李鵬程

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

0 引言

功分網(wǎng)絡(luò)是相控陣天線中的重要組成部件，近年來，Wilkinson功分器由于具備其輸出各端口之間可以在保證匹配前提下同樣具備高隔離度的顯著優(yōu)勢而用途廣泛[1-3]，隨著毫米波瓦式相控陣天線小型化、易集成的要求提出，低剖面、低損耗且高集成度的Wilkinson功分網(wǎng)絡(luò)等逐漸成為國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者的研究熱點(diǎn)[4-5]。

傳統(tǒng)的Wilkinson功分網(wǎng)絡(luò)由于集總元件電阻的引入[6-8]，其結(jié)構(gòu)必須在高度上為電阻元件的焊接預(yù)留充足的空間，故而往往難以實(shí)現(xiàn)低剖面且易于集成的要求。雖然利用LTCC工藝方式可實(shí)現(xiàn)集總元件的埋置，但是材料燒結(jié)后有15%的收縮率，無法適用于對加工精度要求較高的毫米頻段[8]；此外，基于薄膜電路工藝的Wilkinson功分器雖可適應(yīng)加工精度的要求，但是其功率容量偏低，也無法適用于相控陣天線[9-10]。

本文旨在設(shè)計(jì)一款基于平面埋阻工藝的1分16路，可工作于K頻段的Wilkinson功分網(wǎng)絡(luò)，要求幅相均方根誤差分別控制在0.5 dB和5°以內(nèi)，插入損耗(含網(wǎng)絡(luò)分配損耗)優(yōu)于15 dB；該網(wǎng)絡(luò)與其他模塊的連接方式采用射頻垂直互聯(lián)。此外，為便于此類功分網(wǎng)絡(luò)測試，還設(shè)計(jì)了一款集成了毛紐扣同軸射頻連接器的測試工裝。通過彈性壓接及精準(zhǔn)裝配定位的方式，功分網(wǎng)絡(luò)的射頻接口與毛紐扣射頻可實(shí)現(xiàn)垂直互聯(lián)[11-12]。經(jīng)過測試，驗(yàn)證了該方案的工程可實(shí)現(xiàn)性。

1 埋阻Wilkinson功分器單元仿真

目前，埋入式電阻板較為成熟的方案是蝕刻金屬薄膜電阻技術(shù)，該技術(shù)采用的材料為Ohmega公司生產(chǎn)的鎳磷(Ni-P，即Ohmega-Ply)薄層電阻材料；此材料的厚度大多控制在0.1～0.4 μm之間，且該材料有銅層保護(hù)，蝕刻技術(shù)的目的就是通過化學(xué)方法腐蝕銅層，故而該電阻材料也可與其他介質(zhì)材料和銅箔通過熱壓接技術(shù)形成埋阻雙面覆銅印制板[11]。

理論上，不論使用何種材料，電阻值大小均可由如下經(jīng)典公式推算出：

(1)

式中，R表示材料電阻值；ρ表示材料的電阻率；L表示材料在電流方向上的長度；S表示材料在電流方向上的橫截面積。由公式(1)可知，當(dāng)電阻材料厚度固定后，電阻值只與使用材料的長度和寬度相關(guān)，故而，該公式可變換為：

(2)

式中，L不變；R′表示方阻率；W表示材料垂直電流方向的長度。本設(shè)計(jì)中采用R′為100 Ω的Ohemga-Ply材料，通過調(diào)整L與W的比值即可控制阻值大小[12，16]。

針對帶狀線Wilkinson功分器仿真建立模型如 圖1所示，圖1(a)中，深色部分即為Ni-P電阻材料層，上下兩層介質(zhì)板厚度h1為20 mil(0.508 mm)，采用Taconic公司TLY-5材料，相對介電常數(shù)為2.2，介質(zhì)板之間采用PP材料壓合，厚度h2為3.5 mil(0.089 mm)，覆銅層厚度h3為0.018 mm；如圖1(b)所示，在仿真模型中設(shè)定為W=L，即電阻值大小為100 Ω。

