一種基于薄膜工藝的寬帶延時(shí)線?

彭珍妮,顧海光

(1.南京航空航天大學(xué)無(wú)人機(jī)院,江蘇南京210016;2.南京熊貓愛(ài)立信通信有限公司,江蘇南京211100)

0 引言

寬帶相控陣天線中,天線掃描波束指向因孔徑效應(yīng)會(huì)隨工作頻率的變化發(fā)生漂移。為了改善天線的頻率響應(yīng),需對(duì)指向漂移進(jìn)行校正。目前,通常采用在天線鏈路中接入可調(diào)實(shí)時(shí)延時(shí)線的方法校正上述掃描波束指向偏移問(wèn)題。

各種傳輸線結(jié)構(gòu)的延時(shí)線,通過(guò)傳播電磁波而延時(shí)電磁波,從而可以直接用來(lái)作為延時(shí)線應(yīng)用。這類(lèi)傳輸線具有工作帶寬寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。目前工程上應(yīng)用較多的有電纜延時(shí)線,雖然延時(shí)帶寬寬、損耗低,但有體積大、重量重的缺點(diǎn),對(duì)于一些對(duì)器件重量要求苛刻的環(huán)境,很難適用[1]。

1 蛇形延時(shí)線設(shè)計(jì)

隨著仿真研究和工藝生產(chǎn)的進(jìn)步,左手延時(shí)線和蛇形線理論不斷發(fā)展,具有了一定的工程實(shí)用價(jià)值[2]。在X頻段應(yīng)用這兩種傳輸線進(jìn)行延時(shí)器設(shè)計(jì),傳輸線的線間耦合非常敏感,稍有變化就會(huì)影響最終的結(jié)果。在陶瓷板上進(jìn)行薄膜工藝加工能夠獲得很高的精度,可廣泛應(yīng)用于對(duì)加工精度要求極高的場(chǎng)合。文中所涉及的延時(shí)線尺寸精細(xì),載板為0.25 mm厚氧化鋁陶瓷基板,加工要求高。利用左手材料制作的延時(shí)線可以在重量和尺寸上得到改善,如圖1所示。左手傳輸線具有陡峭的相位隨頻率變化曲線,因此左手傳輸線在大時(shí)延設(shè)計(jì)時(shí)可以用很小的尺寸完成。圖2所示的5位左手延時(shí)器尺寸只有34 mm×12 mm。

圖1 1位100 ps左手延時(shí)器

圖2 5位左手延時(shí)器板圖

但是左手延時(shí)線模型參數(shù)提取復(fù)雜,寄生電阻寄生電容隨頻率變化明顯,使得左手延時(shí)線帶寬比較窄[3]。

利用蛇形線(如圖3)理論也可以大幅度降低傳輸線型延時(shí)器的尺寸[4]。

圖3 1位100 ps蛇形延時(shí)器

對(duì)于蛇形線性能有關(guān)鍵影響的是其縱向的長(zhǎng)度和橫向的線間距,關(guān)鍵是微帶線間隙和直角彎頭部位的匹配,基于等效電路的分析和仿真來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)[5-6],可以最大程度上縮小蛇形線的尺寸。圖4是200 ps蛇形延時(shí)線的線間距為0.1 mm時(shí)的仿真結(jié)果,圖5是線間距為0.24 mm的仿真結(jié)果。通常認(rèn)為,降低耦合影響的方式是增加線間距,但是間距太寬會(huì)大大增加延時(shí)線的尺寸,找到一個(gè)合適的間距非常重要,在這里0.1 mm間距的結(jié)果要明顯優(yōu)于0.24 mm間距。可見(jiàn),只要設(shè)計(jì)合理,完全可以在減小蛇形線尺寸的同時(shí),保證射頻性能和寬頻段內(nèi)的延時(shí)平坦度。

圖4 蛇形線間隙0.1 mm時(shí)射頻性能指標(biāo)

圖5 蛇形線間隙0.24 mm時(shí)射頻性能指標(biāo)

圖6是1600 ps蛇形延時(shí)線,由測(cè)試結(jié)果可知在9～10 GHz,延時(shí)平坦度在100 ps內(nèi),損耗小于6 dB,駐波小于2。

對(duì)延時(shí)線而言,延時(shí)越長(zhǎng)越難設(shè)計(jì)。長(zhǎng)度越長(zhǎng),折彎越多,對(duì)其駐波和損耗的影響越明顯,隨著頻率的提高,甚至?xí)霈F(xiàn)低通濾波器的效果,造成射頻信號(hào)全反射、無(wú)法傳輸。而通過(guò)減少轉(zhuǎn)角和增大間隙雖然降低了微帶線的不均勻性,減小了線間耦合改善了損耗和駐波,但是延時(shí)線的尺寸明顯增大,這種優(yōu)化方法不可取。

圖6 1600 ps蛇形延時(shí)線及其測(cè)試結(jié)果

延時(shí)線的端口阻抗為50Ω時(shí)達(dá)到匹配狀態(tài),這時(shí)駐波最小,損耗最低。但是因?yàn)榫€間耦合的影響,改變了端口的等效阻抗,這時(shí)理論上的50Ω微帶線的線寬反而不能滿足要求,需要通過(guò)阻抗變換達(dá)到端口的阻抗匹配。

2 蛇形延時(shí)線的優(yōu)化

圖6中的延時(shí)線在10.5 GHz以后出現(xiàn)了嚴(yán)重的諧振。而對(duì)將其工作帶寬擴(kuò)展到8～12 GHz的新需求,需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]。

(1)考慮延時(shí)線與開(kāi)關(guān)的射頻輸出、輸入的位置,重點(diǎn)對(duì)蛇形線的波端口進(jìn)行優(yōu)化,如圖7所示。特別是對(duì)波端口寬度的優(yōu)化,改善了阻抗匹配,效果明顯。

圖7 波端口優(yōu)化示意、比較圖

(2)擬采用幾個(gè)小延時(shí)段串聯(lián)成大延時(shí)段的方法,利用4段400 ps蛇形延時(shí)線串聯(lián)成一段1 600 ps延時(shí)段,如圖8所示,略微擴(kuò)大板圖尺寸,有效地拓展了工作帶寬,避免了強(qiáng)諧振。

1600 ps蛇形延時(shí)線印制板圖和實(shí)測(cè)結(jié)果如圖8所示?？梢?jiàn),優(yōu)化過(guò)的蛇形線10 GHz以內(nèi)損耗小于5.5 d B,駐波小于1.2,有明顯改善,并有效解決了10.5 GHz以后的諧振問(wèn)題。

圖8 優(yōu)化后1600 ps蛇形線印制板圖和測(cè)試結(jié)果

采用上述優(yōu)化方法改善過(guò)的5位延時(shí)線板圖如圖9所示,經(jīng)過(guò)布局,其尺寸為21 mm×19 mm,同樣具有尺寸小的優(yōu)勢(shì)。8～12 GHz的延時(shí)范圍在2 600～3 600 ps,對(duì)于邊帶延時(shí)精度要求高的場(chǎng)合,可通過(guò)小延時(shí)位對(duì)大延時(shí)位進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)滿足實(shí)際工程需要[2]。

3 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)于延時(shí)線的工作帶寬的要求隨著寬帶雷達(dá)和超寬帶雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展也越來(lái)越寬。本文提出的蛇形線延時(shí)器具有良好的寬帶特性,在波束指向偏移的校正中通過(guò)高位加低位延時(shí)器的組合應(yīng)用,可適用于8～12 GHz的寬帶應(yīng)用。

圖9 5位蛇形延時(shí)線板圖

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