薛玲瓏，劉 宇，王 豪，孫 竹，劉衛(wèi)平

(上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109)

應(yīng)用于復(fù)雜饋電系統(tǒng)的射頻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

薛玲瓏，劉 宇，王 豪，孫 竹，劉衛(wèi)平

(上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109)

針對現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)多功能、高集成、小型化發(fā)展的需求，設(shè)計了一種應(yīng)用于有源相控陣天線復(fù)雜饋線系統(tǒng)的射頻網(wǎng)絡(luò)。射頻網(wǎng)絡(luò)采用埋薄膜電阻實現(xiàn)隔離功能，與數(shù)字電路的一體化設(shè)計，提高系統(tǒng)的集成度、穩(wěn)定性和可靠性。通過高頻仿真軟件Ansoft HFSS對射頻網(wǎng)絡(luò)建模仿真，射頻網(wǎng)絡(luò)電路與激勵器控制電路一體化加工。測試結(jié)果表明，射頻網(wǎng)絡(luò)在5.0～5.8 GHz工作頻帶內(nèi)良好匹配，VSWR≤1.3，帶內(nèi)傳輸特性一致性較好，端口起伏≤0.4 dB，與仿真結(jié)果對比很吻合。

射頻網(wǎng)絡(luò)；復(fù)雜饋線系統(tǒng)；集成設(shè)計

0 引言

復(fù)雜饋電系統(tǒng)[1]是指有源相控陣?yán)走_(dá)[2]陣面中天線單元、T/R組件[3]、波控單元[4]、電源系統(tǒng)等模塊之間傳輸、分配和合成多種信號(射頻信號、波控數(shù)字信號、電源信號和光信號等)的網(wǎng)絡(luò)總稱，其基本結(jié)構(gòu)由射頻饋電網(wǎng)絡(luò)和激勵器控制電路等組成。在一般的饋電系統(tǒng)[5]中，各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上自成一體，各自分立，電纜、連接器等互聯(lián)器件多，整個信號傳輸鏈路接口關(guān)系繁雜，傳統(tǒng)的帶狀線功分器[6]安裝時需要單獨設(shè)計盒體，留出對外的射頻接口，在大型相控陣系統(tǒng)[7]中一般需要多級功分網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)，盒體數(shù)量驚人，這種饋電系統(tǒng)占據(jù)了有源相控陣天線系統(tǒng)較大的體積和重量。

近年來，有源相控陣天線發(fā)展迅速，越來越多地應(yīng)用到機載SAR、星載SAR系統(tǒng)中，機載、星載系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)空間、重量的要求要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地面雷達(dá)系統(tǒng)，對系統(tǒng)的集成度提出了越來越高的要求，使得復(fù)雜饋電系統(tǒng)的研制成為必然。隨著復(fù)雜信號綜合電路設(shè)計技術(shù)和多層印制板制造技術(shù)[8]等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜饋電系統(tǒng)由研制轉(zhuǎn)為實用成為可能，其將射頻電路、數(shù)字電路和電源控制等多種信號一體化集成設(shè)計，簡化了系統(tǒng)間互聯(lián)，節(jié)省了裝配空間，結(jié)構(gòu)緊湊，具有高集成、小型化的顯著優(yōu)點。通過在饋電電路部分采用多層微帶板電路來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單層微帶板電路可以有效提高雷達(dá)系統(tǒng)的集成度、穩(wěn)定性和可靠性。

本文設(shè)計了一種應(yīng)用于星載電子偵察SAR復(fù)雜饋線系統(tǒng)的射頻網(wǎng)絡(luò)，其中射頻網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)的帶狀線功分器安裝時需要單獨設(shè)計盒體，留出對外的射頻接口，在大型相控陣系統(tǒng)中一般需要多級功分網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)，盒體數(shù)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(tǒng)射頻網(wǎng)絡(luò)相比，集成度高，性能穩(wěn)定，可靠性高，單機部套數(shù)量大大減小，射頻網(wǎng)絡(luò)部分可實現(xiàn)重量減少90%，更適合用于星載系統(tǒng)[10]。

1 復(fù)雜饋電系統(tǒng)設(shè)計

復(fù)雜饋線系統(tǒng)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(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)射頻信號傳輸及功率合成、分配。復(fù)雜饋線系統(tǒng)的信息流圖如圖1所示。

圖1 復(fù)雜饋線系統(tǒng)電路板信息流

該饋電系統(tǒng)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(fù)雜饋電系統(tǒng)疊層圖如圖2所示。