圖1 帶狀線Wilkinson功分器仿真模型

基于上述分析，建立1分2的單元Wilkinson功分器仿真模型。該模型由2部分結(jié)構(gòu)組成：帶狀線的Wilkinson功分器；帶狀線轉(zhuǎn)同軸饋電過渡結(jié)構(gòu)。利用三維仿真軟件ANSYS HFSS 15.0對上述2部分結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行全波仿真分析。

帶狀線仿真結(jié)果如圖2(a)所示，在20.5±1 GHz頻段范圍內(nèi)，1端口駐波可以保證在1.05以下，2，3端口駐波可保證在1.15以下；如圖2(b)和圖2(c)所示，其副相一致性均可保證在0.07 dB和0.16°之內(nèi)。

圖2 帶狀線Wilkinson功分器仿真結(jié)果

根據(jù)Ohmega公司給定的數(shù)據(jù)，針對方阻率為100 Ω的材料，其阻值誤差可控制在±3%以內(nèi)[11，16]，故而，調(diào)整仿真模型中電阻阻值，考察其變化對端口駐波影響程度，得到的仿真結(jié)果如圖3所示，在仿真實(shí)驗(yàn)中分別設(shè)定Ni-P電阻值R分別為90，100，110 Ω，Port1和Port2駐波仍可分別控制在1.05和1.175以內(nèi)，即材料的固有誤差對于本方來說可接受。

圖3 VSWR隨電阻值R變化仿真曲線圖

針對帶狀線轉(zhuǎn)同軸饋電過渡結(jié)構(gòu)，也建立仿真模型，如圖4所示。圖4(a)中h1、h2和h3均與圖1的參數(shù)設(shè)置保持一致，圖4(a)中，帶狀線下層介質(zhì)板通過直徑為D1金屬化柱體與外部射頻同軸連接，其中D1為0.4 mm；與之互聯(lián)的外部射頻同軸內(nèi)導(dǎo)體直徑D2為0.3 mm，外部射頻同軸內(nèi)外導(dǎo)體間填充介質(zhì)為聚四氟乙烯(相對介電常數(shù)為4)，為實(shí)現(xiàn)50 ohm的特性阻抗，可計(jì)算出射頻同軸外導(dǎo)體直徑D3為 1.6 mm。

為了抑制互耦影響，同時(shí)也為了提升同軸轉(zhuǎn)帶狀線過渡的匹配效果，介質(zhì)板內(nèi)部直徑D1金屬化柱體外設(shè)定了一圈屏蔽柱；除此之外，為了保證整個(gè)功分網(wǎng)絡(luò)與外部的射頻連接的可靠性，在下層介質(zhì)板金屬化柱體終端處需增加半徑略大于D1的射頻壓接盤，如圖4(b)所示。直徑D1的金屬柱體通過此射頻壓接盤與外部射頻同軸內(nèi)導(dǎo)體連接。從工程可靠性角度考慮，該射頻壓接盤直徑越大，則與外部射頻同軸直徑為D2的內(nèi)導(dǎo)體的連接越可靠；然而，由于射頻壓接盤的引入等效于在50 ohm傳輸線中加載了一部分電容，故而，金屬盤直徑D4會明顯影響射頻同軸與帶狀線轉(zhuǎn)接的匹配性能。為了考察D4對射頻互聯(lián)的影響程度，D4分別取值為0.4，0.5，0.6 mm。如圖5所示，隨著D4的數(shù)值減小，駐波也隨之增大，證明其匹配效果越來越好。因此，綜合考慮互聯(lián)可靠性、匹配效果及加工裝配誤差3方面因素，加工中D4取值為0.5 mm時(shí)，可兼顧匹配性能以及加工裝配的可靠性。

圖4 帶狀線Wilkinson功分器仿真模型

圖5 射頻同軸端口VWSR隨D4變化仿真結(jié)果

將上述2部分仿真模型級聯(lián)起來，構(gòu)成完整的仿真模型圖，如圖6所示，輸出端口間距為45 mm。仿真得到的各端口駐波曲線如圖7所示，端口1駐波控制在1.05以內(nèi)，端口2和端口3的駐波也可控制在1.2以內(nèi)?；诖薟ilkinson功分單元器，進(jìn)行1分16路的功分網(wǎng)絡(luò)模塊模型仿真，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示，其輸出端口橫向和縱向間距均為45 mm。

