花婷婷， 詹珍賢， 許唐紅， 李化雷

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引 言

隨著微波技術(shù)的發(fā)展和戰(zhàn)術(shù)市場需求的提高，基于片式架構(gòu)的更高集成度、更低剖面的有源相控陣天線技術(shù)是解決雷達(dá)導(dǎo)引頭高集成、輕小型化的有效途徑[]。片式有源相控陣天線在橫向尺寸嚴(yán)格受限的情況下，基于多層微波數(shù)字復(fù)合基板層疊互聯(lián)技術(shù)，將天線輻射面、散熱板、片式收發(fā)組件(T/R Module，簡稱T/R組件)和綜合饋電多功能板等垂直于陣面方向進行壓縮排布，利用彈性互連、金屬化過孔等代替了大量的連接電纜和線束，因而其集成度更高、體積更小、天線剖面更低、重量更輕、互聯(lián)損耗更小、可靠性更高[]。

本文研制的Ku波段綜合饋電多功能板是片式有源天線的核心部件之一，位于片式T/R組件后端，負(fù)責(zé)多個片式T/R組件功率的分配與合成，同時具備為各T/R組件提供電源及控制鏈路的功能。文中對多功能板的功能組成、材料疊層進行了說明，重點介紹了基于帶狀線的威爾金森功分圓環(huán)形射頻收發(fā)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，收發(fā)網(wǎng)絡(luò)分口、總口微波垂直互聯(lián)電路的設(shè)計，最后加工了驗證樣件，并設(shè)計專用測試工裝對多功能板的射頻性能進行了測試。實測結(jié)果表明，研制的Ku波段綜合饋電多功能板符合相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)要求，確保了有源相控陣?yán)走_(dá)天線片式集成的可行性。

1 方案設(shè)計

Ku波段綜合饋電多功能板主要實現(xiàn)以下功能：)射頻收發(fā)網(wǎng)絡(luò)功能，發(fā)射時將射頻總口的激勵信號分配給個片式T/R組件，接收時將個片式T/R組件的射頻信號合成為一個全陣總口；)電源分配網(wǎng)絡(luò)功能，將電源總口的各種工作電源分配給個片式T/R組件和陣面波控；)陣面波控及波控分配網(wǎng)絡(luò)功能，將上級波控發(fā)來的波束控制指令、碼值、時序解析后分發(fā)給個片式T/R組件。多功能板外形如圖所示，分為正反兩面布局，正面為射頻面，設(shè)置射頻和低頻焊盤接口，通過毛紐扣、彈性連接器實現(xiàn)與片式T/R組件的對接；背面為波控及電源面，主要包括收發(fā)網(wǎng)絡(luò)總口SMP連接器、控制信號連接器、電源信號連接器、波控復(fù)雜可編程邏輯器件 (Complex Programmable Logic Device，簡稱CPLD)、接口驅(qū)動電路及相應(yīng)的阻容電感等器件。

(a) 多功能板正面

(b) 多功能板背面圖1 多功能板外形圖

多功能板由層內(nèi)埋電阻式微波數(shù)字基板層壓而成，其中上半部分為射頻收發(fā)網(wǎng)絡(luò)部分，微帶板材選用Arlon公司的CLTEXT芯板及型半固化粘接片。多功能板下半部分為電源分配及波束控制網(wǎng)絡(luò)部分，選用FR板材。射頻收發(fā)網(wǎng)絡(luò)、電源分配網(wǎng)絡(luò)和波控分配網(wǎng)絡(luò)分別置于不同的疊層，各功能層通過板內(nèi)走線及金屬化過孔進行信號互聯(lián)。不同信號網(wǎng)絡(luò)各自獨立不交叉，且設(shè)置獨立的接地層保證信號完整性[]。

2 關(guān)鍵電路設(shè)計

2.1 收發(fā)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

射頻收發(fā)網(wǎng)絡(luò)采用四級一分二網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的形式構(gòu)成一分十六網(wǎng)絡(luò)，選用標(biāo)準(zhǔn)TEM波的帶狀線傳輸類型，信號損耗相對于微帶線小且抗干擾能力強[]。

根據(jù)經(jīng)典設(shè)計方法，一分二網(wǎng)絡(luò)采用單節(jié)威爾金森功分圓環(huán)形實現(xiàn)，結(jié)合選用的介質(zhì)基板參數(shù)及工作頻段，計算出特性阻抗Ω的微帶線寬度、帶狀線寬度和四分之一波長線在.Ω的傳輸線寬度，功分網(wǎng)絡(luò)中的隔離電阻采用CLTEXT板材，隔離電阻Ω。對一分二功分器各關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置變量并賦予初始值，并重點優(yōu)化圓環(huán)的線寬長度等參數(shù)，優(yōu)化后的功分器模型如圖所示，仿真優(yōu)化結(jié)果如圖、圖所示，總口駐波、分口駐波.，兩分口隔離度≥.dB，包含功分比在內(nèi)的插損≤.dB，仿真結(jié)果滿足使用要求。