圖2 復(fù)雜饋電系統(tǒng)疊層

復(fù)雜饋線系統(tǒng)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(fā)送的組件地址碼，接收中心計算機發(fā)送波控數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)格式后，發(fā)送給對應(yīng)C波段雙T/R組件實現(xiàn)C波段雙T/R組件接收通道和發(fā)射通道開關(guān)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(fā)射選通信號，按照該信號要求控制組件接收與發(fā)射支路切換；接收中心計算機功放電源的控制信號，轉(zhuǎn)發(fā)給激勵器電源板，實現(xiàn)對功放+9 V電源的開關(guān)控制；接收中心計算機送來的起步走信號，實現(xiàn)C波段雙T/R組件波控碼的同時更新；射頻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)發(fā)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(jiān)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(jié)構(gòu)；實現(xiàn)冷板溫度檢測；接收C波段雙T/R組件功率檢波信號，設(shè)置門限對其進(jìn)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(wǎng)絡(luò)設(shè)計

射頻網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)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(wǎng)絡(luò)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(xiàn)盲插對接，射頻網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)性能，功分器需要具有隔離功能，因為射頻網(wǎng)絡(luò)集成在多層板中間層，且上下均有數(shù)字電路走線，隔離電阻無法采用傳統(tǒng)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(zhì)板的厚度的改變以及線型的改變，出口線寬也進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整；采用埋薄膜電阻的工藝實現(xiàn)100 Ω隔離電阻，露出的薄膜(Ohmege-Ply金屬薄膜電阻材料)電阻區(qū)域的尺寸為0.4 mm×0.8 mm；考慮電磁兼容性設(shè)計，頻信號線兩側(cè)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(dǎo)到頂層電路。

圖4 射頻功分網(wǎng)絡(luò)仿真電路

圖5 射頻信號對外接口示意

2.1 射頻網(wǎng)絡(luò)對外接口仿真設(shè)計

射頻網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)射頻網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜饋電系統(tǒng)中的集成設(shè)計，金屬化過孔的作用顯著，通過金屬化孔實現(xiàn)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(qū)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(shè)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(xiàn)TE或TM波模，這是由傳輸線的不連續(xù)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(nèi)、外導(dǎo)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(yōu)異的性能，就必須對金屬化過孔進(jìn)行仿真計算，優(yōu)化設(shè)計，盡量消除阻抗不連續(xù)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(lián)設(shè)計與背饋SMP接頭設(shè)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(dǎo)體，r0取經(jīng)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(jīng)優(yōu)化得到r2=1.5 mm，r3=2 mm時，帶內(nèi)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(jié)果

2.2 射頻網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果分析

根據(jù)圖3平面布局聯(lián)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(wǎng)絡(luò)的電氣性能進(jìn)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(nèi)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(nèi)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(jié)束語

設(shè)計了一種適用于高集成小型化復(fù)雜饋電系統(tǒng)的射頻網(wǎng)絡(luò)，采用薄膜電阻實現(xiàn)隔離效果，各端口傳輸特性一致性好，最后實測結(jié)果驗證了設(shè)計的有效性。一體化的設(shè)計大大減少單機部套數(shù)量，實現(xiàn)射頻網(wǎng)絡(luò)綜合減重90%以上，該設(shè)計已應(yīng)用于某星載電子偵察SAR系統(tǒng)中。

[1] 李迎林，高 鐵.現(xiàn)代雷達(dá)復(fù)雜饋線系統(tǒng)設(shè)計與分析[C]∥2014年全國軍事微波技術(shù)暨太赫茲技術(shù)學(xué)術(shù)會議論文集，2014：348-351.

[2] 張光義，趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

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

[4] 程 丹，王長武.一種星載雷達(dá)T/R組件與波控單元連接設(shè)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(wǎng)絡(luò)設(shè)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(wǎng)絡(luò)設(shè)計[C]∥ 2014年全國軍事微波技術(shù)暨太赫茲技術(shù)學(xué)術(shù)會議論文集，2014：348-351.

[7] 蔣慶全.有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)發(fā)展趨勢[J].國防技術(shù)基礎(chǔ)，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(shè)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(dá)結(jié)果設(shè)計的特點[J].電子機械工程，2008,24(2)：35-40.

[11] 賴涵琦， 彭勤衛(wèi).PTFE埋電阻多層印制板制造技術(shù)[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(wǎng)絡(luò)的設(shè)計[J].火控雷達(dá)技術(shù)，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(shè)計。

孫 竹 男，(1982—)，博士，高級工程師。主要研究方向：天線饋線的設(shè)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(yīng)用于復(fù)雜饋電系統(tǒng)的射頻網(wǎng)絡(luò)設(shè)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