一种多路集成时钟本振分配模块的设计

王洪李,荆晓超

(中国船舶集团有限公司第八研究院,江苏 扬州 211153)

0 引言

在相控阵雷达的面阵分机中,经常需要时钟本振分配模块将频率源产生的时钟信号和本振信号分配给子阵使用,这就要求模块能集成多种不同工作频率的功分网络,同时对不同频率的功分网络的隔离度、模块的输入输出驻波、插入损耗、输出端口间的幅相一致性、成本、重量、体积、可靠性等提出了严格的要求。

张运传等[1]设计了一个工作在P波段和S波段的一分十六微带功分器,通过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集成度、稳定性、可靠性。经实测,功分器输入输出驻波在1.4以内,插损3 dB以内。贲倩倩等[2]对多路功分器内部功分单元互联用的传输线长度对功分器性能的影响作了研究,指出内部互联用的传输线长度与波长的关系对多路功分器性能的影响。

目前,关于多种工作频率的功分网络集成在同一多层电路板中的相关文献比较少,为了解决上述问题,本文设计了一款集成了P、S、X 3种工作频率功分网络的多路时钟本振分配模块,并详细介绍了降低模块输入输出驻波、降低模块插入损耗和提高模块输出端口间幅度相位一致性的方法。

1 电路设计

P、S、X 3种工作频率的一分四功分网络均由一分二威尔金森功分单元级联而成,3种功分网络的布局如图1所示,其中P波段的功分网络为带状线形式,如图1中的dash曲线所示;S波段的功分网络为带状线形式,如图1中的long-dash dot曲线所示;X波段的功分网络为微带线形式,如图1中的实曲线所示。

图1 功分网络布局

3不同工作频率的功分网络集成于同一电路板中,电路板共8层金属层,实曲线位于从上往下第一金属层,long-dash dot曲线位于从上往下第4金属层,dash曲线位于从上往下第7金属层。

S波段的威尔金森功分单元的外形尺寸如图2所示。由于S波段的功分网络为带状线形式,为了便于隔离电阻的焊接,在隔离电阻处设计一圆形盲槽。同样,为了便于隔离电阻的焊接,在隔离电阻处设计2个矩形小枝节,小枝节暴露在圆形盲槽中,而威尔金森功分单元的射频走线全部隐藏在电路板中。如图2所示,圆形盲槽的中心距小枝节的中心距离为0.25 mm,小枝节的宽度为0.5 mm。

图2 S波段功分单元的外形尺寸

由图2可知,S波段和P波段的功分网络均需过渡结构实现带状线与顶层微带线的过渡,过渡结构HFSS模型及其驻波仿真曲线如图3所示。由仿真结果可知,该过渡结构在工作频率超过10 GHz后,其驻波快速增加。

图3 过渡结构HFSS模型和驻波

另外,3种功分网络分布在不同金属层,相互间的隔离度主要由顶层的3个相互间距15 mm,长度5 mm,宽度0.6 mm的平行耦合微带线的耦合度决定,其HFSS仿真模型如图4所示。

图4 HFSS隔离度仿真模型

2 模块的驻波和插入损耗

2.1 驻波

3种不同工作频率的功分网络的设计方法基本相同,其中,X波段功分网络的输入输出驻波仿真结果如图5所示。

图5 输入输出驻波

为了降低模块的输入输出驻波,可以采用以下2种方法:(1)本文中模块的输入连接器采用的是西安艾力特的JSBMA(E)-J,其穿墙部分的外导体直径为4.6 mm,模块盒体上的安装孔直径为4.8 mm,两者之间的缝隙对X波段功分网络的电信性能影响较大,需要用低应力导电胶将缝隙填满烘干,保证连接器与电路板微带线信号地的连续性。(2)减小射频连接器的探针长度,探针长度对驻波的影响如图6所示,探针长度缩短一半可以使驻波明显降低。

图6 探针长度与驻波的关系

2.2 插入损耗

X波段功分网络的插入损耗仿真结果如图7所示。

图7 插入损耗仿真曲线

X波段的功分网络为微带线形式,其常见的表面处理工艺有镀镍金和无镍厚金2种形式。经过这2种工艺处理过的X波段功分网络的插入损耗实测结果如图8所示,在射频走线足够长的情况下,镀镍金时的插入损耗比镀厚金时的插入损耗大2.5 dB左右。

