鄧學(xué)群，王彤（通信作者），程廣智，姜建華

1.河北新華北集成電路有限公司，河北石家莊，050200 2.河北省衛(wèi)星通信射頻技術(shù)創(chuàng)新中心，河北石家莊，050200

0 引言

功率合成移相網(wǎng)絡(luò)是相控陣天線(xiàn)的饋電網(wǎng)絡(luò)，是連接天線(xiàn)和雷達(dá)收發(fā)組件（T/R Module，簡(jiǎn)稱(chēng)T/R組件）的射頻傳輸線(xiàn)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)各天線(xiàn)單元所需要的幅度和相位的加權(quán)，在雷達(dá)相控陣系統(tǒng)中占據(jù)重要的位置[1-2]。隨著雷達(dá)相控陣系統(tǒng)向大陣列方向的快速發(fā)展，對(duì)功率合成移相網(wǎng)絡(luò)的要求也越來(lái)越趨向小型化、高集成度、高可靠性、低成本方向發(fā)展[3-4]。隨著制造工藝水平的提升，以微波多層板為基板的射頻多芯片組件在通信、導(dǎo)航等民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5]。與HTCC[6]和LTCC[7-8]相比，微波多層板的最大優(yōu)勢(shì)在于成本低、制作周期短。此外，微波多層板還可以進(jìn)行不同的電路走線(xiàn)，有效減小封裝的體積[9-10]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于微波多層板的緊湊型X波段功率合成移相網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)采用TLY-5Z介質(zhì)基板，介電常數(shù)εr為2.2，損耗角正切tanδ為0.0015。通過(guò)應(yīng)用類(lèi)同軸以及玻璃絕緣子相結(jié)合的垂直互連結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了四層功率合成移相網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)的設(shè)計(jì)，既節(jié)約了電路的面積，又保證了射頻信號(hào)的寬帶匹配以及不同通道間的相移需求，為高集成的多通道T/R組件的小型化設(shè)計(jì)提供了方法。本文利用電磁仿真軟件分別對(duì)Wilkinson功分器、類(lèi)同軸射頻信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)、玻璃絕緣子射頻信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)、16合1功率合成移相網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了建模和仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果制作了相應(yīng)的實(shí)物電路，通過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，在8.5GHz～9.5GHz頻帶內(nèi)，電壓駐波比小于1.9，插入損耗優(yōu)于-23.4dB，幅度一致性小于±0.5dB，相位實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值均方根小于2，滿(mǎn)足工程的設(shè)計(jì)應(yīng)用需求。

1 功率合成網(wǎng)絡(luò)主要功能及設(shè)計(jì)原理

功率分配器是一種多端口微波網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)⑤斎胄盘?hào)功率分成相等或不相等的幾路功率輸出。由于功分器是互易器件，因此反過(guò)來(lái)就是功率合成器[11]。功率合成移相網(wǎng)絡(luò)是相控陣天線(xiàn)的饋電網(wǎng)絡(luò)，本文以等分（3dB）的Wilkinson功分器為基本單元，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)全部端口的匹配，還能保證各輸出端口的隔離度要求。當(dāng)T/R組件處于接收態(tài)時(shí)，各個(gè)天線(xiàn)接收到的信號(hào)從IN1～I(xiàn)N16饋入，經(jīng)功率合成移相網(wǎng)絡(luò)從OUT1～OUT4口輸出，形成所需要的4個(gè)波束。其電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)共需要三部分電路的設(shè)計(jì)：①微帶線(xiàn)功率合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)；②移相設(shè)計(jì)；③射頻互連結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 功率合成移相網(wǎng)絡(luò)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

功率合成移相網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)主要由2個(gè)四層板、16個(gè)玻璃絕緣子、金屬盒體、蓋板、SSMA接頭組成。電路結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖2所示，四層板采用兩塊0.254mm厚度的雙面覆銅TLY-5Z介質(zhì)基板，通過(guò)0.2mm厚度的半固化片壓合，中間兩層覆銅為射頻地，頂層和底層為射頻布線(xiàn)層，頂層和底層布線(xiàn)之間應(yīng)用類(lèi)同軸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的垂直傳輸，兩塊四層板均通過(guò)螺裝方式裝配在金屬盒體的正反兩面，2個(gè)四層板間射頻信號(hào)的垂直傳輸則通過(guò)玻璃絕緣子實(shí)現(xiàn)。

圖2 電路結(jié)構(gòu)模型示意圖

2 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)及仿真優(yōu)化

2.1 功率合成移相網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1.1 功率合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

