一种T/R组件的温度自补偿电路设计

张 哲 黄 进

(1. 西安电子工程研究所 西安 710100;2. 西安电子科技大学 西安 710071)

0 引言

随着电子信息技术发展的日新月异,有源相控阵天线已广泛应用于卫星通信、导弹制导、电子对抗、气象监测等领域[1-3]。T/R组件作为有源相控阵天线的核心电路模块,其电性能的稳定是保障天线性能的前提。但是,组件在服役过程中存在热电耦合效应。其产生的热量会改变天线系统的温度场,导致有源芯片的特性发生温漂,最终使组件性能恶化,限制了天线性能的发挥。随着有源相控阵继续朝着高频段、高集成度的方向发展,热电耦合问题日益凸显。

在关于天线电性能的温度补偿研究方面,目前的方法大致可分为两类。一是采用风冷、微流道液冷等散热结构方式[4],降低系统的工作温升,减少热电耦合效应;二是采用电补偿的方式[5],通过实时监测阵面温度,根据补偿算法,调整组件传输的幅值和相位。由于相控阵普遍采用数字芯片来调整组件的幅值和相位,存在量化误差,导致主动温度补偿精度受限。

针对有源相控阵的温度补偿问题,本文提出了一种T/R组件温度自补偿电路设计方法。利用介质板的热介电常数系数的特性,实现组件传输相位的自动温度补偿,克服了数字芯片的量化误差导致的主动温度补偿精度受限的缺陷。此外,研制了一种温度自补偿电路模块,验证了本文自补偿方法的有效性。

1 温度自补偿电路方法

1.1 温度自补偿电路原理

根据电磁场理论,电磁波的相速度可表示为[6]

(1)

其中:ε、μ分别为介质的介电常数、磁导率;εr、μr分别为介质的相对介电常数、相对磁导率;c为光速。

由式(1)可以看出,当介质的介电常数增大时,电磁波传输速度减小,即传输速度滞后;介电常数减小时,电磁波传输速度增大,即传输速度超前。而不同的介质材料,在一定的温度范围内,其介电常数的相对平均变化率不一样,即介电常数热温度系数不一样,其定义为

(2)

其中:TKε为介电常数的相对变化率;t0为原始温度,一般为室温;t为改变后的温度;ε0、εt分别为介质在t0、t时的介电常数。

根据工程经验,一般来说,随着温度升高,T/R组件的传输相位会减小。而温度自补偿电路就是利用介质板的介电常数随温度变化的特性。当温度升高时,不同的介质板,若其TKε为正,介电常数增大,传输相位会减小;若其TKε为负,则介电常数减小,传输相位会增大。

如图1所示,假设温度自补偿电路与T/R组件一直保持在同一环境温度下,当环境温度变化ΔT时,T/R组件的传输相位变化ΔD1。将温度自补偿电路与T/R组件级联,若补偿电路传输相位变化为式(3)所示。

图1 温度自补偿原理示意图

ΔD2=(-ΔD1)

(3)

则该T/R组件总的传输相位变化大约为

ΔD=ΔD1+ΔD2=0

(4)

从而实现组件电性能的自动温度补偿,保证相控阵天线在实际工况下的性能稳定。

1.2 补偿电路介质板介绍

不同介质板的介电常数随温度变化的规律并不相同,而TKε的大小将影响到电路传输线传输相位的温漂特性。针对T/R组件的温漂特性,应选用TKε为负值且绝对值较大的介质板。本文设计分析中,温度自补偿电路的介质板选用罗杰斯的RT/duroid 6010板材,如图2所示。

图2 罗杰斯RT/duroid 6010板材

罗杰斯RT/duroid 6010板材是一种陶瓷填充的聚四氟乙烯复合材料,是为需要高介电常数的电子电路和微波电路设计的,广泛应用于卫星通信、雷达预警等领域。常温下,其εr为10.2,损耗角正切为0.0023。在-50℃～170℃范围内,其介电常数热温度系数TKε为-425ppm/℃。按照式(2)计算,温度每升高1℃,介电常数减小0.004。

1.3 电路传输结构对温度补偿效果的影响

电磁波在传输线中的传输速度取决于电路结构的传输特性。本节主要分析了传输线类型、传输线长度对介质板传输相位温漂特性的影响。

1)传输线类型的影响

常见的传输线结构有微带线、共面波导、接地共面波导、带状线等,如图3所示。

图3 传输线类型

以这四种传输线类型为分析对象,仿真模型中心频率均为10GHz,传输线长度为λ,并设置RT/duroid 6010介质板的相对介电常数εr为参数化变量,通过改变介电常数εr,来模拟介质板温度的变化。介电常数的变化范围设置为[9.96,10.36],即介质板温度变化范围为-20℃～80℃。仿真结果如图4所示。

图4 不同温度下传输线S参数变化

由上述分析结果可以看出,在介质板不同温度下,带状线、微带线对传输相位的影响较大,且近似于线性变化;而共面波导和接地共面波导对传输相位的影响相对较小,且为非线性变化。此外,不同温度下,微带线、带状线S11谐振频率发生偏移,S21幅值几乎无变化,但由于传输线工作带宽较宽,在9～11GHz范围内,其回波损耗均在-20dB以下,温度对传输线的驻波比几乎没有影响。因此,微带线、带状线适用于T/R组件传输相位的温度自补偿。

2)传输线长度的影响

以10GHz微带线和带状线为分析对象,仿真分析了长度分别为λ/4、λ/2、λ、2λ的传输线对RT/duroid 6010介质板不同温度下传输相位的影响。仿真结果如图5所示。

