姜海玲,李晓明,余 贤

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

相控阵的集成阵列结构有2种，即砖块式结构和瓦片式结构[1]。与砖块式相控阵相比，瓦片式阵列结构大幅度缩减了纵向尺寸，从而降低了体积和成本，具有轻型、易共形及易集成等多项优点，并得到了业界的广泛关注[2-5]。微波多层印制技术基于成熟PCB工艺，具有可靠的环境适应性、优良的接口兼容性、良好的自封装特性、相对低廉的成本以及超大尺寸电路的加工能力，已经引起国内外广泛重视[6-13]。瓦片式相控阵结构的实现，需要高密度的平面射频信号互联，而这正是微波多层印制技术的一项主要特点。为此，基于微波多层印制技术的馈电功分网络成为瓦片式相控阵的一种重要实现形式[2-5]。

微波多层馈电功分网络不仅可用于多路信号的分配与合成，还具备为各路TR组件提供电源及控制的功能，其性能对整个相控阵系统的指标有重要影响。鉴于多层印制板表面面积的稀缺性，将微波功分网络内埋是合乎逻辑的选择[4]，而对内埋功分网络(功分器)的研究，也成为整个微波多层印制技术的一个研究热点[13-18]。功分网络通常由一系列分路器级联而成，而一分二等分功分器则是最常见的基本单元。与单元功分器相比，功分网络的设计必须考虑网络级联带来的回波损耗、平坦度恶化以及不确定性累积造成的路间一致性问题，而这些问题的改善，往往需要结合工艺能力进行整体性考量。与此同时，由于功分网络的的内埋特性，后期的调试将变得极为困难甚至完全不可行，在总体设计中必须事先考虑这些因素。本文根据相控阵的实际需求和微波多层印制技术的工艺特点，对微波多层收发一体式馈电功分网络进行研究和试验。

1 总体设计

为配合收、发一体瓦片式4×4相控子阵研制，需设计2套内埋16分路功分网络。为保证收、发信号的实时双工工作，应在2套功分网络间提供足够高的隔离度，为此考虑将2套功分网络分别埋置于独立的电路层。

1.1 材料系统

印制板基材的选取主要考虑3方面因素：① 适合微波信号的传输，包括低介质、导体损耗、低频率色散、批次一致性和埋阻需求等；② 适于多层印制板加工，包括低z轴热膨胀系数，以及一定的机械强度等；③ 成本，包括材料成本及加工成本等。除此之外，较低的相对介电常数也往往成为材料选取的考量因素，尽管低介电常数会带来更大的电路面积，但会使相同阻抗的传输线具有更宽的尺寸，从而降低加工难度。

综合考虑，印制板的微波部分选择Arlon公司的CLTE-XT芯板及25N半固化片组合；控制及电源部分使用FR4材料。其中，微波基材的基本参数如表1所示。CLTE-XT具有较低的损耗角正切，非常低的z轴热膨胀系数，较低的相对介电常数，同时还具备埋阻能力，适于内埋功分网络的设计；25N除具有较低的损耗和较低的热膨胀系数外，与CLTE-XT的材料匹配性较好，适于用作粘结微波芯板的半固化片；FR4具有很好的兼容性和低廉的成本，用于控制网络和电源的布设，可有效降低成本。

表1 选用微波多层材料部分参数

1.2 功分网络布局

收、发网络均为16路，工作频段为4.4～5 GHz，使用四级单元二分路器级联而成，如图1所示。

图1 16路功分网络布局示意图

其中，单元二分路器采用一阶Wilkinson(威尔金森)形式实现，以提供必要的通道间隔离。为降低电路的优化成本，图1中还使用了固定的四分路器亚结构，如虚线框所示。