圖6 級聯(lián)仿真模型

圖7 級聯(lián)后仿真駐波曲線

圖8 1分16路Wilkinson功分網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

2 功分網(wǎng)絡(luò)測試

加工成型的印制板如圖9所示，17個(gè)端口均設(shè)置在正面一側(cè)，印制板厚度為1.1 mm。

圖9 1分16路Wilkinson功分網(wǎng)絡(luò)實(shí)物圖

針對此類垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)的功分網(wǎng)絡(luò)測試，傳統(tǒng)的SMA，SMP甚至是SSMP射頻接頭形式已經(jīng)無法適用，因?yàn)樯鲜鲆幌盗羞B接方式均要求射頻內(nèi)導(dǎo)體必須與被測端口內(nèi)導(dǎo)體焊接才能實(shí)現(xiàn)可靠的電連接。故而，在本方案的測試中采用毛紐扣射頻集成連接方案，此方案的射頻集成方式具有匹配效果好，彈性接觸可靠，體積尺寸小，易裝配等優(yōu)點(diǎn)，如圖10所示，測試夾具在17端口的對應(yīng)位置處集成了毛紐扣射頻連接器，其中，毛紐扣內(nèi)導(dǎo)體直徑Din為0.3 mm，該部分具有10%的長度伸縮性，外部采用聚四氟乙烯介質(zhì)填充，外導(dǎo)體直徑Dout為1.6 mm。

圖10 測試工裝實(shí)物圖

測試方式如圖11所示，利用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(型號：PNA-X Network Analyzer N5244A，測試頻率范圍：10 MHz～43.5 GHz)進(jìn)行測試。測試功分網(wǎng)絡(luò)時(shí)，除去被測端口外，其他端口均接入50 Ω匹配負(fù)載(SSMP接口形式)。

圖11 測試現(xiàn)場圖

測試結(jié)果如圖12所示，圖12(a)所示為圖11測試狀態(tài)時(shí)，輸入端口Port1與輸出端口Port2耦合系數(shù)，即網(wǎng)絡(luò)的插入損耗(含分配損耗)測試結(jié)果，在19.5～21.5 GHz頻率范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)插損優(yōu)于15.7 dB；但是，測試過程中，SSMP的轉(zhuǎn)接頭以及測試夾具內(nèi)部毛紐扣轉(zhuǎn)SSMP的轉(zhuǎn)接段將會引入一部分額外誤差，且測試夾具生產(chǎn)方給出的20～30 GHz測試頻率條件下，此部分的插損之和為1.5 dB，故而網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際插損優(yōu)于圖12(a)所示結(jié)果1.5 dB，即該網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)插損均可保證在14 dB以內(nèi)。

圖12 測試結(jié)果圖

端口駐波測試結(jié)果如圖12(b)所示，輸入端口Port1的VSWR在所需頻段內(nèi)可保證在1.55以內(nèi)，輸出端口Port2可保證在1.8以內(nèi)；而測試所有端口結(jié)果之后，統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到所有端口幅相誤差均方根分別在0.3 dB和3.5°以內(nèi)，符合指標(biāo)要求。

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一款基于平面埋阻工藝的Wilkinson功分網(wǎng)絡(luò)，采用Ni-P埋阻材料，取代了傳統(tǒng)的電阻焊接方式，提升了功分網(wǎng)絡(luò)集成度；此外，為了測試其性能，還設(shè)計(jì)了一套集成了毛紐扣的彈性壓接垂直互聯(lián)測試方案；經(jīng)測試驗(yàn)證，既證明平面埋阻工藝有效，也證明了毛紐扣彈性壓接垂直互聯(lián)的可靠性，該方案為類似的瓦式相控陣功分網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)及測試提供了指導(dǎo)。