图5 不同长度传输线的仿真结果

在-20℃～80℃温度变化范围内,由图5(a)可以看出,长度分别为λ/4、λ/2、λ、2λ的微带线,其传输相位变化量依次为4.46°、10.16°、18.7°、37.1°;由图5(b)可以看出,长度分别为λ/4、λ/2、λ、2λ的带状线,其传输相位变化量依次为5.6°、11.77°、23.3°、47.08°。在RT/duroid 6010介质板不同温度下,微带线、带状线的传输相位变化量随着传输线线长的增大而增大,且近似为线性关系。其中,带状线的变化量要大于微带线的变化量。在实际工程应用中,不同收发链路组成,其不同温度下的传输相位变化特性并不一样。根据上述电路传输结构对温度补偿效果影响的分析,可选择合适的传输线及其长度,用来设计不同补偿效果的温度自补偿电路,以适配不同链路的相位变化特性。

2 温度自补偿电路设计

2.1 设计方案

温度补偿电路模块采用单独设计的方式,它与T/R组件是相互独立的模块,如图6所示为4个温度补偿电路模块与四通道T/R组件的装配示意图,通过射频接头,将其与T/R组件、天线阵面装配。自补偿电路置于组件与天线之间,由于其插损,会引起发射输出功率减小及接收噪声系数变大。为了满足对组件性能的指标要求,可以在考虑自补偿电路插损影响的基础上,选择合适的发射末级功放、接收低噪放芯片。

图6 温度补偿电路模块与组件级联示意图

由第一节的分析可得,温度自补偿电路的补偿原理是利用介质板介电常数在不同温度下的变化,从而改变电路传输相位。因此,为了补偿电路传输相位的温漂,应调节温度补偿电路介质板的温度。本文对补偿电路模块温度的调节采用热传导的方式,利用T/R组件工作时自身散发的大量热量,通过金属射频接头、补偿电路模块金属外壳的导热作用,调节模块内部补偿电路介质板的温度,改变补偿电路的传输相位,从而补偿T/R组件链路的性能温漂。根据图6所示的X波段天线阵面、T/R组件、射频接头结构、以及组件链路性能的温漂特性,初步确定温度补偿电路模块的结构尺寸为14mm×14mm×10mm,总传输线长度暂定为30mm,对应10GHz的一个波长。

2.2 仿真分析

温度自补偿电路的电磁仿真模型如图7所示,其工作中心频率为10GHz。

图7 温度自补偿电路的电磁仿真模型

为了方便加工及测试,该补偿电路的输入、输出采用同轴射频接头。此外,考虑到电路温度补偿的效果跟传输线长度有关,因此,使用了垂直互联的传输方式,并适当增加带状传输线的拐角,以延长传输线长度。不含射频接头,该电路板整体尺寸为7.5mm×10mm×1.089mm,电路板叠层结构及各层PCB材料如图8所示,其中RO4450是用来作为粘结材料的。

图8 电路叠层结构示意图

设置RT/duroid 6010介质板的相对介电常数εr为参数化变量,其变化范围设置为εr∈[9.96,10.36],即介质板温度变化范围为-20℃～80℃。不同温度下,该温度自补偿电路的S参数仿真结果如图9所示。

图9 补偿电路S21仿真结果

之后,将该温度自补偿电路不同温度下的S参数数据导出为snp文件,与T/R组件发射通道中芯片的高低温snp数据文件、通道中各节传输线snp数据文件进行级联仿真,仿真模型如图10所示;分析不同温度下整个射频链路传输相位的变化情况如图11所示。

图10 链路级联仿真模型

图11 补偿前后链路S21相位高低温仿真结果对比

由图11可以看出,补偿前,相对于20℃下的传输相位,T/R组件在-20℃～80℃范围内,其传输相位变化了±10°左右;补偿后,相对于20℃下的传输相位,T/R组件在-20℃～80℃范围内,其传输相位变化了±2.5°左右,有效地对组件传输相位温漂进行了补偿。

3 实验测试

3.1 温度补偿电路模块性能测试

温度补偿电路模块的加工实物如图12(a)所示,其总体尺寸为14mm×14 mm×10mm。测试温度补偿电路模块的S参数过程如图12(b)所示,通过在电路模块背面贴上电热阻,调节模块的温度。不同温度下电路模块的S参数测试结果如图13所示。

图12 温度补偿电路模块实物及测试

图13 补偿电路S21测试结果

由图13可以看出,补偿电路模块电性能的测试结果与仿真结果相比,其变化趋势基本吻合,但测试的S参数值相比仿真结果较差,推测原因主要是电路板加工和射频接头的安装,以及电路焊接所带来的误差。

3.2 组件级联后性能测试

如图14所示,对组件与补偿电路模块级联后的传输性能进行测试。补偿前后,链路测试结果如图15所示。

图14 组件及温度补偿电路模块的级联测试

图15 补偿前后链路S21相位高低温测试结果对比

由图15可以看出,补偿前,相对于20℃下的传输相位,T/R组件在20℃～60℃范围内,其传输相位最大变化约9°左右;补偿后,相对于20℃下的传输相位,T/R组件在20℃～60℃范围内,其传输相位在3°以内变化,经过实验测试可以发现,通过级联温度补偿电路模块,T/R组件的馈电链路传输相位温漂减小约67%,有效地对T/R组件性能温漂进行了补偿。

4 结束语

本文提出了一种收发组件的温度自补偿电路设计方法,对有源相控阵天线电性能进行自动温度补偿。基于该自补偿方法, 研制了一种温度自补偿电路模块,测试结果表明,自补偿电路使组件的传输相位温漂减小约67%,克服了数字芯片量化误差导致的主动温度补偿精度受限的缺陷。