彭珍妮,顧海光

(1.南京航空航天大學(xué)無人機(jī)院,江蘇南京210016;2.南京熊貓愛立信通信有限公司,江蘇南京211100)

0 引言

寬帶相控陣天線中,天線掃描波束指向因孔徑效應(yīng)會隨工作頻率的變化發(fā)生漂移。為了改善天線的頻率響應(yīng),需對指向漂移進(jìn)行校正。目前,通常采用在天線鏈路中接入可調(diào)實時延時線的方法校正上述掃描波束指向偏移問題。

各種傳輸線結(jié)構(gòu)的延時線,通過傳播電磁波而延時電磁波,從而可以直接用來作為延時線應(yīng)用。這類傳輸線具有工作帶寬寬、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。目前工程上應(yīng)用較多的有電纜延時線,雖然延時帶寬寬、損耗低,但有體積大、重量重的缺點,對于一些對器件重量要求苛刻的環(huán)境,很難適用[1]。

1 蛇形延時線設(shè)計

隨著仿真研究和工藝生產(chǎn)的進(jìn)步,左手延時線和蛇形線理論不斷發(fā)展,具有了一定的工程實用價值[2]。在X頻段應(yīng)用這兩種傳輸線進(jìn)行延時器設(shè)計,傳輸線的線間耦合非常敏感,稍有變化就會影響最終的結(jié)果。在陶瓷板上進(jìn)行薄膜工藝加工能夠獲得很高的精度,可廣泛應(yīng)用于對加工精度要求極高的場合。文中所涉及的延時線尺寸精細(xì),載板為0.25 mm厚氧化鋁陶瓷基板,加工要求高。利用左手材料制作的延時線可以在重量和尺寸上得到改善,如圖1所示。左手傳輸線具有陡峭的相位隨頻率變化曲線,因此左手傳輸線在大時延設(shè)計時可以用很小的尺寸完成。圖2所示的5位左手延時器尺寸只有34 mm×12 mm。

圖1 1位100 ps左手延時器

圖2 5位左手延時器板圖

但是左手延時線模型參數(shù)提取復(fù)雜,寄生電阻寄生電容隨頻率變化明顯,使得左手延時線帶寬比較窄[3]。

利用蛇形線(如圖3)理論也可以大幅度降低傳輸線型延時器的尺寸[4]。

圖3 1位100 ps蛇形延時器

對于蛇形線性能有關(guān)鍵影響的是其縱向的長度和橫向的線間距,關(guān)鍵是微帶線間隙和直角彎頭部位的匹配,基于等效電路的分析和仿真來優(yōu)化設(shè)計[5-6],可以最大程度上縮小蛇形線的尺寸。圖4是200 ps蛇形延時線的線間距為0.1 mm時的仿真結(jié)果,圖5是線間距為0.24 mm的仿真結(jié)果。通常認(rèn)為,降低耦合影響的方式是增加線間距,但是間距太寬會大大增加延時線的尺寸,找到一個合適的間距非常重要,在這里0.1 mm間距的結(jié)果要明顯優(yōu)于0.24 mm間距。可見,只要設(shè)計合理,完全可以在減小蛇形線尺寸的同時,保證射頻性能和寬頻段內(nèi)的延時平坦度。

圖4 蛇形線間隙0.1 mm時射頻性能指標(biāo)

圖5 蛇形線間隙0.24 mm時射頻性能指標(biāo)

圖6是1600 ps蛇形延時線,由測試結(jié)果可知在9～10 GHz,延時平坦度在100 ps內(nèi),損耗小于6 dB,駐波小于2。

對延時線而言,延時越長越難設(shè)計。長度越長,折彎越多,對其駐波和損耗的影響越明顯,隨著頻率的提高,甚至?xí)霈F(xiàn)低通濾波器的效果,造成射頻信號全反射、無法傳輸。而通過減少轉(zhuǎn)角和增大間隙雖然降低了微帶線的不均勻性,減小了線間耦合改善了損耗和駐波,但是延時線的尺寸明顯增大,這種優(yōu)化方法不可取。

圖6 1600 ps蛇形延時線及其測試結(jié)果

延時線的端口阻抗為50Ω時達(dá)到匹配狀態(tài),這時駐波最小,損耗最低。但是因為線間耦合的影響,改變了端口的等效阻抗,這時理論上的50Ω微帶線的線寬反而不能滿足要求,需要通過阻抗變換達(dá)到端口的阻抗匹配。

2 蛇形延時線的優(yōu)化

圖6中的延時線在10.5 GHz以后出現(xiàn)了嚴(yán)重的諧振。而對將其工作帶寬擴(kuò)展到8～12 GHz的新需求,需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計[5]。

(1)考慮延時線與開關(guān)的射頻輸出、輸入的位置,重點對蛇形線的波端口進(jìn)行優(yōu)化,如圖7所示。特別是對波端口寬度的優(yōu)化,改善了阻抗匹配,效果明顯。

圖7 波端口優(yōu)化示意、比較圖

(2)擬采用幾個小延時段串聯(lián)成大延時段的方法,利用4段400 ps蛇形延時線串聯(lián)成一段1 600 ps延時段,如圖8所示,略微擴(kuò)大板圖尺寸,有效地拓展了工作帶寬,避免了強(qiáng)諧振。

1600 ps蛇形延時線印制板圖和實測結(jié)果如圖8所示?？梢?優(yōu)化過的蛇形線10 GHz以內(nèi)損耗小于5.5 d B,駐波小于1.2,有明顯改善,并有效解決了10.5 GHz以后的諧振問題。

圖8 優(yōu)化后1600 ps蛇形線印制板圖和測試結(jié)果

采用上述優(yōu)化方法改善過的5位延時線板圖如圖9所示,經(jīng)過布局,其尺寸為21 mm×19 mm,同樣具有尺寸小的優(yōu)勢。8～12 GHz的延時范圍在2 600～3 600 ps,對于邊帶延時精度要求高的場合,可通過小延時位對大延時位進(jìn)行補(bǔ)償來滿足實際工程需要[2]。

3 結(jié)束語

實際工程應(yīng)用中對于延時線的工作帶寬的要求隨著寬帶雷達(dá)和超寬帶雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展也越來越寬。本文提出的蛇形線延時器具有良好的寬帶特性,在波束指向偏移的校正中通過高位加低位延時器的組合應(yīng)用,可適用于8～12 GHz的寬帶應(yīng)用。

圖9 5位蛇形延時線板圖

[1]CHEN Lijun,ZHU Qi,HAN Lu,et al.Design of a 5-Bit Time Delay Module with Left-Handed and Right-Handed Transmission Line[J].Microwave and Optical Technology Letters,2007,49(6)：1256-1259.

[2]韋春海,金謀平,何誠.寬帶相控陣天線延遲線分析[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2012,10(6)：668-670.

[3]WANG Wanqiu,ZHAO Yongjun,LIU Chengcheng,et al.A Novel Probability-Constrained Approach to Robust Wideband Beamforming with Sensor Delay Lines[C]∥IET International Radar Conference,[S.l.]：[s.n.],2013：1-5.

[4]SUDO T,KUDO J,KO Y.Experimental Characterization and Numerical Modeling Approach of Meander Delay Lines[C]∥IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility,[S.l.]：[s.n.],2002：711-715.

[5]LAN X,KINTIS M,HANSEN C.A Simple DC to 110 GHz MMIC True Time Delay Line[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2012,22(7)：369-371.

[6]PARK S,JEON S.A 15-40 GHz CMOS True-Time Delay Circuit for UWB Multi-Antenna Systems[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2013,23(3)：149-151.