由于Wilkinson功分器具有较宽的工作带宽，收、发网络可以使用相同的分路器单元，这进一步降低了研制成本。

图2 板层分布设计

1.3 板层设计

在给定材料下，较厚的板材可带来更宽的带条宽度，从而实现更好的阻抗控制精度。然而拟设计的内埋功分网络须占据2个独立的微波电路层，再加上顶层、底层2个器件安装层和内埋的控制、电源层，印制板总厚度的控制面临较大压力。综合考虑，选用0.254 mm厚的芯板材料和0.1 mm厚的半固化片，预期的板层分布如图2所示。图中，为改善印制板的可制造性和可靠性，同时也为了减少盲孔的种类，采用了顶面和底面双面射频板对称排布方案。

2 内埋二分路器设计

综上所述，内埋二分路器是构成收、发功分网络的基本单元，其性能对收发网络乃至相控阵系统的指标至关重要，为此结合微波多层印制技术的工艺特点，对内埋二分路器进行了详细分析和设计。

2.1 内埋传输线特性分析与设计

传输线是构成Wilkinson功分器的基本元素。典型的微波多层内埋传输线类似于带状线，但由于半固化片的存在，不能以纯TEM模式进行能量传输，也不能直接套用带状线公式计算，须独立建模分析。相控阵系统对多路信号的幅相一致性要求很高，而内埋器件的多路一致性又很难通过调试“事后”弥补，为此在设计阶段应尽量降低其特性参数的离散性。典型内埋传输线如图3所示。

图3 内埋传输线示意图

如图3所示，在给定材料的前提下，内埋传输线的主要设计参数包括微波芯板的厚度h、半固化片厚度h1以及带条的宽度w0。由于半固化片在加工过程中具有一定的流动性，实际成型尺寸有一定波动，以0.1 mm厚25N型半固化片为例，加工后的尺寸可能在70 ～90 μm之间。为降低这一现象造成的传输线特性参数漂移，应选择较薄的半固化片和较厚的芯板，取h=0.254 mm，h1=0.1 mm。以此参数在HFSS仿真软件中进行建模，并以w0为扫描参数，对传输线特性阻抗和等效介电常数进行求解(其中半固化片的厚度取h1=80 μm)，所得到的结果如图4所示。

图4 内埋传输线传输特性曲线

在图4可以看出，对应于50 Ω的传输线线宽w0_50=0.34 mm，相应有效介电常数εeff_50=3.04；而对应于70.7 Ω的传输线线宽w0_70.7=0.16 mm，相应等效介电常数εeff_70.7=3.07。

2.2 内埋直弯角特性分析

除内埋传输线外，传输线直弯角也是构成分路器的基本单元，为降低寄生参数造成的电路性能恶化，往往需要进行弯角斜切。最佳的弯角斜切结构和仿真如图5和图6所示，对微带线而言，可按照1.8×w的经验公式进行斜切，如图5所示。对于内埋传输线，由于缺乏可供参考的斜切参数，须借助三维全波仿真软件进行斜切补偿。50 Ω直弯角的仿真曲线如图6所示，可以看出，在所关注频带内最优的斜切参数为Cut=0.43 mm。

图5 微带线斜切尺寸及最佳斜切结构

图6 内埋传输线斜切性能仿真曲线

2.3 二等分功分器设计

使用内埋传输线构建的分布参数器件与传统微带结构或带状线结构器件基本一致，只是涉及的传输线参数有所区别，内埋传输线的基本特性参数和弯角特性已在前文进行分析。拟研制的功分器布局及尺寸说明如图7所示。其中，输入输出阻抗皆为50 Ω；阻抗变换臂的阻抗取70.7 Ω，长度为中心频率下的1/4波长。在该模型中，以传输线截面的中点为相位参考点，可得出阻抗变换臂的长度larm为：

(1)

