賈世旺,趙 飛
(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊050081)
隨著各類裝備要融入網(wǎng)絡(luò)信息體系的要求,航天測控、衛(wèi)星通信和導(dǎo)航等綜合射頻系統(tǒng)對低輪廓有源相控陣天線需求越來越迫切,同時(shí)系統(tǒng)對射頻信道引入的非線性相位(群時(shí)延)失真也非常關(guān)注。文獻(xiàn)[1]分析了全頻譜合成陣列天線T/R組件間群時(shí)延失真分布差異性對合成信噪比的影響,研究結(jié)果表明:天線陣元數(shù)量越多,帶寬越寬,群時(shí)延分布差異性越大,合成信噪比損失越大。文獻(xiàn)[2]分析了衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器群時(shí)延特性對傳輸性能的影響,當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器工作帶寬為36 MHz時(shí),由于信道群時(shí)延波動(dòng),造成信道的Eb/N0傳輸性能惡化0.5 dB以上。文獻(xiàn)[3]針對陣列天線設(shè)計(jì)出一種新型負(fù)群時(shí)延電路結(jié)構(gòu),有效提高了工作帶寬;文獻(xiàn)[4]對負(fù)群時(shí)延電路進(jìn)行了研究,提出了多種工作頻段為3 GHz左右的電路,電路工作帶寬400 MHz,調(diào)整范圍7.4 ns;文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種利用有源FET管結(jié)合巴倫結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的3.5~5.5 GHz新型負(fù)群時(shí)延電路;文獻(xiàn)[6]采用環(huán)行器與波導(dǎo)加載諧振腔級聯(lián)設(shè)計(jì)的Ku頻段群時(shí)延均衡器,群時(shí)延調(diào)整范圍達(dá)到10 ns。
本文對S頻段群時(shí)延均衡網(wǎng)絡(luò)開展研究,并結(jié)合微納工藝加工技術(shù)特點(diǎn),提出了一種利用MEMS工藝技術(shù)制造的小型化新型全通網(wǎng)絡(luò)電路結(jié)構(gòu)方案,實(shí)現(xiàn)了群時(shí)延均衡器可重構(gòu)設(shè)計(jì)。
群時(shí)延表示系統(tǒng)在某頻率下相位對頻率的負(fù)微分,表達(dá)式為:
(1)
群時(shí)延失真會(huì)使傳輸信號的波形失真,增加系統(tǒng)誤碼率,降低系統(tǒng)性能。為了改善傳輸信道性能,常采用增加群時(shí)延均衡器對系統(tǒng)相移失真進(jìn)行補(bǔ)償和調(diào)節(jié)的辦法。
群時(shí)延均衡器一般采用全通網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn),理想的全通網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備以下特點(diǎn):
① 網(wǎng)絡(luò)輸入/輸出的幅度變化與傳輸?shù)男盘栴l率無關(guān),幅度不隨頻率變化而改變;
② 網(wǎng)絡(luò)輸入/輸出相位變化與頻率的關(guān)系是一條過原點(diǎn)直線,相移隨著頻率的改變而變化。
全通網(wǎng)絡(luò)理論上是一個(gè)無幅度失真網(wǎng)絡(luò)(全頻范圍內(nèi)),理想橋型全通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 全通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
圖1中,Zc為傳輸網(wǎng)絡(luò)特性阻抗,與Z1、Z2之間的關(guān)系如下:
(2)
(3)
(4)
式中,g0為傳輸常數(shù),由固有衰減a0和固有相移b0組成;Z1、Z2分別由純電抗元件X1、X2組成,且為了滿足全通網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成條件,X1、X2必須異號[7]。
當(dāng)X1、X2異號時(shí),固有衰減a0為零,固有相移b0則與比值有關(guān),全通網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出阻抗Zc為純電阻阻抗R。
(5)
發(fā)射組件由放大器、移相器、衰減器、濾波器及延時(shí)線等元器件組成,其中放大器群時(shí)延特性變化一般在1 ns以下,衰減器和開關(guān)等群時(shí)延可忽略[8],作為頻率選擇的濾波器,由于邊帶幅度變化大,導(dǎo)致群時(shí)延可達(dá)數(shù)十ns以上,對組件群時(shí)延貢獻(xiàn)最大。矩形系數(shù)越高的濾波器,其群時(shí)延指標(biāo)也越高。
某型號多路S頻段發(fā)射組件群時(shí)延實(shí)測指標(biāo)如表1所示。組件中濾波器采用矩形系數(shù)高、Q值高、帶外抑制度特性好的六腔介質(zhì)濾波器,此類濾波器具有群時(shí)延波動(dòng)大的特點(diǎn)。
