应用于复杂馈电系统的射频网络设计

薛玲珑，刘 宇，王 豪，孙 竹，刘卫平

(上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109)

应用于复杂馈电系统的射频网络设计

薛玲珑，刘 宇，王 豪，孙 竹，刘卫平

(上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109)

针对现代雷达系统多功能、高集成、小型化发展的需求，设计了一种应用于有源相控阵天线复杂馈线系统的射频网络。射频网络采用埋薄膜电阻实现隔离功能，与数字电路的一体化设计，提高系统的集成度、稳定性和可靠性。通过高频仿真软件Ansoft HFSS对射频网络建模仿真，射频网络电路与激励器控制电路一体化加工。测试结果表明，射频网络在5.0～5.8 GHz工作频带内良好匹配，VSWR≤1.3，带内传输特性一致性较好，端口起伏≤0.4 dB，与仿真结果对比很吻合。

射频网络；复杂馈线系统；集成设计

0 引言

复杂馈电系统[1]是指有源相控阵雷达[2]阵面中天线单元、T/R组件[3]、波控单元[4]、电源系统等模块之间传输、分配和合成多种信号(射频信号、波控数字信号、电源信号和光信号等)的网络总称，其基本结构由射频馈电网络和激励器控制电路等组成。在一般的馈电系统[5]中，各种网络结构上自成一体，各自分立，电缆、连接器等互联器件多，整个信号传输链路接口关系繁杂，传统的带状线功分器[6]安装时需要单独设计盒体，留出对外的射频接口，在大型相控阵系统[7]中一般需要多级功分网络级联，盒体数量惊人，这种馈电系统占据了有源相控阵天线系统较大的体积和重量。

近年来，有源相控阵天线发展迅速，越来越多地应用到机载SAR、星载SAR系统中，机载、星载系统对结构空间、重量的要求要远远高于地面雷达系统，对系统的集成度提出了越来越高的要求，使得复杂馈电系统的研制成为必然。随着复杂信号综合电路设计技术和多层印制板制造技术[8]等关键技术的发展，复杂馈电系统由研制转为实用成为可能，其将射频电路、数字电路和电源控制等多种信号一体化集成设计，简化了系统间互联，节省了装配空间，结构紧凑，具有高集成、小型化的显著优点。通过在馈电电路部分采用多层微带板电路来代替传统的单层微带板电路可以有效提高雷达系统的集成度、稳定性和可靠性。

本文设计了一种应用于星载电子侦察SAR复杂馈线系统的射频网络，其中射频网络由具有隔离功能的带状线功分器[9]和带状线耦合功分器组成。传统的带状线功分器安装时需要单独设计盒体，留出对外的射频接口，在大型相控阵系统中一般需要多级功分网络级联，盒体数量惊人，此外，还需使用射频接头，会引入插损，一致性也变差。与传统射频网络相比，集成度高，性能稳定，可靠性高，单机部套数量大大减小，射频网络部分可实现重量减少90%，更适合用于星载系统[10]。

1 复杂馈电系统设计

复杂馈线系统位于中心计算机与C波段双T/R组件之间，激励器控制是激励器的重要组成部分，主要为T/R组件提供各种控制信号；同时转送来自激励器电源板多路电源，一部分自用，另一部分提供给C波段双T/R组件；射频网络实现射频信号传输及功率合成、分配。复杂馈线系统的信息流图如图1所示。

图1 复杂馈线系统电路板信息流

该馈电系统采用多层印制电路形式，电路共12层，尺寸为330 mm×230 mm×3.6 mm，复杂馈电系统叠层图如图2所示。

图2 复杂馈电系统叠层

复杂馈线系统检测激励器电源板提供给C波段双T/R组件和双延时组件的+9 V、+5 V和-5 V电源；按照中心计算机(波控机)发送的组件地址码，接收中心计算机发送波控数据，转换成相应格式后，发送给对应C波段双T/R组件实现C波段双T/R组件接收通道和发射通道开关控制及射频信号衰减移相控制；接收中心计算机送来的接收选通信号和发射选通信号，按照该信号要求控制组件接收与发射支路切换；接收中心计算机功放电源的控制信号，转发给激励器电源板，实现对功放+9 V电源的开关控制；接收中心计算机送来的起步走信号，实现C波段双T/R组件波控码的同时更新；射频网络实现发射射频信号功率平均分配到8个T/R组件以及接收射频信号的功率合成和16路耦合监测信号的分配及合成，其中功率合成/分配器、耦合功分器均采用具有隔离功能的带状线结构；实现冷板温度检测；接收C波段双T/R组件功率检波信号，设置门限对其进行故障检测；通过RS-485口上传BIT信息和冷板温度信息。