功率合成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原理是將多路信號(hào)經(jīng)過(guò)一系列的二合一結(jié)構(gòu)逐次地合成一路輸出，最基本的單元是一分二功分器。其中，利用4級(jí)功分器很容易能夠?qū)崿F(xiàn)16路輸入1路輸出的設(shè)計(jì)，而本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于需要實(shí)現(xiàn)16路輸入4路輸出。因此，在16合1網(wǎng)絡(luò)的上一級(jí)采用了兩級(jí)功分器實(shí)現(xiàn)1分4的設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)16路輸入4路輸出。為了保證各輸出端口具有良好的隔離度，功分器采用Wilkinson功分器。Wilkinson功分器的對(duì)稱(chēng)性保證了信號(hào)的平衡度和隔離度，隔離電阻進(jìn)一步提高了輸出端口的隔離度。

如圖3所示為16路輸入1路輸出功率合成網(wǎng)絡(luò)的電磁仿真模型，模型包含了實(shí)現(xiàn)1分4的兩級(jí)功分器，其中未用到的通道通過(guò)連接50Ω對(duì)地電阻實(shí)現(xiàn)模擬仿真分析。如圖4所示分別為該模型的端口駐波和插入損耗仿真結(jié)果，可以看到，端口駐波均小于1.2，插入損耗均優(yōu)于-20dB。

圖3 功率合成網(wǎng)絡(luò)電磁仿真模型

圖4 功率合成網(wǎng)絡(luò)電磁仿真結(jié)果

2.1.2 移相功能設(shè)計(jì)

T/R組件接收信號(hào)時(shí)，需要對(duì)各天線(xiàn)接收到的不同傳輸路徑信號(hào)進(jìn)行合成輸出，移相能夠調(diào)節(jié)接收陣列中各單元的相位，最終使得它們的相位達(dá)到一致性的要求。為了實(shí)現(xiàn)功分移相功能的一體化設(shè)計(jì)，在保證各輸出端口等幅功分的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各輸出端口的相位控制，采取了移動(dòng)功分器位置的方法，使功分器兩端口所連接微帶線(xiàn)長(zhǎng)度不同從而實(shí)現(xiàn)移相。這種方法不僅彌補(bǔ)了利用曲折微帶線(xiàn)實(shí)現(xiàn)移相情況下端口駐波、插入損耗等方面的不足，而且結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，電路整體尺寸更小。此外，為使4路輸出信號(hào)的0相位相同，在各路輸出端微帶線(xiàn)上采用曲折微帶線(xiàn)進(jìn)行了相位補(bǔ)足。如圖5所示為包含4路輸出曲折微帶線(xiàn)的PCB版圖，可以看到，在不同輸出端口微帶線(xiàn)的位置，均設(shè)計(jì)了不同尺寸參數(shù)的曲折線(xiàn)。如圖6所示為工程要求的兩種不同相位延遲的仿真結(jié)果。其中，相移1要求步進(jìn)為6.79°，相移2要求步進(jìn)為2.26°，仿真結(jié)果均滿(mǎn)足要求。

圖5 包含4 路輸出曲折微帶線(xiàn)的電路PCB 版圖

圖6 相移仿真結(jié)果

2.2 垂直互連結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化

在功率合成移相網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)不同層功分網(wǎng)絡(luò)電路間的信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)整體電路的小型化和高集成度，采用垂直互連的射頻傳輸結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)仿真了多層板內(nèi)部微帶線(xiàn)-類(lèi)同軸-微帶線(xiàn)垂直互連結(jié)構(gòu)，以及兩個(gè)多層板之間的微帶線(xiàn)-類(lèi)同軸-絕緣子-類(lèi)同軸-微帶線(xiàn)垂直互連結(jié)構(gòu)。

2.2.1 微帶線(xiàn)-類(lèi)同軸-微帶線(xiàn)

多層板內(nèi)部不同層微帶線(xiàn)之間的互連通過(guò)類(lèi)同軸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其仿真模型和S參數(shù)如圖7所示。類(lèi)同軸結(jié)構(gòu)由垂直傳輸金屬化孔和外層接地隔離金屬化孔組成。引入接地孔，不僅可以對(duì)電磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行束縛和引導(dǎo)，還可以較好地防止電磁能量的輻射和泄漏，增強(qiáng)不同通道之間的隔離度。通過(guò)接地孔，實(shí)現(xiàn)多層平面互連，抑制了平行板之間的寄生效應(yīng)。此外，通過(guò)設(shè)置適當(dāng)尺寸的金屬化孔焊盤(pán)改善了微帶線(xiàn)到類(lèi)同軸過(guò)渡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的射頻傳輸?shù)牟贿B續(xù)性。從圖7（b）可以看到，在8.5GHz～9.5GHz頻率范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)的回波損耗優(yōu)于-20dB，相應(yīng)電壓駐波比優(yōu)于1.2，具有良好的射頻傳輸特性。

