一種多路集成時(shí)鐘本振分配模塊的設(shè)計(jì)

王洪李,荊曉超

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院,江蘇 揚(yáng)州 211153)

0 引言

在相控陣?yán)走_(dá)的面陣分機(jī)中,經(jīng)常需要時(shí)鐘本振分配模塊將頻率源產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)和本振信號(hào)分配給子陣使用,這就要求模塊能集成多種不同工作頻率的功分網(wǎng)絡(luò),同時(shí)對(duì)不同頻率的功分網(wǎng)絡(luò)的隔離度、模塊的輸入輸出駐波、插入損耗、輸出端口間的幅相一致性、成本、重量、體積、可靠性等提出了嚴(yán)格的要求。

張運(yùn)傳等[1]設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在P波段和S波段的一分十六微帶功分器,通過(guò)采用多層微帶板電路來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單層微帶板電路可以有效提高雷達(dá)集成度、穩(wěn)定性、可靠性。經(jīng)實(shí)測(cè),功分器輸入輸出駐波在1.4以內(nèi),插損3 dB以內(nèi)。賁倩倩等[2]對(duì)多路功分器內(nèi)部功分單元互聯(lián)用的傳輸線長(zhǎng)度對(duì)功分器性能的影響作了研究,指出內(nèi)部互聯(lián)用的傳輸線長(zhǎng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系對(duì)多路功分器性能的影響。

目前,關(guān)于多種工作頻率的功分網(wǎng)絡(luò)集成在同一多層電路板中的相關(guān)文獻(xiàn)比較少,為了解決上述問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一款集成了P、S、X 3種工作頻率功分網(wǎng)絡(luò)的多路時(shí)鐘本振分配模塊,并詳細(xì)介紹了降低模塊輸入輸出駐波、降低模塊插入損耗和提高模塊輸出端口間幅度相位一致性的方法。

1 電路設(shè)計(jì)

P、S、X 3種工作頻率的一分四功分網(wǎng)絡(luò)均由一分二威爾金森功分單元級(jí)聯(lián)而成,3種功分網(wǎng)絡(luò)的布局如圖1所示,其中P波段的功分網(wǎng)絡(luò)為帶狀線形式,如圖1中的dash曲線所示;S波段的功分網(wǎng)絡(luò)為帶狀線形式,如圖1中的long-dash dot曲線所示;X波段的功分網(wǎng)絡(luò)為微帶線形式,如圖1中的實(shí)曲線所示。

圖1 功分網(wǎng)絡(luò)布局

3不同工作頻率的功分網(wǎng)絡(luò)集成于同一電路板中,電路板共8層金屬層,實(shí)曲線位于從上往下第一金屬層,long-dash dot曲線位于從上往下第4金屬層,dash曲線位于從上往下第7金屬層。

S波段的威爾金森功分單元的外形尺寸如圖2所示。由于S波段的功分網(wǎng)絡(luò)為帶狀線形式,為了便于隔離電阻的焊接,在隔離電阻處設(shè)計(jì)一圓形盲槽。同樣,為了便于隔離電阻的焊接,在隔離電阻處設(shè)計(jì)2個(gè)矩形小枝節(jié),小枝節(jié)暴露在圓形盲槽中,而威爾金森功分單元的射頻走線全部隱藏在電路板中。如圖2所示,圓形盲槽的中心距小枝節(jié)的中心距離為0.25 mm,小枝節(jié)的寬度為0.5 mm。

圖2 S波段功分單元的外形尺寸

由圖2可知,S波段和P波段的功分網(wǎng)絡(luò)均需過(guò)渡結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)帶狀線與頂層微帶線的過(guò)渡,過(guò)渡結(jié)構(gòu)HFSS模型及其駐波仿真曲線如圖3所示。由仿真結(jié)果可知,該過(guò)渡結(jié)構(gòu)在工作頻率超過(guò)10 GHz后,其駐波快速增加。