表1 某型S頻段發(fā)射組件群時(shí)延實(shí)測結(jié)果
f2插損/dBf1群時(shí)延/nsf2群時(shí)延/nsf3群時(shí)延/ns1.7126.0311.8918.091.2726.2113.1421.561.3124.5513.7017.161.5227.0213.2119.271.3824.2515.6219.181.5625.0511.7120.871.8923.7912.8821.38
表1中,f1為濾波器低端截止頻率;f2為中心頻率;f3為高端截止頻率。對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知,濾波器群時(shí)延特性差異明顯,不同濾波器間群時(shí)延差異可以達(dá)到4 ns左右;高、低端頻率與中心頻率間群時(shí)延差異達(dá)到15 ns以上。
文獻(xiàn)[1]理論分析表明:在100個(gè)陣列單元、1 GHz工作帶寬的天線陣列系統(tǒng)中,當(dāng)工作帶寬高、低端邊緣群時(shí)延差異大于4 ns時(shí),合成信噪比將惡化0.5 dB以上。一般工程上要求群時(shí)延失真帶來的合成信噪比損失要小于0.5 dB[9],因此系統(tǒng)必須增加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),降低T/R組件高、低端頻率群時(shí)延與中心頻率群時(shí)延之間的差異。
為了改善信道的群時(shí)延特性需要完成兩方面工作:一是調(diào)整高、中、低各頻率間群時(shí)延的差異;二是調(diào)整不同信道間同頻的群時(shí)延差異。因此,群時(shí)延均衡網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足諧振頻率、群時(shí)延大小可重構(gòu)要求。
考慮到S頻段發(fā)射組件中元器件批次性差異,群時(shí)延均衡網(wǎng)絡(luò)的群時(shí)延大小調(diào)整范圍為5~20 ns,可均衡頻率范圍為2.40~2.65 GHz。
采用全通網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)均衡器設(shè)計(jì),難點(diǎn)在于諧振頻率、群時(shí)延大小可調(diào)的要求。必須對理想全通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,增加可調(diào)元件。
根據(jù)微波理論,在全通網(wǎng)絡(luò)中增加阻性元件,可以調(diào)整網(wǎng)絡(luò)Q值大小,以增加網(wǎng)絡(luò)插入損耗的辦法,來實(shí)現(xiàn)群時(shí)延大小可調(diào)的目的。
在圖1所示的電路基礎(chǔ)上,提出了新型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),同時(shí)為了便于與其他電路相連,將全通網(wǎng)絡(luò)的平衡結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為不平衡的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖2是將理想全通網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為可重構(gòu)的容抗二階橋T型結(jié)構(gòu)示意圖,其中C1、L2、R1為可調(diào)元件。
圖2 可重構(gòu)容抗二階橋T型結(jié)構(gòu)
經(jīng)分析,通過調(diào)節(jié)阻性元件大小,改變了L2、C3支路群時(shí)延特性,實(shí)現(xiàn)群時(shí)延大小可重構(gòu)要求??烧{(diào)電容C1、可調(diào)電感L2實(shí)現(xiàn)均衡網(wǎng)絡(luò)頻率的調(diào)整。
網(wǎng)絡(luò)中的各元件參數(shù)的計(jì)算公式如下:
(6)
(7)
(8)
(9)
式中,R為二階全通網(wǎng)絡(luò)輸入/輸出阻抗;kn、ωn表示網(wǎng)絡(luò)零極點(diǎn)實(shí)部及虛部的絕對數(shù)值。
若要實(shí)現(xiàn)可均衡頻率2.40~2.65 GHz,調(diào)整群時(shí)延大小范圍5~20 ns,結(jié)合圖2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),采用GENESYS軟件對群時(shí)延網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析,仿真結(jié)果如圖3所示。
圖3 單級群時(shí)延網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果
圖3中,曲線fL最大值、fH最大值是指單級均衡網(wǎng)絡(luò)單元可實(shí)現(xiàn)的群時(shí)延調(diào)整至最大值時(shí)的低端頻率和高端頻率;fL最小值、fH最小值是指單級均衡網(wǎng)絡(luò)單元可實(shí)現(xiàn)的群時(shí)延調(diào)整至最小值時(shí)的低端頻率和高端頻率。單級均衡網(wǎng)絡(luò)單元可實(shí)現(xiàn)頻率2.38~2.84 GHz,群時(shí)延大小2~23 ns調(diào)整。
