基于微波多層印制技術(shù)的陣列饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜海玲,李曉明,余 賢

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

相控陣的集成陣列結(jié)構(gòu)有2種，即磚塊式結(jié)構(gòu)和瓦片式結(jié)構(gòu)[1]。與磚塊式相控陣相比，瓦片式陣列結(jié)構(gòu)大幅度縮減了縱向尺寸，從而降低了體積和成本，具有輕型、易共形及易集成等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，并得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注[2-5]。微波多層印制技術(shù)基于成熟PCB工藝，具有可靠的環(huán)境適應(yīng)性、優(yōu)良的接口兼容性、良好的自封裝特性、相對低廉的成本以及超大尺寸電路的加工能力，已經(jīng)引起國內(nèi)外廣泛重視[6-13]。瓦片式相控陣結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，需要高密度的平面射頻信號互聯(lián)，而這正是微波多層印制技術(shù)的一項(xiàng)主要特點(diǎn)。為此，基于微波多層印制技術(shù)的饋電功分網(wǎng)絡(luò)成為瓦片式相控陣的一種重要實(shí)現(xiàn)形式[2-5]。

微波多層饋電功分網(wǎng)絡(luò)不僅可用于多路信號的分配與合成，還具備為各路TR組件提供電源及控制的功能，其性能對整個相控陣系統(tǒng)的指標(biāo)有重要影響。鑒于多層印制板表面面積的稀缺性，將微波功分網(wǎng)絡(luò)內(nèi)埋是合乎邏輯的選擇[4]，而對內(nèi)埋功分網(wǎng)絡(luò)(功分器)的研究，也成為整個微波多層印制技術(shù)的一個研究熱點(diǎn)[13-18]。功分網(wǎng)絡(luò)通常由一系列分路器級聯(lián)而成，而一分二等分功分器則是最常見的基本單元。與單元功分器相比，功分網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)必須考慮網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)帶來的回波損耗、平坦度惡化以及不確定性累積造成的路間一致性問題，而這些問題的改善，往往需要結(jié)合工藝能力進(jìn)行整體性考量。與此同時，由于功分網(wǎng)絡(luò)的的內(nèi)埋特性，后期的調(diào)試將變得極為困難甚至完全不可行，在總體設(shè)計(jì)中必須事先考慮這些因素。本文根據(jù)相控陣的實(shí)際需求和微波多層印制技術(shù)的工藝特點(diǎn)，對微波多層收發(fā)一體式饋電功分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究和試驗(yàn)。

1 總體設(shè)計(jì)

為配合收、發(fā)一體瓦片式4×4相控子陣研制，需設(shè)計(jì)2套內(nèi)埋16分路功分網(wǎng)絡(luò)。為保證收、發(fā)信號的實(shí)時雙工工作，應(yīng)在2套功分網(wǎng)絡(luò)間提供足夠高的隔離度，為此考慮將2套功分網(wǎng)絡(luò)分別埋置于獨(dú)立的電路層。

1.1 材料系統(tǒng)

印制板基材的選取主要考慮3方面因素：① 適合微波信號的傳輸，包括低介質(zhì)、導(dǎo)體損耗、低頻率色散、批次一致性和埋阻需求等；② 適于多層印制板加工，包括低z軸熱膨脹系數(shù)，以及一定的機(jī)械強(qiáng)度等；③ 成本，包括材料成本及加工成本等。除此之外，較低的相對介電常數(shù)也往往成為材料選取的考量因素，盡管低介電常數(shù)會帶來更大的電路面積，但會使相同阻抗的傳輸線具有更寬的尺寸，從而降低加工難度。

綜合考慮，印制板的微波部分選擇Arlon公司的CLTE-XT芯板及25N半固化片組合；控制及電源部分使用FR4材料。其中，微波基材的基本參數(shù)如表1所示。CLTE-XT具有較低的損耗角正切，非常低的z軸熱膨脹系數(shù)，較低的相對介電常數(shù)，同時還具備埋阻能力，適于內(nèi)埋功分網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)；25N除具有較低的損耗和較低的熱膨脹系數(shù)外，與CLTE-XT的材料匹配性較好，適于用作粘結(jié)微波芯板的半固化片；FR4具有很好的兼容性和低廉的成本，用于控制網(wǎng)絡(luò)和電源的布設(shè)，可有效降低成本。

表1 選用微波多層材料部分參數(shù)

1.2 功分網(wǎng)絡(luò)布局

收、發(fā)網(wǎng)絡(luò)均為16路，工作頻段為4.4～5 GHz，使用四級單元二分路器級聯(lián)而成，如圖1所示。

圖1 16路功分網(wǎng)絡(luò)布局示意圖

其中，單元二分路器采用一階Wilkinson(威爾金森)形式實(shí)現(xiàn)，以提供必要的通道間隔離。為降低電路的優(yōu)化成本，圖1中還使用了固定的四分路器亞結(jié)構(gòu)，如虛線框所示。

由于Wilkinson功分器具有較寬的工作帶寬，收、發(fā)網(wǎng)絡(luò)可以使用相同的分路器單元，這進(jìn)一步降低了研制成本。

圖2 板層分布設(shè)計(jì)

