一種基于薄膜工藝的寬帶延時線?

彭珍妮,顧海光

(1.南京航空航天大學無人機院,江蘇南京210016;2.南京熊貓愛立信通信有限公司,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會隨工作頻率的變化發生漂移。為了改善天線的頻率響應,需對指向漂移進行校正。目前,通常采用在天線鏈路中接入可調實時延時線的方法校正上述掃描波束指向偏移問題。

各種傳輸線結構的延時線,通過傳播電磁波而延時電磁波,從而可以直接用來作為延時線應用。這類傳輸線具有工作帶寬寬、結構簡單的優點。目前工程上應用較多的有電纜延時線,雖然延時帶寬寬、損耗低,但有體積大、重量重的缺點,對于一些對器件重量要求苛刻的環境,很難適用[1]。

1 蛇形延時線設計

隨著仿真研究和工藝生產的進步,左手延時線和蛇形線理論不斷發展,具有了一定的工程實用價值[2]。在X頻段應用這兩種傳輸線進行延時器設計,傳輸線的線間耦合非常敏感,稍有變化就會影響最終的結果。在陶瓷板上進行薄膜工藝加工能夠獲得很高的精度,可廣泛應用于對加工精度要求極高的場合。文中所涉及的延時線尺寸精細,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延設計時可以用很小的尺寸完成。圖2所示的5位左手延時器尺寸只有34 mm×12 mm。

圖1 1位100 ps左手延時器

圖2 5位左手延時器板圖

但是左手延時線模型參數提取復雜,寄生電阻寄生電容隨頻率變化明顯,使得左手延時線帶寬比較窄[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器的尺寸[4]。

圖3 1位100 ps蛇形延時器

對于蛇形線性能有關鍵影響的是其縱向的長度和橫向的線間距,關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優化設計[5-6],可以最大程度上縮小蛇形線的尺寸。圖4是200 ps蛇形延時線的線間距為0.1 mm時的仿真結果,圖5是線間距為0.24 mm的仿真結果。通常認為,降低耦合影響的方式是增加線間距,但是間距太寬會大大增加延時線的尺寸,找到一個合適的間距非常重要,在這里0.1 mm間距的結果要明顯優于0.24 mm間距。可見,只要設計合理,完全可以在減小蛇形線尺寸的同時,保證射頻性能和寬頻段內的延時平坦度。

圖4 蛇形線間隙0.1 mm時射頻性能指標

圖5 蛇形線間隙0.24 mm時射頻性能指標

圖6是1600 ps蛇形延時線,由測試結果可知在9～10 GHz,延時平坦度在100 ps內,損耗小于6 dB,駐波小于2。

對延時線而言,延時越長越難設計。長度越長,折彎越多,對其駐波和損耗的影響越明顯,隨著頻率的提高,甚至會出現低通濾波器的效果,造成射頻信號全反射、無法傳輸。而通過減少轉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,但是延時線的尺寸明顯增大,這種優化方法不可取。

圖6 1600 ps蛇形延時線及其測試結果

延時線的端口阻抗為50Ω時達到匹配狀態,這時駐波最小,損耗最低。但是因為線間耦合的影響,改變了端口的等效阻抗,這時理論上的50Ω微帶線的線寬反而不能滿足要求,需要通過阻抗變換達到端口的阻抗匹配。

2 蛇形延時線的優化

圖6中的延時線在10.5 GHz以后出現了嚴重的諧振。而對將其工作帶寬擴展到8～12 GHz的新需求,需要進一步優化設計[5]。

(1)考慮延時線與開關的射頻輸出、輸入的位置,重點對蛇形線的波端口進行優化,如圖7所示。特別是對波端口寬度的優化,改善了阻抗匹配,效果明顯。

圖7 波端口優化示意、比較圖

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

1600 ps蛇形延時線印制板圖和實測結果如圖8所示。可見,優化過的蛇形線10 GHz以內損耗小于5.5 d B,駐波小于1.2,有明顯改善,并有效解決了10.5 GHz以后的諧振問題。

圖8 優化后1600 ps蛇形線印制板圖和測試結果

采用上述優化方法改善過的5位延時線板圖如圖9所示,經過布局,其尺寸為21 mm×19 mm,同樣具有尺寸小的優勢。8～12 GHz的延時范圍在2 600～3 600 ps,對于邊帶延時精度要求高的場合,可通過小延時位對大延時位進行補償來滿足實際工程需要[2]。

3 結束語

實際工程應用中對于延時線的工作帶寬的要求隨著寬帶雷達和超寬帶雷達技術的發展也越來越寬。本文提出的蛇形線延時器具有良好的寬帶特性,在波束指向偏移的校正中通過高位加低位延時器的組合應用,可適用于8～12 GHz的寬帶應用。

圖9 5位蛇形延時線板圖

[1]CHEN Lijun,ZHU Qi,HAN Lu,et al.Design of a 5-Bit Time Delay Module with Left-Handed and Right-Handed Transmission Line[J].Microwave and Optical Technology Letters,2007,49(6)：1256-1259.

[2]韋春海,金謀平,何誠.寬帶相控陣天線延遲線分析[J].雷達科學與技術,2012,10(6)：668-670.

[3]WANG Wanqiu,ZHAO Yongjun,LIU Chengcheng,et al.A Novel Probability-Constrained Approach to Robust Wideband Beamforming with Sensor Delay Lines[C]∥IET International Radar Conference,[S.l.]：[s.n.],2013：1-5.

[4]SUDO T,KUDO J,KO Y.Experimental Characterization and Numerical Modeling Approach of Meander Delay Lines[C]∥IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility,[S.l.]：[s.n.],2002：711-715.

[5]LAN X,KINTIS M,HANSEN C.A Simple DC to 110 GHz MMIC True Time Delay Line[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2012,22(7)：369-371.

[6]PARK S,JEON S.A 15-40 GHz CMOS True-Time Delay Circuit for UWB Multi-Antenna Systems[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2013,23(3)：149-151.