圖3 過(guò)渡結(jié)構(gòu)HFSS模型和駐波

另外,3種功分網(wǎng)絡(luò)分布在不同金屬層,相互間的隔離度主要由頂層的3個(gè)相互間距15 mm,長(zhǎng)度5 mm,寬度0.6 mm的平行耦合微帶線的耦合度決定,其HFSS仿真模型如圖4所示。

圖4 HFSS隔離度仿真模型

2 模塊的駐波和插入損耗

2.1 駐波

3種不同工作頻率的功分網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法基本相同,其中,X波段功分網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出駐波仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 輸入輸出駐波

為了降低模塊的輸入輸出駐波,可以采用以下2種方法:(1)本文中模塊的輸入連接器采用的是西安艾力特的JSBMA(E)-J,其穿墻部分的外導(dǎo)體直徑為4.6 mm,模塊盒體上的安裝孔直徑為4.8 mm,兩者之間的縫隙對(duì)X波段功分網(wǎng)絡(luò)的電信性能影響較大,需要用低應(yīng)力導(dǎo)電膠將縫隙填滿烘干,保證連接器與電路板微帶線信號(hào)地的連續(xù)性。(2)減小射頻連接器的探針長(zhǎng)度,探針長(zhǎng)度對(duì)駐波的影響如圖6所示,探針長(zhǎng)度縮短一半可以使駐波明顯降低。

圖6 探針長(zhǎng)度與駐波的關(guān)系

2.2 插入損耗

X波段功分網(wǎng)絡(luò)的插入損耗仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 插入損耗仿真曲線

X波段的功分網(wǎng)絡(luò)為微帶線形式,其常見(jiàn)的表面處理工藝有鍍鎳金和無(wú)鎳厚金2種形式。經(jīng)過(guò)這2種工藝處理過(guò)的X波段功分網(wǎng)絡(luò)的插入損耗實(shí)測(cè)結(jié)果如圖8所示,在射頻走線足夠長(zhǎng)的情況下,鍍鎳金時(shí)的插入損耗比鍍厚金時(shí)的插入損耗大2.5 dB左右。

圖8 插入損耗實(shí)測(cè)曲線

根據(jù)趨膚公式計(jì)算可得,在X波段時(shí),趨膚深度為26 μm。

其中,δs為趨膚深度;ρ為體電阻率,Ω/m;f為頻率,Hz;μ0為磁導(dǎo)常數(shù),H/m;μr為相對(duì)磁導(dǎo)率。

X波段功分網(wǎng)絡(luò)微帶線的實(shí)際厚度為35 μm,不滿足傳輸線的厚度要≥5倍趨膚深度才能獲得較低的傳輸線損耗的要求[3],因此有部分電流在金屬鎳和金中傳輸,鎳的電導(dǎo)率是銅的0.25倍,金是銅的0.7倍,考慮到功分網(wǎng)絡(luò)的電長(zhǎng)度受外形尺寸的約束而為16個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng),最終導(dǎo)致鍍鎳金時(shí)的插入損耗明顯增加。

為了驗(yàn)證帶狀線形式的X波段功分網(wǎng)絡(luò)的插入損耗是否會(huì)更小,本文設(shè)計(jì)加工了一帶狀線形式的X波段功分網(wǎng)絡(luò)。為了保證射頻走線的寬度不變,避免走線寬度的變化對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響,本文將X波段功分網(wǎng)絡(luò)的上下2個(gè)介質(zhì)板的厚度由0.254 mm更改為0.508 mm。2種情況下的實(shí)測(cè)對(duì)比結(jié)果如圖9所示,圖9中給出了2種情況下,插入損耗曲線的最大值和最小值,可以看出,帶狀線形式的功分網(wǎng)絡(luò)的插入損耗比微帶線形式的略小0.5 dB左右。雖然帶狀線形式的功分網(wǎng)絡(luò)插入損耗低一點(diǎn),但這種形式會(huì)增加電路板的厚度、層數(shù)、成本和加工難度,且微帶線形式的功分網(wǎng)絡(luò)的插入損耗曲線更加平滑,帶狀線形式的功分網(wǎng)絡(luò)存在輕微諧振現(xiàn)象。