图8 插入损耗实测曲线

根据趋肤公式计算可得,在X波段时,趋肤深度为26 μm。

其中,δs为趋肤深度;ρ为体电阻率,Ω/m;f为频率,Hz;μ0为磁导常数,H/m;μr为相对磁导率。

X波段功分网络微带线的实际厚度为35 μm,不满足传输线的厚度要≥5倍趋肤深度才能获得较低的传输线损耗的要求[3],因此有部分电流在金属镍和金中传输,镍的电导率是铜的0.25倍,金是铜的0.7倍,考虑到功分网络的电长度受外形尺寸的约束而为16个波导波长,最终导致镀镍金时的插入损耗明显增加。

为了验证带状线形式的X波段功分网络的插入损耗是否会更小,本文设计加工了一带状线形式的X波段功分网络。为了保证射频走线的宽度不变,避免走线宽度的变化对测试结果产生影响,本文将X波段功分网络的上下2个介质板的厚度由0.254 mm更改为0.508 mm。2种情况下的实测对比结果如图9所示,图9中给出了2种情况下,插入损耗曲线的最大值和最小值,可以看出,带状线形式的功分网络的插入损耗比微带线形式的略小0.5 dB左右。虽然带状线形式的功分网络插入损耗低一点,但这种形式会增加电路板的厚度、层数、成本和加工难度,且微带线形式的功分网络的插入损耗曲线更加平滑,带状线形式的功分网络存在轻微谐振现象。

图9 插入损耗实测对比

3 模块的幅相一致性

X波段功分网络的输出端口间幅相一致性的仿真结果比较理想,实际测试结果受隔离电阻焊接质量、印制板加工精度和射频连接器与微带线焊接质量的影响。S波段和P波段的功分网络除受上述因素影响外,还受盲槽加工精度的影响,如果盲槽的位置发生偏移,会对功分网络输出端口间的幅相一致性造成影响,尤其是功分单元多级级联之后,这种影响将会逐级积累放大,且难以通过调试解决。

对于需要加工盲槽焊接隔离电阻的多路带状线形式的功分网络,为了在工作频率比较高的情况下(如X波段以上),保证输出端口间的幅相一致性,可以采用如图10所示的方法[4],将焊接隔离电阻用的矩形小枝节加长,枝节的宽度与隔离电阻焊盘的宽度相同,每个枝节的长度与隔离电阻的长度相同,圆形盲槽的中心与隔离电阻的中心重合。这样,即便盲槽位置偏移0.5 mm,仍可避免功分单元的射频走线暴露在空气中,避免功分网络的输出端口间相位一致性恶化。经仿真,该方法可以使功分单元的2个输出端口间的相位一致性提高±2.5°,如图10所示。

图10 2种功分单元的HFSS模型及相位曲线对比

4 测试结果

通过N5222A矢量网络分析仪对时钟本振分配模块进行测试,结果如图11—16所示。P波段功分网络的输入输出驻波≤1.2,插入损耗≤0.8 dB,幅度一致性≤±0.1 dB,相位一致性≤±3°。S波段功分网络的输入输出驻波≤1.4,插入损耗≤1.7 dB,幅度一致性≤±0.1 dB ,相位一致性≤±5°。X波段功分网络的输入输出驻波≤1.8,插入损耗≤3.5 dB(减去测试用转接器和连接器的插入损耗,0.5 dB),幅度一致性≤±0.2 dB,相位一致性≤±4°。

图11 P波段功分网络的插入损耗曲线

图12 S波段功分网络的插入损耗曲线

图13 X波段功分网络的输入输出驻波

图14 X波段功分网络的插入损耗曲线

图15 X波段功分网络S21相位曲线

图16 X波段功分网络输出端口间相位差

另外,时钟本振分配模块3种不同工作频率的功分网络间的隔离度测试结果如表1所示。

表1 3种功分网络间的隔离度 单位:dB

5 结语

本文介绍了一款集成了P、S、X 3种工作频率一分四功分网络的时钟本振分配模块,对不同频率功分网络的布局设计、隔离度的仿真分析、降低模块输入输出驻波的方法、降低高频功分网络插入损耗和提高多路带状线形式功分网络输出端口间的幅相一致性方法做了详细的介绍。通过实物加工、测试,验证了分析和仿真的正确性。该模块已经批量应用在某型相控阵雷达面阵中,工程应用性强,对类似模块的研制提供一定的参考作用。