2 射频网络设计

射频网络采用带状线形式，集中在第5～7层(中间层)，其中第6层为射频电路层，含1个由二功分器连接的2个八耦合功分器和2个一分8功分器，功分器均采用埋薄膜电阻[11]工艺实现隔离，工作频段为5.0～5.8 GHz，平面电路如图3所示。

图3 射频网络平面电路

第5层和第7层为射频地，射频出口分别在第1层(TOP层)和第11层(BOTTOM层)，为方便和TR组件实现盲插对接，射频网络传输端口全部从第11层引出，总口从第1层引出，接口形式为SMP。为获取更好的系统性能，功分器需要具有隔离功能，因为射频网络集成在多层板中间层，且上下均有数字电路走线，隔离电阻无法采用传统的焊接工艺，采用埋薄膜电阻的方法解决多层电路电阻焊接的问题。

射频功分电路的仿真电路图如图4所示。50 Ω射频信号走线到对位接口处因为穿层到顶层或底层，介质板的厚度的改变以及线型的改变，出口线宽也进行了相应的调整；采用埋薄膜电阻的工艺实现100 Ω隔离电阻，露出的薄膜(Ohmege-Ply金属薄膜电阻材料)电阻区域的尺寸为0.4 mm×0.8 mm；考虑电磁兼容性设计，频信号线两侧打上金属化盲孔将射频信号尽量限定在射频层。射频信号对外接口示意图如图5所示，通过金属化孔将射频信号引导到顶层电路。

图4 射频功分网络仿真电路

图5 射频信号对外接口示意

2.1 射频网络对外接口仿真设计

射频网络对外接口有八功分器的总口以及耦合功分器与天线单元的连接，八功分器的出口以及耦合功分器与TR组件连接处采用类似金手指的形式。

要实现射频网络在复杂馈电系统中的集成设计，金属化过孔的作用显著，通过金属化孔实现信号在不同平面过渡传输；同时，金属化盲孔可以将射频信号限定在特定的传输区间，改善电磁兼容特性。通过高频仿真软件Ansoft HFSS仿真计算可以看出，多层微带板电路的电性能不仅受制于平面电路部分，过孔设计的好坏对最终性能影响很大。这主要是因为用于各层之间过渡信号的金属化孔在电性能上可等效于同轴传输线模型，在同轴线中，除了主模TEM波外，还可能出现TE或TM波模，这是由传输线的不连续性所引起的[12]。为了保证垂直直通孔中只传输TEM波，必须满足

λmin>π(a+b)。

式中，λmin为最小工作波长；a和b分别为内、外导体半径。虽然同轴线本身具有宽频带特性，但随着频率提高，整个多层微带板电路性能要在特定的频率范围取得优异的性能，就必须对金属化过孔进行仿真计算，优化设计，尽量消除阻抗不连续性的影响。

以5.0～5.8GHz多层射频电路为例，对金属化过孔建模仿真，如图6所示。

(a) 斜视图

(b) 俯视图图6 背馈SMP接头仿真模型

图6(a)为斜视图，图6(b)为俯视图，垂直过孔半径为r1，第11层隔离半径为r2，除第11层外的各层地板上的隔离半径为r3，在近似半径为r0的圆周上分布9个屏蔽过孔，直径为0.25 mm。垂直互联设计与背馈SMP接头设计相似。信号传输过孔半径受上下传输线线宽的限制，取r1=0.45 mm，直径0.25 mm的通孔分布的半径r0作用类似同轴线外导体，r0取经验值3倍传输线线宽2.5 mm。隔离半径r2、r3对驻波的影响比较显著，经优化得到r2=1.5 mm，r3=2 mm时，带内驻波在1.15以下，最终仿真得到的驻波曲线如图7所示。