1.3 板層設(shè)計(jì)

在給定材料下，較厚的板材可帶來更寬的帶條寬度，從而實(shí)現(xiàn)更好的阻抗控制精度。然而擬設(shè)計(jì)的內(nèi)埋功分網(wǎng)絡(luò)須占據(jù)2個獨(dú)立的微波電路層，再加上頂層、底層2個器件安裝層和內(nèi)埋的控制、電源層，印制板總厚度的控制面臨較大壓力。綜合考慮，選用0.254 mm厚的芯板材料和0.1 mm厚的半固化片，預(yù)期的板層分布如圖2所示。圖中，為改善印制板的可制造性和可靠性，同時也為了減少盲孔的種類，采用了頂面和底面雙面射頻板對稱排布方案。

2 內(nèi)埋二分路器設(shè)計(jì)

綜上所述，內(nèi)埋二分路器是構(gòu)成收、發(fā)功分網(wǎng)絡(luò)的基本單元，其性能對收發(fā)網(wǎng)絡(luò)乃至相控陣系統(tǒng)的指標(biāo)至關(guān)重要，為此結(jié)合微波多層印制技術(shù)的工藝特點(diǎn)，對內(nèi)埋二分路器進(jìn)行了詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)。

2.1 內(nèi)埋傳輸線特性分析與設(shè)計(jì)

傳輸線是構(gòu)成Wilkinson功分器的基本元素。典型的微波多層內(nèi)埋傳輸線類似于帶狀線，但由于半固化片的存在，不能以純TEM模式進(jìn)行能量傳輸，也不能直接套用帶狀線公式計(jì)算，須獨(dú)立建模分析。相控陣系統(tǒng)對多路信號的幅相一致性要求很高，而內(nèi)埋器件的多路一致性又很難通過調(diào)試“事后”彌補(bǔ)，為此在設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡量降低其特性參數(shù)的離散性。典型內(nèi)埋傳輸線如圖3所示。

圖3 內(nèi)埋傳輸線示意圖

如圖3所示，在給定材料的前提下，內(nèi)埋傳輸線的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括微波芯板的厚度h、半固化片厚度h1以及帶條的寬度w0。由于半固化片在加工過程中具有一定的流動性，實(shí)際成型尺寸有一定波動，以0.1 mm厚25N型半固化片為例，加工后的尺寸可能在70 ～90 μm之間。為降低這一現(xiàn)象造成的傳輸線特性參數(shù)漂移，應(yīng)選擇較薄的半固化片和較厚的芯板，取h=0.254 mm，h1=0.1 mm。以此參數(shù)在HFSS仿真軟件中進(jìn)行建模，并以w0為掃描參數(shù)，對傳輸線特性阻抗和等效介電常數(shù)進(jìn)行求解(其中半固化片的厚度取h1=80 μm)，所得到的結(jié)果如圖4所示。

圖4 內(nèi)埋傳輸線傳輸特性曲線

在圖4可以看出，對應(yīng)于50 Ω的傳輸線線寬w0_50=0.34 mm，相應(yīng)有效介電常數(shù)εeff_50=3.04；而對應(yīng)于70.7 Ω的傳輸線線寬w0_70.7=0.16 mm，相應(yīng)等效介電常數(shù)εeff_70.7=3.07。

2.2 內(nèi)埋直彎角特性分析

除內(nèi)埋傳輸線外，傳輸線直彎角也是構(gòu)成分路器的基本單元，為降低寄生參數(shù)造成的電路性能惡化，往往需要進(jìn)行彎角斜切。最佳的彎角斜切結(jié)構(gòu)和仿真如圖5和圖6所示，對微帶線而言，可按照1.8×w的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行斜切，如圖5所示。對于內(nèi)埋傳輸線，由于缺乏可供參考的斜切參數(shù)，須借助三維全波仿真軟件進(jìn)行斜切補(bǔ)償。50 Ω直彎角的仿真曲線如圖6所示，可以看出，在所關(guān)注頻帶內(nèi)最優(yōu)的斜切參數(shù)為Cut=0.43 mm。

圖5 微帶線斜切尺寸及最佳斜切結(jié)構(gòu)

圖6 內(nèi)埋傳輸線斜切性能仿真曲線

2.3 二等分功分器設(shè)計(jì)

使用內(nèi)埋傳輸線構(gòu)建的分布參數(shù)器件與傳統(tǒng)微帶結(jié)構(gòu)或帶狀線結(jié)構(gòu)器件基本一致，只是涉及的傳輸線參數(shù)有所區(qū)別，內(nèi)埋傳輸線的基本特性參數(shù)和彎角特性已在前文進(jìn)行分析。擬研制的功分器布局及尺寸說明如圖7所示。其中，輸入輸出阻抗皆為50 Ω；阻抗變換臂的阻抗取70.7 Ω，長度為中心頻率下的1/4波長。在該模型中，以傳輸線截面的中點(diǎn)為相位參考點(diǎn)，可得出阻抗變換臂的長度larm為：

(1)