图7 二等分功分器电路布局及尺寸说明

按式(1)即可在给定限制条件下，综合出单元功分器的尺寸。对于70.7 Ω传输线而言，90°(频率在4.7 GHz)电长度对应的物理长度larm=9.1 mm。令l1=0.6 mm，lr=0.8 mm，Cut0=0.23 mm，由2.2节知Cut1=0.43 mm，由式(1)计算出l0=8.96 mm。使用该尺寸进行全波仿真，模型及仿真结果如图8所示。

图8 单元二分路器仿真模型及结果

3 实验结果与分析

3.1 测试环境

所研制的收、发一体功分网络集成于双4×4相控子阵母板之内，整个母版的尺寸仅为120 mm×120 mm×3 mm。使用Agilent PNA-X(N5242A)型矢量网络分析仪及Agilent 85052D型校准件搭建测试平台，并利用该测试平台对收、发功分网络进行了测试，测试时空余端口全部接50 Ω匹配负载。

图9(a)为测试平台照片，图9(b)为有代表性的测试曲线。

图9 功分网络测试平台

3.2 测试结果

对收、发功分网络各16条通路传输特性和回波特性的测试数据进行了整理，得到以下结果：

① 传输路径损耗：≤15 dB(其中含功分损耗12 dB)；

② 输入、输出回波损耗：≥12 dB；

③ 传输损耗平坦度： ≤0.5 dB(峰-峰)；

④ 同网络内输出端口隔离(收-收或发-发)：

≥25 dB；

⑤ 收发网络隔离(输出-输出端口)：≥60 dB；

⑥ 传输路径损耗路间不一致性：≤0.3 dB；

⑦ 传输相位一致性：优于±6°。

传输路径损耗和相位测试结果如表2所示。

表2 功分网络路间一致性测试结果

3.3 数据一致性分析

上节所列的各项测试结果性能良好，符合相控阵系统的指标要求。然而为了提供尽可能高的路间一致性，对测试数据作进一步分析。表2的数据可表征不同通路传输特性的离散性，但未考虑其与位置信息的相关性。为此，将表2中一维的通道编号映射为二维坐标，以表征通道输出端口在印制板上的实际位置，如：1-(1,1)；2-(1,2)；5-(2,1)；11-(3,3)等。同时，将不同通路的相对相移对频率加权平均，并将此值与前述位置信息的关系绘于图10。

图10 相对相移与通道位置关系

可以看出，尽管相位随频率的变化有一定随机性，但收、发网络处于同一位置的相移差却展现出较强的相关性，随机相位误差也出现了与位置相关的特点。为此初步推断，微波板材是否存在不均匀性或加工不均匀性，可能会造成路间相移差。

经过了解和分析，所选用的微波板材批次一致性良好，基本不会造成上述量级的相移离散度，因此问题聚焦于板材的加工压合均匀性上，鉴于所选用的微波板材和半固化片的相对介电常数相差较大(分别为2.94和3.38)，加工造成的半固化片不均匀性有可能造成不同位置通路的相移差。

为此，针对不同厚度半固化片的内埋传输线进行仿真分析，结果如图10所示。对工艺进行分析得知，成品印制板半固化片厚度应在70～90 μm之间，从图11(a)和图11(b)可看出等效介电常数差值约0.02，该介电常数差值带来的相对误差大约是0.7%，根据介电常数与相位的关系进行泰勒级数展开，得到介电常数差值带来的相位误差比例约为0.35%。由于所研制功分网络的单向路径长度约为4λ，因而由此带来的相位误差约5°。通过工艺控制或更换与板材介电常数更接近半固化片，有望达到相位更精准的内埋功分网络。

图11 半固化片厚度与等效介电常数的关系

4 结束语

基于微波多层印制技术的收、发一体内埋功分网络具有非常紧凑的尺寸，尤其是在印制板的厚度方向，其尺寸与传统方案相比可忽略不计。与此同时，这种收发网络还具有良好的电路性能和路间一致性，非常适于瓦片式相控阵系统的实现。由对馈电一致性的分析得出，通过工艺控制或使用其他型号的半固化片，可达到更高的一致性。