變化,經過實驗測試可以發(fā)現(xiàn),通過級聯(lián)溫度補償電路模塊,T/R組件的饋電鏈路傳輸相位溫漂減小約67%,有效地對T/R組件性能溫漂進行了補償。

4 結束語

本文提出了一種收發(fā)組件的溫度自補償電路設計方法,對有源相控陣天線電性能進行自動溫度補償。基于該自補償方法, 研制了一種溫度自補償電路模塊,測試結果表明,自補償電路使組件的傳輸相位溫漂減小約67%,克服了數(shù)字芯片量化誤差導致的主動溫度補償精度受限的缺陷。