圖7 類(lèi)同軸結(jié)構(gòu)仿真模型及S 參數(shù)

2.2.2 微帶線(xiàn)-類(lèi)同軸-絕緣子-類(lèi)同軸-微帶線(xiàn)

不同電路板之間的互連通過(guò)玻璃絕緣子實(shí)現(xiàn)，其模型和S參數(shù)仿真結(jié)果如圖8所示。玻璃絕緣子采用燒結(jié)的方式固定在金屬盒體上，絕緣子的針?lè)謩e穿插在上下兩塊電路板金屬化通孔中，插針可以直接焊接在金屬化孔中，從而與微帶線(xiàn)的導(dǎo)帶進(jìn)行連接。由于這些不連續(xù)性會(huì)引起阻抗的變化和一些寄生效應(yīng)，通過(guò)引入一段空氣孔，在滿(mǎn)足一定加工精度的條件下，可以抵消一些由于不連續(xù)性產(chǎn)生的寄生效應(yīng)，能更好地在頻帶范圍內(nèi)進(jìn)行阻抗匹配，并且提高整個(gè)結(jié)構(gòu)微波性能的穩(wěn)定性[12]。其中，引入的空氣孔相當(dāng)于一段空氣介質(zhì)的同軸線(xiàn)。此外，電路板部分依然采用類(lèi)同軸結(jié)構(gòu)。從圖8（b）可以看到，在8.5GHz～9.5GHz頻率范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)的回波損耗優(yōu)于-25dB，相應(yīng)電壓駐波比優(yōu)于1.1，具有良好的射頻傳輸特性。

圖8 微帶線(xiàn)-類(lèi)同軸-絕緣子-類(lèi)同軸-微帶線(xiàn)垂直互連結(jié)構(gòu)仿真模型及S 參數(shù)

3 產(chǎn)品加工與測(cè)試

根據(jù)仿真模型及各項(xiàng)電路尺寸參數(shù)，結(jié)合產(chǎn)品組件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，進(jìn)行了詳細(xì)的PCB版圖設(shè)計(jì)，同時(shí)制作了相應(yīng)的盒體，在端口處采用螺裝SSMA接頭，方便后續(xù)測(cè)試及應(yīng)用。圖9所示為最終制作完成的電路實(shí)物圖及測(cè)試裝置。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)制作的整體電路進(jìn)行了測(cè)試。

圖9 電路實(shí)物圖及測(cè)試裝置

電壓駐波比和插入損耗測(cè)試結(jié)果如圖10所示，測(cè)試結(jié)果表明，在8.5GHz～9.5GHz頻帶內(nèi)，電壓駐波比小于1.9，插入損耗優(yōu)于-23.4dB，幅度一致性小于±0.5dB。其中，插入損耗包含了接頭的損耗，由于加工誤差，以及焊接玻璃絕緣子等也會(huì)造成實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果的差異。圖11所示為工程要求的兩種不同相位延遲的測(cè)試結(jié)果，經(jīng)計(jì)算，8.5GHz、9GHz和9.5GHz三個(gè)頻點(diǎn)處的相位實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值的均方根值小于2。該電路整體上滿(mǎn)足工程的設(shè)計(jì)應(yīng)用需求。

圖10 測(cè)試結(jié)果

圖11 相移測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于微波多層板技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多通道功率合成移相網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，并給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)仿真模型、仿真結(jié)果以及實(shí)物測(cè)試結(jié)果。與傳統(tǒng)的平面功分合成移相網(wǎng)絡(luò)相比，該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)類(lèi)同軸和玻璃絕緣子結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂直互連，極大減小了電路面積，同時(shí)保證了各通道的相移，為高集成的多通道T/R組件的小型化設(shè)計(jì)提供了方法。此外，相較于應(yīng)用HTCC、LTCC等工藝，又兼具低成本的優(yōu)勢(shì)。測(cè)試結(jié)果表明，在8.5GHz～9.5GHz頻帶內(nèi)，電壓駐波比小于1.9，插入損耗優(yōu)于-23.4dB，幅度一致性小于±0.5dB，具有良好的幅度一致性；8.5G Hz、9G Hz和9.5GHz三個(gè)頻點(diǎn)處的相位實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值的均方根值均小于2，滿(mǎn)足工程的設(shè)計(jì)應(yīng)用需求。