圖2 一分二威爾金森帶狀線功分器仿真模型

圖3 端口駐波仿真結(jié)果

圖4 插損和隔離度仿真結(jié)果

2.2 射頻分口設(shè)計

由于片式T/R組件與多功能板射頻接口為垂直型毛紐扣結(jié)構(gòu)，在設(shè)計中需將收發(fā)網(wǎng)絡(luò)帶狀線轉(zhuǎn)成微帶線后開槽安裝毛紐扣。對毛紐扣結(jié)構(gòu)以及帶狀線轉(zhuǎn)微帶圖形進行仿真優(yōu)化，其中毛紐扣結(jié)構(gòu)的內(nèi)導(dǎo)體、介質(zhì)套、外導(dǎo)體、空氣腔、接地等需精確建模[]，模型如圖所示。仿真結(jié)果如圖所示，端口駐波≤.，插損≤.dB。

圖5 毛紐扣-微帶轉(zhuǎn)帶狀線過渡仿真模型

圖6 毛紐扣-微帶轉(zhuǎn)帶狀線過渡仿真結(jié)果

2.3 射頻總口設(shè)計

射頻收發(fā)網(wǎng)絡(luò)位于多功能板中間層，且工作頻率高，考慮帶狀線和微帶之間的過渡補償問題，射頻總口連接器選用表貼SMP。由于多功能板下方是FR低頻板，所以在設(shè)計中收發(fā)網(wǎng)絡(luò)總口需將帶狀線通過金屬化過孔轉(zhuǎn)成微帶線后開槽焊接SMP連接器，對SMP模型以及帶狀線轉(zhuǎn)微帶線圖形進行仿真建模，模型如圖所示。仿真結(jié)果如圖所示，端口駐波≤.，兩端口之間的插損≤.dB，滿足使用要求，可以按這個模型設(shè)計總口微帶匹配圖形及帶狀線轉(zhuǎn)微帶線過渡圖形。

圖7 SMP-微帶轉(zhuǎn)帶狀線仿真模型

圖8 SMP-微帶轉(zhuǎn)帶狀線仿真結(jié)果

2.4 電源及波控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

多功能板電源分配網(wǎng)絡(luò)主要是為了滿足多功能板各有源模塊的用電需求，實現(xiàn)將外部電源進行隔離變換，為T/R組件及波控器件等各用電器件提供所需電壓的功能。波控網(wǎng)絡(luò)主要功能是解析上位機發(fā)來的控制指令，將上位機發(fā)來的波束控制碼值、時序轉(zhuǎn)發(fā)給各T/R組件，并按指令預(yù)先存儲后續(xù)波位的碼值。

電源及波控器件位于多功能板背面，布局時將電源與控制連接器分別置于多功能板兩側(cè)，小信號的波控器件盡量遠(yuǎn)離電源連接器，以防對小信號有影響。疊層設(shè)計上使用了張FR芯板，不同信號層通過電源層和地層進行隔離，來減少電磁干擾的影響。

3 測試結(jié)果與分析

多功能板集成三大功能，電源分配網(wǎng)絡(luò)需要驗證通斷情況，波束控制網(wǎng)絡(luò)性能在有源天線級驗證，射頻收發(fā)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)驗證需要借助專用測試工裝進行。射頻浮動集成模塊是專為圖所示待測多功能板設(shè)計的射頻性能測試工裝，提供路毛紐扣轉(zhuǎn)同軸連接器方案，通過毛紐扣與多功能板正面焊盤的可靠接觸，將多功能板路射頻分口焊盤轉(zhuǎn)為同軸連接器界面，方便可測。測試儀表為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測試時空余端口全部接Ω匹配負(fù)載。測試現(xiàn)場照片如圖所示。

圖9 測試現(xiàn)場照片

(a) 相位

(b) 幅度

(c) 分口駐波

(d) 總口駐波圖10 典型通道測試結(jié)果

圖為多功能板典型通道的射頻性能測試結(jié)果。～GHz工作頻帶內(nèi)，收發(fā)網(wǎng)絡(luò)總口駐波.，分口駐波.，含一分十六功分比在內(nèi)的插入損耗dB，相鄰分端口的隔離度dB，且不同分口至總口的幅度一致性≤.dB，相位一致性≤.°。與仿真結(jié)果相比，實物測試結(jié)果稍有惡化。惡化原因包括毛紐扣轉(zhuǎn)同軸連接器測試工裝壓接力度和接地的影響、射頻總口SMP連接器焊接工藝的偏差以及多級級聯(lián)傳輸線不連續(xù)的影響，但影響均在可接受范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種用于片式有源相控陣天線的Ku波段綜合饋電多功能板的研制。對基于威爾金森功分器設(shè)計的收發(fā)網(wǎng)絡(luò)，射頻分口毛紐扣垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)、射頻總口SMP垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行了詳細(xì)闡述，最后利用專用測試工裝對Ku波段綜合饋電多功能板的射頻性能進行了測試。實測結(jié)果表明研制的Ku波段一分十六網(wǎng)絡(luò)具有較好的駐波、插損、隔離度、一致性等性能指標(biāo)，保證了某低剖面彈載多功能有源天線樣機的實現(xiàn)。