戈海清,劉永鋒,何建平

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

C波段延時組件幅度補償設計

戈海清,劉永鋒,何建平

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

延時組件在不同的延時態(tài)之間，其傳輸線的插入損耗相差很大。為此，提出一種在各基態(tài)中引入π型電阻衰減網(wǎng)絡，用于補償各延時態(tài)之間的插損差。對π型電阻衰減網(wǎng)絡進行了詳細的理論計算和建模仿真。分析了引入π型電阻衰減網(wǎng)絡后對延時組件的相位影響，以及π型電阻衰減網(wǎng)絡中電阻上的功率分布。給出了延時組件的實物布局圖和實際測量的接收增益數(shù)據(jù)。測試的數(shù)據(jù)顯示，通過幅度補償后其接收增益帶內(nèi)起伏小于±0.5 dB，同時也驗證了該幅度補償技術(shù)的準確性和可行性。

延時；衰減網(wǎng)絡；補償；相位；功率

0 引 言

相控陣雷達的瞬時帶寬較寬，具有抗干擾能力強、空間分辨力高、穿透性能好等許多獨特的優(yōu)點，因而在目標識別、遙感測距、合成孔徑雷達等眾多電子信息領域廣泛應用。大孔徑、寬帶相控陣天線，其掃描波束指向隨工作頻率變化會產(chǎn)生漂移，嚴重制約了相控陣雷達的瞬時工作帶寬，影響雷達的功能發(fā)揮。在相控陣天線陣元或子陣上采用延時放大組件是改善波束指向頻響的有效技術(shù)措施。[1]

延時放大組件從最小的延時態(tài)到最大的延時態(tài)，其插入損耗的變化會有幾個分貝。這種輸出功率電平的變化可能會超出延時放大組件激勵功率放大器的容差，或可能會導致在陣列口徑上產(chǎn)生不需要的幅度畸變。因此，必須對插入損耗的變化進行補償。

本文提出了一種延時組件的幅度補償設計技術(shù)，同時對幅度補償電路的幅度起伏、相位影響、耐功率容量進行了詳細分析，通過仿真和試驗測試對比驗證了補償技術(shù)的可行性和實用性。

1 原理分析

延時組件的每一位態(tài)都存在延時態(tài)和基準態(tài)。延時放大組件工作時，根據(jù)所需的延時補償利用開關在各延時態(tài)和基準態(tài)之間進行選擇。由于每位延時態(tài)和基準態(tài)所使用的傳輸線長度不同，造成在兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時其插入損耗必然不同，特別是在大延時位上其延時態(tài)和基準態(tài)之間的插入損耗可能相差幾個分貝。這就需要在基準態(tài)上增加衰減補償網(wǎng)絡，使延時態(tài)和基準態(tài)之間的插損基本一致。圖1所示為一個五位延時放大組件示意圖。

圖1 五位延時放大組件示意圖

衰減補償網(wǎng)絡的實現(xiàn)型式有多種多樣，如數(shù)控衰減補償、固定衰減器補償、電阻網(wǎng)絡衰減補償?shù)?，其中電阻網(wǎng)絡衰減補償最為實用，可調(diào)性強。根據(jù)需要增加衰減補償?shù)拇笮?，可以選擇不同的電阻衰減網(wǎng)絡形式。如圖1所示，在1λ、2λ的延時態(tài)中，因傳輸線引入的插入損耗較小，可以采用串聯(lián)電阻的補償方式，而在4λ、8λ延時態(tài)中則可以采用π型電阻衰減網(wǎng)絡的補償方式。圖2所示為電阻衰減網(wǎng)絡的電路圖。

圖2 電阻衰減網(wǎng)絡圖

[ABCD]參量反映了網(wǎng)絡的輸入輸出端口之間電壓和電流的關系，特別適合網(wǎng)絡的級聯(lián)。圖2中的電阻網(wǎng)絡可以用[ABCD]參量表示。

圖2(a)中串聯(lián)電阻的[ABCD]參量矩陣為

(1)

圖2(b)中并聯(lián)電阻的[ABCD]參量矩陣為

(2)

圖2(c)中π型網(wǎng)絡的[ABCD]參量矩陣為

(3)

散射參量[S]采用入射波和反射波的歸一化電壓表征網(wǎng)絡端口的相互關系，在射頻微波電路中更有利于分析、計算和直接測試。若網(wǎng)絡兩端口所接特性阻抗為Z0，則歸一化的[ABCD]參量矩陣和[S]散射參量的轉(zhuǎn)換關系為[2]

(4)

(5)

(6)

(7)

設衰減量為L，且在衰減網(wǎng)絡兩端口都匹配的條件下，則衰減量可表示為

L(dB)=20lg|S21|，10lg|S11|=-∞

(8)

聯(lián)立求解上述方程組后，可得到圖2(c)中π型電阻衰減網(wǎng)絡各電阻值與衰減量的關系式：

(9)

(10)

延時組件中延時線的電路基板采用RT6002覆銅板，其介電常數(shù)εr=2.94，介電損耗為0.0012。在中心頻率為5.4 GHz時，1λ傳輸線的插入損耗大概為0.2 dB，8λ傳輸線的插入損耗大概為1.3 dB。根據(jù)式(9)、(10)，可以計算出每個波長上電阻補償網(wǎng)絡中相應的電阻值，如表1所示。

