一种基于薄膜工艺的宽带延时线∗

彭珍妮,顾海光

(1.南京航空航天大学无人机院,江苏南京210016;2.南京熊猫爱立信通信有限公司,江苏南京211100)

0 引言

宽带相控阵天线中,天线扫描波束指向因孔径效应会随工作频率的变化发生漂移。为了改善天线的频率响应,需对指向漂移进行校正。目前,通常采用在天线链路中接入可调实时延时线的方法校正上述扫描波束指向偏移问题。

各种传输线结构的延时线,通过传播电磁波而延时电磁波,从而可以直接用来作为延时线应用。这类传输线具有工作带宽宽、结构简单的优点。目前工程上应用较多的有电缆延时线,虽然延时带宽宽、损耗低,但有体积大、重量重的缺点,对于一些对器件重量要求苛刻的环境,很难适用[1]。

1 蛇形延时线设计

随着仿真研究和工艺生产的进步,左手延时线和蛇形线理论不断发展,具有了一定的工程实用价值[2]。在X频段应用这两种传输线进行延时器设计,传输线的线间耦合非常敏感,稍有变化就会影响最终的结果。在陶瓷板上进行薄膜工艺加工能够获得很高的精度,可广泛应用于对加工精度要求极高的场合。文中所涉及的延时线尺寸精细,载板为0.25 mm厚氧化铝陶瓷基板,加工要求高。利用左手材料制作的延时线可以在重量和尺寸上得到改善,如图1所示。左手传输线具有陡峭的相位随频率变化曲线,因此左手传输线在大时延设计时可以用很小的尺寸完成。图2所示的5位左手延时器尺寸只有34 mm×12 mm。

图1 1位100 ps左手延时器

图2 5位左手延时器板图

但是左手延时线模型参数提取复杂,寄生电阻寄生电容随频率变化明显,使得左手延时线带宽比较窄[3]。

利用蛇形线(如图3)理论也可以大幅度降低传输线型延时器的尺寸[4]。

图3 1位100 ps蛇形延时器

对于蛇形线性能有关键影响的是其纵向的长度和横向的线间距,关键是微带线间隙和直角弯头部位的匹配,基于等效电路的分析和仿真来优化设计[5-6],可以最大程度上缩小蛇形线的尺寸。图4是200 ps蛇形延时线的线间距为0.1 mm时的仿真结果,图5是线间距为0.24 mm的仿真结果。通常认为,降低耦合影响的方式是增加线间距,但是间距太宽会大大增加延时线的尺寸,找到一个合适的间距非常重要,在这里0.1 mm间距的结果要明显优于0.24 mm间距。可见,只要设计合理,完全可以在减小蛇形线尺寸的同时,保证射频性能和宽频段内的延时平坦度。

图4 蛇形线间隙0.1 mm时射频性能指标

图5 蛇形线间隙0.24 mm时射频性能指标

图6是1600 ps蛇形延时线,由测试结果可知在9～10 GHz,延时平坦度在100 ps内,损耗小于6 dB,驻波小于2。

对延时线而言,延时越长越难设计。长度越长,折弯越多,对其驻波和损耗的影响越明显,随着频率的提高,甚至会出现低通滤波器的效果,造成射频信号全反射、无法传输。而通过减少转角和增大间隙虽然降低了微带线的不均匀性,减小了线间耦合改善了损耗和驻波,但是延时线的尺寸明显增大,这种优化方法不可取。

图6 1600 ps蛇形延时线及其测试结果

延时线的端口阻抗为50Ω时达到匹配状态,这时驻波最小,损耗最低。但是因为线间耦合的影响,改变了端口的等效阻抗,这时理论上的50Ω微带线的线宽反而不能满足要求,需要通过阻抗变换达到端口的阻抗匹配。

2 蛇形延时线的优化

图6中的延时线在10.5 GHz以后出现了严重的谐振。而对将其工作带宽扩展到8～12 GHz的新需求,需要进一步优化设计[5]。

(1)考虑延时线与开关的射频输出、输入的位置,重点对蛇形线的波端口进行优化,如图7所示。特别是对波端口宽度的优化,改善了阻抗匹配,效果明显。

图7 波端口优化示意、比较图

(2)拟采用几个小延时段串联成大延时段的方法,利用4段400 ps蛇形延时线串联成一段1 600 ps延时段,如图8所示,略微扩大板图尺寸,有效地拓展了工作带宽,避免了强谐振。

1600 ps蛇形延时线印制板图和实测结果如图8所示。可见,优化过的蛇形线10 GHz以内损耗小于5.5 d B,驻波小于1.2,有明显改善,并有效解决了10.5 GHz以后的谐振问题。

图8 优化后1600 ps蛇形线印制板图和测试结果

采用上述优化方法改善过的5位延时线板图如图9所示,经过布局,其尺寸为21 mm×19 mm,同样具有尺寸小的优势。8～12 GHz的延时范围在2 600～3 600 ps,对于边带延时精度要求高的场合,可通过小延时位对大延时位进行补偿来满足实际工程需要[2]。

3 结束语

实际工程应用中对于延时线的工作带宽的要求随着宽带雷达和超宽带雷达技术的发展也越来越宽。本文提出的蛇形线延时器具有良好的宽带特性,在波束指向偏移的校正中通过高位加低位延时器的组合应用,可适用于8～12 GHz的宽带应用。

图9 5位蛇形延时线板图

[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]韦春海,金谋平,何诚.宽带相控阵天线延迟线分析[J].雷达科学与技术,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.