一种基于人工传输线的Ku频段延时线

刘俭成

（中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北省石家庄市 050081）

延时线是一种常用的微波器件，大量应用于各种通信系统、雷达系统以及相控阵天线系统[1-4]。由于延时线通常具有宽带特性，且可避免孔径渡越效应，在宽带场景中的应用非常普遍，因此也得到了学术界和工业界的广泛关注和研究。目前，实现时延器的方式主要包括附加传输线、光纤、声表、微波单片等[5-6]。其中，附加传输线即在结构中引入额外的传输线，通过传输线本身的物理时延实现延时功能，这一方式使用最为普遍，传输线可有同轴线、带状线、微带线等多种选择，然而附加传输线通常占有较大的体积，不便于在阵列系统中集成。光纤延时线的原理是通过光电转换将电信号转换为光信号，通过光纤时延后再转换为电信号。声表延时线则是将电信号转换为机械能，经过处理后再将机械能转换为电信号。光纤、声表时延器通常较为昂贵，主要用于大时延量的场合。微波单片时延器的尺寸非常紧凑，并且可以在单芯片的面积上实现多位数控时延，使用非常灵活，但对于固定时延需求，经济性较差。

为此，本文所提出一种基于人工传输线结构的微带延时线，该延时线设计方便、加工成本低，不占用额外的电路面积，且在整个Ku 频段具有较好的射频特性和时延平坦度，在小型化和低成本方面具备明显优势。

1 微波传输线特性分析

在微波频段，传输线的分布参数效应已不能忽略，为此在研究微波传输线的主要性能参数时，通常会使用图1 所示的增量模型。

图1 截取了长度为Δz 的一小段微波传输线，当Δz 足够小时，可以认为其相应的串联电阻、电感和并联电导、单容均与Δz 成正比。相应的，微波传输线特性阻抗Z0可由（1）式计算，而复传播常数λ 则可由（2）式进行计算。

图1：微波传输线微分模型

在（1）式和（2）式中，角频率ω=2πf，当工作频率f 足够高时，以上两式可简化为（3）式和（4）式。在（4）式中，β 为传输线传播常数的虚部，也即通常所说的相位常数。

由（3）式可看出，Z0只和传输线单位长度电感L 与单位长度电容C 的比值有关。微波电路一般采用50 Oh 阻抗系统，因此L与C 的比值为定值，即2500。由（4）式可看出，β2与单位长度电感L、单位长度电容C 均成正比，结合（3）式，若成比例增加L和C，即可在不改变传输线特性阻抗的前提下提高相位常数β，在相同长度的传输线上提供更大的时延量，从而实现延时线的功能。然而，传输线单位长度电感L 与单位长度电容C 通常受限于传输线材质的相对介电常数和相对介磁常数，难以通过设计过程改变。

2 人工传输线分析

忽略图1 中的电阻和电感，并将增量模型器件替换为理想分立器件，则可得到图2 所示理想微波传输线电路模型。

图2：理想微波传输线电路模型

在图2 中，令L0与C0的比值为2500，则其同样具有50 Ohm的特性阻抗。当频率较低时，小封装集总器件（0603、0402）的物理尺寸可以忽略，寄生参数也较小，图2 所示电路模型可应用于实际电路的搭建，这是一种典型的人工微波传输线。然而当频率较高时，集总器件的分布参数效应以及封装、焊接引入的寄生参数效应都非常显著，使用集总器件搭建人工传输线在工程上不再可行。

由微波理论可知，一小截微波传输线可因其特性阻抗的高低呈现出电感或电容的特性，为此可使用短截高、低阻抗传输线构建人工微波传输线。当短截线的阻抗远高于或远低于Z0时，可分别用（5）式和（6）式估算其对应的电感或电容值。其中，Zh和Zl分别为高阻线和低阻线的特性阻抗，β 为前述相位常数，而l 则为短截线的物理长度。

3 建模与仿真

微带线是一种准TEM 模平面微波传输线，因其低廉的成本和强大的集成能力得到了广泛研究和使用。不失一般性，选用睿龙科技公司出品的10mil 厚RS300B 板材进行微带传输线建模仿真，其相对介电常数为2.94，损耗角正切为0.001。使用ANSYS HFSS 三维全波仿真软件针对该板材进行阻抗和有效介电常数分析，所得到的结果如图3 所示。其中，图3(a)为微带线特性阻抗Z0随微带线宽度w0变化的曲线，图3(b)为有效介电常数εeff随w0变化的曲线。

图3：微带线特性参数仿真结果

可以看出，当微带线的宽度w0从0.2mm 到1mm 之间变化时，Z0的变化范围大概是84 Ohm-34 Ohm，而εeff的变化则是2.11-2.39，若以50 Ohm 传输线作为参考，则整个w0变化区间内，εeff的变化幅度不超过±7%。以50 Ohm 阻抗进行核算，18GHz 频率的线上波长约为11.1mm，为此选用总长度为1mm 的高低阻抗人工传输线结构，其电长度小于1/10 波长。所提出的结构如图4 所示。

图4：人工传输线结构

在以上结构中，结构重复周期Lp取1mm，并采用10 个单元结构级联而成。其中，高低阻抗短截线的长度LH和LL均为0.5mm，阻抗分别为84 Ohm 和36 Ohm 左右。按照以上参数在ANSYS HFSS 软件中进行建模、仿真，得到图5 所示结果。在仿真中，两侧端口均去嵌入至传输线的中心点，因此所得到的仿真结果可认为是人工传输线与相同长度的普通微带线相比所得到的增量。其中，图5(a)为该结构的回波损耗曲线，图5(b)为该结构的插入损耗曲线，图5(c)为该结构带来的附加相移曲线，图5(d)为附加群时延曲线。

图5：人工传输线结构仿真曲线

可以看出，该结构在整个Ku 频段内展示出较好的回波特性，具有明显的线性附加相移和较为平坦的群时延曲线。该结构在约10mm 的径向尺寸内提供了大约11.25ps 的附加时延，相当于引入了额外的约2.2mm 长的50 Ohm 微带线。带内群时延波动小于0.5ps，群时延波动相对值小于5%。

4 结论

本文基于人工传输线思想提出了一种由高、低阻抗短截线周期结构构成的延时线，通过传输线等效电路模型对该结构的特性进行了分析，并使用ANSYS HFSS 三维全波仿真软件对一个由微带线构成的实例进行了建模和仿真。分析和仿真结果表明，所提出的延时线在12GHz-18GHz 内可提供1ps/mm 以上的附加时延，群时延波动相对值小于5%，通带内回波损耗优于20dB，插入损耗优于0.025dB/mm。该结构基于普通PCB 实现，具有低廉的成本和紧凑的结构，且易于与各种无源、有源器件集成，具有较好的工程实用性。微带线是一种准TEM 传输线，在较宽的品带内依然会展现出客观的色散特性，该结构应用于带状线时，有望获得更好的性能。