表1

利用HFSS電磁仿真軟件可以對表1中計算出的電阻衰減網(wǎng)絡進行建模仿真。其仿真模型如圖3所示。

圖3 電阻衰減網(wǎng)絡模型

通過仿真計算分別得到了1λ、2λ、4λ、8λ延時態(tài)補償電阻衰減網(wǎng)絡的插入衰減值，如圖4所示。圖4中顯示的仿真結(jié)果與表1中理論計算的結(jié)果之間有微量的差值。這是因為理論計算時設定衰減網(wǎng)絡兩端口都理想匹配，而在建模仿真計算中電路中插入了電阻網(wǎng)絡，電阻網(wǎng)絡與微帶線的連接處不是理想的完全匹配，存在一定的反射損耗。

2 相位影響

延時組件對于延時相位誤差有很高的要求，每一個延時態(tài)和其基態(tài)之間有固定的延時相位差關系。這就決定了如果在基態(tài)中引入補償電阻網(wǎng)絡后，若其基態(tài)的插入相位發(fā)生變化，就需要在延時態(tài)中將其相位進行補償，以保證延時態(tài)和其基態(tài)兩者之間的相位差固定不變。

圖4 插入衰減值

電阻衰減網(wǎng)絡對相位的影響主要取決于衰減量和工作頻率。隨著衰減量的增加或者工作頻率的提高，電路中插入的相位也將線性地加大。利用仿真軟件，對各基態(tài)的插入衰減補償網(wǎng)絡進行了仿真，得到其對相位的影響，如圖5所示。從圖5中可以看出，在中心頻率為5.4 GHz、衰減量小于2 dB時，其對相位的影響在±1°的范圍內(nèi)。

圖5 插入相位差

3 功率分布

延時組件的每一位基態(tài)加入了電阻衰減網(wǎng)絡進行補償。由于電阻衰減網(wǎng)絡是對通過的功率進行衰減，衰減掉的功率必定耗散在組成衰減網(wǎng)絡的電阻上，所以每個電阻能夠承受的功率就必須進行考慮。利用ADS軟件可以建立電路模型對電阻衰減網(wǎng)絡上的功率分布進行仿真計算，其仿真模型如圖6所示。

圖6 衰減網(wǎng)絡仿真模型

延時組件的發(fā)射激勵功率為10 dBm，8λ延時態(tài)對應的基態(tài)需引入衰減1.3 dB。從圖7的仿真結(jié)果可以看出，衰減的功率全部耗散在R2上，其耗散的功率為3 mW 。通過仿真也可以得知，衰減量在10 dB以下時其衰減的功率主要耗散在串聯(lián)電阻上，而衰減量大于10 dB時其衰減的功率主要耗散在并聯(lián)電阻上。

圖7 電阻上耗散的功率

4 組件設計驗證與測試

利用上述的計算分析，設計制作了一個C波段的五位延時組件，對其各延時基態(tài)進行幅度補償，補償?shù)难訒r組件實物如圖8所示。由于理論計算出來各衰減量的電阻值非常用標準阻值，所以各延時態(tài)電阻衰減網(wǎng)絡的阻值選擇，以分析計算結(jié)果為基礎就近選擇標準阻值的電阻。

圖8 補償網(wǎng)絡實物圖

圖9 接收增益圖

通過對延時組件各延時態(tài)的接收增益進行測試，得到的測試結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，在工作帶寬范圍內(nèi)其增益起伏為±0.5 dB。

5 結(jié)束語

本文分析了一種延時組件的幅度補償技術(shù)，利用其分析計算結(jié)果設計制作了一種C波段五位延時組件。通過對延時組件的電性能測試數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進行對比，驗證了補償技術(shù)的準確性和可行性。此幅度補償技術(shù)已應用于某星載產(chǎn)品的延時放大組件。

[1] 束咸榮,何炳發(fā),高鐵.相控陣雷達天線[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.7.

[2] Reinhold Ludwig,Pavel Bretchko.射頻電路設計-理論與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.5.

[3] 張光義,趙玉潔.相控陣雷達技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2006.8.

[4] 張藝耀,馮長江.射頻衰減器的數(shù)值計算及仿真[J]. 電子設計工程,2016(9).

[5] 李樹良,王緒存,王琦.C波段小型化高精度驅(qū)動延時組件的研制[J].微波學報,2016(8).

[6] 黃玉蘭.射頻電路理論與設計[M].北京：人民郵電出版社,2008.10.

Amplitude compensation design of a C-band time delay module

GE Hai-qing, LIU Yong-feng, HE Jian-ping

(No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088 )

The insertion loss of the transmission line is quite different for the time delay module in different time delay states. In order to compensate the insertion loss difference, a kind of π-type resistance attenuation network is proposed in the ground states. The detailed theoretical calculation and modeling simulation of the π-type resistance attenuation network have been carried out. The effect of the π-type resistance attenuation network on the phase of the time delay module has been analyzed. And the power distribution of the π-type resistance attenuation network has been discussed. The layout of the π-type resistance attenuation network in the time delay module and the measured receive gain data are provided. The tested data show that the receive gain fluctuation in band is less than ±0.5 dB after the amplitude compensation by using the π-type resistance attenuation network. The accuracy and feasibility of the amplitude compensation technique are also verified.

time delay; attenuation network; compensation; phase; power

TN812

A

1009-0401(2017)04-0015-04

2017-09-27；

2017-10-29

戈海清(1977-)，男，工程師，研究方向：微波天饋系統(tǒng)；劉永鋒(1971-)，男，高級工程師，研究方向：微系統(tǒng)；何建平(1984-)，男，高級工程師，研究方向：微波天饋系統(tǒng)。