圖7 二等分功分器電路布局及尺寸說明

按式(1)即可在給定限制條件下，綜合出單元功分器的尺寸。對于70.7 Ω傳輸線而言，90°(頻率在4.7 GHz)電長度對應(yīng)的物理長度larm=9.1 mm。令l1=0.6 mm，lr=0.8 mm，Cut0=0.23 mm，由2.2節(jié)知Cut1=0.43 mm，由式(1)計(jì)算出l0=8.96 mm。使用該尺寸進(jìn)行全波仿真，模型及仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 單元二分路器仿真模型及結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 測試環(huán)境

所研制的收、發(fā)一體功分網(wǎng)絡(luò)集成于雙4×4相控子陣母板之內(nèi)，整個母版的尺寸僅為120 mm×120 mm×3 mm。使用Agilent PNA-X(N5242A)型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及Agilent 85052D型校準(zhǔn)件搭建測試平臺，并利用該測試平臺對收、發(fā)功分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了測試，測試時空余端口全部接50 Ω匹配負(fù)載。

圖9(a)為測試平臺照片，圖9(b)為有代表性的測試曲線。

圖9 功分網(wǎng)絡(luò)測試平臺

3.2 測試結(jié)果

對收、發(fā)功分網(wǎng)絡(luò)各16條通路傳輸特性和回波特性的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，得到以下結(jié)果：

① 傳輸路徑損耗：≤15 dB(其中含功分損耗12 dB)；

② 輸入、輸出回波損耗：≥12 dB；

③ 傳輸損耗平坦度： ≤0.5 dB(峰-峰)；

④ 同網(wǎng)絡(luò)內(nèi)輸出端口隔離(收-收或發(fā)-發(fā))：

≥25 dB；

⑤ 收發(fā)網(wǎng)絡(luò)隔離(輸出-輸出端口)：≥60 dB；

⑥ 傳輸路徑損耗路間不一致性：≤0.3 dB；

⑦ 傳輸相位一致性：優(yōu)于±6°。

傳輸路徑損耗和相位測試結(jié)果如表2所示。

表2 功分網(wǎng)絡(luò)路間一致性測試結(jié)果

3.3 數(shù)據(jù)一致性分析

上節(jié)所列的各項(xiàng)測試結(jié)果性能良好，符合相控陣系統(tǒng)的指標(biāo)要求。然而為了提供盡可能高的路間一致性，對測試數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析。表2的數(shù)據(jù)可表征不同通路傳輸特性的離散性，但未考慮其與位置信息的相關(guān)性。為此，將表2中一維的通道編號映射為二維坐標(biāo)，以表征通道輸出端口在印制板上的實(shí)際位置，如：1-(1,1)；2-(1,2)；5-(2,1)；11-(3,3)等。同時，將不同通路的相對相移對頻率加權(quán)平均，并將此值與前述位置信息的關(guān)系繪于圖10。

圖10 相對相移與通道位置關(guān)系

可以看出，盡管相位隨頻率的變化有一定隨機(jī)性，但收、發(fā)網(wǎng)絡(luò)處于同一位置的相移差卻展現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，隨機(jī)相位誤差也出現(xiàn)了與位置相關(guān)的特點(diǎn)。為此初步推斷，微波板材是否存在不均勻性或加工不均勻性，可能會造成路間相移差。

經(jīng)過了解和分析，所選用的微波板材批次一致性良好，基本不會造成上述量級的相移離散度，因此問題聚焦于板材的加工壓合均勻性上，鑒于所選用的微波板材和半固化片的相對介電常數(shù)相差較大(分別為2.94和3.38)，加工造成的半固化片不均勻性有可能造成不同位置通路的相移差。

為此，針對不同厚度半固化片的內(nèi)埋傳輸線進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖10所示。對工藝進(jìn)行分析得知，成品印制板半固化片厚度應(yīng)在70～90 μm之間，從圖11(a)和圖11(b)可看出等效介電常數(shù)差值約0.02，該介電常數(shù)差值帶來的相對誤差大約是0.7%，根據(jù)介電常數(shù)與相位的關(guān)系進(jìn)行泰勒級數(shù)展開，得到介電常數(shù)差值帶來的相位誤差比例約為0.35%。由于所研制功分網(wǎng)絡(luò)的單向路徑長度約為4λ，因而由此帶來的相位誤差約5°。通過工藝控制或更換與板材介電常數(shù)更接近半固化片，有望達(dá)到相位更精準(zhǔn)的內(nèi)埋功分網(wǎng)絡(luò)。

圖11 半固化片厚度與等效介電常數(shù)的關(guān)系

4 結(jié)束語

基于微波多層印制技術(shù)的收、發(fā)一體內(nèi)埋功分網(wǎng)絡(luò)具有非常緊湊的尺寸，尤其是在印制板的厚度方向，其尺寸與傳統(tǒng)方案相比可忽略不計(jì)。與此同時，這種收發(fā)網(wǎng)絡(luò)還具有良好的電路性能和路間一致性，非常適于瓦片式相控陣系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。由對饋電一致性的分析得出，通過工藝控制或使用其他型號的半固化片，可達(dá)到更高的一致性。