圖9 插入損耗實(shí)測(cè)對(duì)比

3 模塊的幅相一致性

X波段功分網(wǎng)絡(luò)的輸出端口間幅相一致性的仿真結(jié)果比較理想,實(shí)際測(cè)試結(jié)果受隔離電阻焊接質(zhì)量、印制板加工精度和射頻連接器與微帶線焊接質(zhì)量的影響。S波段和P波段的功分網(wǎng)絡(luò)除受上述因素影響外,還受盲槽加工精度的影響,如果盲槽的位置發(fā)生偏移,會(huì)對(duì)功分網(wǎng)絡(luò)輸出端口間的幅相一致性造成影響,尤其是功分單元多級(jí)級(jí)聯(lián)之后,這種影響將會(huì)逐級(jí)積累放大,且難以通過(guò)調(diào)試解決。

對(duì)于需要加工盲槽焊接隔離電阻的多路帶狀線形式的功分網(wǎng)絡(luò),為了在工作頻率比較高的情況下(如X波段以上),保證輸出端口間的幅相一致性,可以采用如圖10所示的方法[4],將焊接隔離電阻用的矩形小枝節(jié)加長(zhǎng),枝節(jié)的寬度與隔離電阻焊盤的寬度相同,每個(gè)枝節(jié)的長(zhǎng)度與隔離電阻的長(zhǎng)度相同,圓形盲槽的中心與隔離電阻的中心重合。這樣,即便盲槽位置偏移0.5 mm,仍可避免功分單元的射頻走線暴露在空氣中,避免功分網(wǎng)絡(luò)的輸出端口間相位一致性惡化。經(jīng)仿真,該方法可以使功分單元的2個(gè)輸出端口間的相位一致性提高±2.5°,如圖10所示。

圖10 2種功分單元的HFSS模型及相位曲線對(duì)比

4 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)N5222A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)時(shí)鐘本振分配模塊進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如圖11—16所示。P波段功分網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出駐波≤1.2,插入損耗≤0.8 dB,幅度一致性≤±0.1 dB,相位一致性≤±3°。S波段功分網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出駐波≤1.4,插入損耗≤1.7 dB,幅度一致性≤±0.1 dB ,相位一致性≤±5°。X波段功分網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出駐波≤1.8,插入損耗≤3.5 dB(減去測(cè)試用轉(zhuǎn)接器和連接器的插入損耗,0.5 dB),幅度一致性≤±0.2 dB,相位一致性≤±4°。

圖11 P波段功分網(wǎng)絡(luò)的插入損耗曲線

圖12 S波段功分網(wǎng)絡(luò)的插入損耗曲線

圖13 X波段功分網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出駐波

圖14 X波段功分網(wǎng)絡(luò)的插入損耗曲線

圖15 X波段功分網(wǎng)絡(luò)S21相位曲線

圖16 X波段功分網(wǎng)絡(luò)輸出端口間相位差

另外,時(shí)鐘本振分配模塊3種不同工作頻率的功分網(wǎng)絡(luò)間的隔離度測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 3種功分網(wǎng)絡(luò)間的隔離度 單位:dB

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一款集成了P、S、X 3種工作頻率一分四功分網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘本振分配模塊,對(duì)不同頻率功分網(wǎng)絡(luò)的布局設(shè)計(jì)、隔離度的仿真分析、降低模塊輸入輸出駐波的方法、降低高頻功分網(wǎng)絡(luò)插入損耗和提高多路帶狀線形式功分網(wǎng)絡(luò)輸出端口間的幅相一致性方法做了詳細(xì)的介紹。通過(guò)實(shí)物加工、測(cè)試,驗(yàn)證了分析和仿真的正確性。該模塊已經(jīng)批量應(yīng)用在某型相控陣?yán)走_(dá)面陣中,工程應(yīng)用性強(qiáng),對(duì)類似模塊的研制提供一定的參考作用。