图7 对外接口驻波(VSWR)仿真结果

2.2 射频网络测试结果分析

根据图3平面布局联合激励器控制电路一体化出图加工一块试验板，对其中的射频网络的电气性能进行测试，总口的驻波测试曲线如图8所示，可以看到整个频带内的VSWR<1.3；各端口传输特性一致性测试曲线如图9所示，可以看到各端口一致性较好，整个带内起伏<0.4 dB。

图8 总口驻波测试曲线

图9 各端口传输特性一致性测试曲线

3 结束语

设计了一种适用于高集成小型化复杂馈电系统的射频网络，采用薄膜电阻实现隔离效果，各端口传输特性一致性好，最后实测结果验证了设计的有效性。一体化的设计大大减少单机部套数量，实现射频网络综合减重90%以上，该设计已应用于某星载电子侦察SAR系统中。

[1] 李迎林，高 铁.现代雷达复杂馈线系统设计与分析[C]∥2014年全国军事微波技术暨太赫兹技术学术会议论文集，2014：348-351.

[2] 张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京：电子工业出版社，2006.

[3] 吴礼群，孙再吉.T/R组件核心核心技术最新发展综述[J].中国电子科学研究院学报，2012，7(1):29-33.

[4] 程 丹，王长武.一种星载雷达T/R组件与波控单元连接设计[J].电子机械工程，2015，31(1):32-35.

[5] 张继浩，李丽娴，孙 竹.平面相控阵天线和差分布馈电网络设计[J].无线电工程，2015，45(1)：61-64.

[6] 林 鑫，胡俊毅，汤杭飞.一种双波束扫描相控阵接收网络设计[C]∥ 2014年全国军事微波技术暨太赫兹技术学术会议论文集，2014：348-351.

[7] 蒋庆全.有源相控阵雷达技术发展趋势[J].国防技术基础，2005(4)：9-11.

[8] 杨维生．微波器件高频多层板制造工艺研究[J]．印制电路信息，2015(3):174-183.

[9] 张文梁，丁春艳.多路宽带带状线功分器分配器设计分析[J].无线电工程，2012,42(7)：59-61.

[10] 周冠杰，赵玉洁.星载雷达结果设计的特点[J].电子机械工程，2008,24(2)：35-40.

[11] 赖涵琦， 彭勤卫.PTFE埋电阻多层印制板制造技术[J].印制电路信息，2010(S1):225-231.

[12] 张运传，李 佩，张德智.多层微带功分网络的设计[J].火控雷达技术，2009,38(2):63-67.

薛玲珑 女，(1985—)，硕士，工程师。主要研究方向：相控阵天馈线的设计。

孙 竹 男，(1982—)，博士，高级工程师。主要研究方向：天线馈线的设计。

Design of RF Network for Complex Feeding System Application

XUE Ling-long,LIU Yu,WANG Hao,SUN Zhu,LIU Wei-ping

(ShanghaiAerospaceElectronicsandCommunicationEquipmentResearchInstitute,Shanghai201109,China)

An integrated RF network module is proposed for the modern active phased array to meet the multi-function and compact requirements.The RF network is integrated with the digital circuit to increase the system reliability and stability.The embedded membrane resistance is employed to realize the isolation in the RF network.The integrated RF network and PCB boards are fabricated.TheVSWR≤1.3 and ripple factor≤0.4 dB at port are measured over the required bandwidth,which agree well with the calculated results.

RF network;complex feeding system;integrative design

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.18

薛玲珑,刘 宇,王 豪,等.应用于复杂馈电系统的射频网络设计[J].无线电工程,2017,47(5):75-78.[XUE Linglong,LIU Yu,WANG Hao,et al.Design of RF Network for Complex Feeding System Application[J].Radio Engineering,2017,47(5):75-78.]

2017-02-27

TN015

A

1003-3106(2017)05-0075-04