根據(jù)系統(tǒng)要求可采取多級級聯(lián)的方式,增大群時(shí)延頻率和大小調(diào)整范圍。結(jié)合系統(tǒng)對均衡補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的要求,采用三級二階全通網(wǎng)絡(luò)單元實(shí)現(xiàn),三級均衡網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率分別為:2.437 GHz、2.521 GHz和2.631 GHz。增加三級均衡網(wǎng)絡(luò),組件均衡后的群時(shí)延仿真結(jié)果見圖3所示,頻率調(diào)整范圍大于450 MHz,調(diào)整群時(shí)延大小20 ns以上,發(fā)射組件均衡后在帶內(nèi)群時(shí)延波動(dòng)小于2 ns。
三級均衡網(wǎng)絡(luò)中可調(diào)元件取值范圍:C1為7.0~10.2 pF、L2為18.7~24.2 nH、R1為0.1~20 Ω。
在理論分析時(shí),電感、電容均假定為理想元件,實(shí)際電感還存在著電阻損耗、渦流損耗及介質(zhì)損耗等;同樣電容介質(zhì)損耗和漏導(dǎo)等也不能忽略不計(jì)。由于各種損耗的存在,使得全通網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了與頻率相關(guān)的衰減,而且輸入輸出的阻抗也不再是理想的純電阻阻抗。
實(shí)現(xiàn)全通網(wǎng)絡(luò)的電容、電感種類很多。為了保證性能,特別是降低網(wǎng)絡(luò)帶來的傳輸損耗,保證全通網(wǎng)絡(luò)傳輸幅度不受影響,電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇高Q值、高自諧振頻率元件。部分文獻(xiàn)中不同類型電感性能比較如表2所示。
表2 不同類型電感的性能比較
類型電感值/nH諧振頻率/GHz品質(zhì)因數(shù)繞線電感(高Q值)1~10002.020繞線電感(BondWire)[10]0.432.49-MEMS電感(Si)[11]2.724.236印刷電感(GaAs)[12]1.121.039印刷電感(PCB)[13]181.450薄膜電感(BCB)[14]6.27.948.5厚膜電感(LTCC)[15]13-30.6
根據(jù)不同類型L、C元件的優(yōu)缺點(diǎn),并考慮工藝實(shí)現(xiàn)難度及小型化要求,選擇硅基MEMS的電感和電容來實(shí)現(xiàn)全通網(wǎng)絡(luò)。MEMS元件是通過外部施加不同控制電壓,靜電驅(qū)動(dòng)元件中可動(dòng)結(jié)構(gòu),改變元件內(nèi)部物理結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了電感及電容的調(diào)節(jié)。
采用MEMS工藝的3D螺旋電感具有體積小、易與其他元件集成的特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)電感可調(diào),常采用分段切換開關(guān)、金屬帽或者通過液體通道改變介質(zhì)特性等不同方案。
圖2中電感L2調(diào)整范圍為18.7~24.2 nH,為了優(yōu)化電感制作方案,采用固定感值電感與可調(diào)金屬帽電感串聯(lián)形式實(shí)現(xiàn)L2的可調(diào)范圍。固定電感為16 nH,可調(diào)電感為2.7~8.2 nH。
S Mohan提出的基于Wheeler結(jié)論的公式是常用的平面螺旋電感計(jì)算方法[16]。
(9)
式中,μ為磁導(dǎo)率;n為螺旋電感圈數(shù);dout、din分別為電感外徑和內(nèi)徑;K1、K2分別為電感的結(jié)構(gòu)因子,如表3所示。
表3 不同螺旋電感結(jié)構(gòu)K1、K2值
螺旋電感結(jié)構(gòu)類型K1K2方形2.342.75六邊形2.333.82八邊形2.253.55
固定和可調(diào)電感均選用方形結(jié)構(gòu),電感選用厚度為0.4 mm高阻硅(電阻率4 000 Ω· cm),線寬20 μm,間距10 μm,線圈金屬層厚度4 μm,內(nèi)圈電極引線與平面螺旋線圈間增加聚酰亞胺材料進(jìn)行絕緣。
由式(9)計(jì)算可知,固定電感線圈匝數(shù)為12.5圈,電感面積為0.8 mm×0.8 mm;可調(diào)電感匝數(shù)為3.5,面積為0.3 mm×0.3 mm。單位面積的電感密度大于20 nH/mm2,由于采用了MEMS加工技術(shù),單個(gè)電感面積與普通PCB平面螺旋電感相比減小了80%以上,小型化效果明顯,可調(diào)電感結(jié)構(gòu)示意圖如圖4(a)所示。
利用MEMS工藝實(shí)現(xiàn)可調(diào)電感金屬帽結(jié)構(gòu),通過施加控制電壓,改變螺旋電感線圈與金屬帽間距,影響磁通量和渦流的大小,使得等效電感值發(fā)生變化。
經(jīng)軟件仿真,可調(diào)電感金屬帽與螺旋電感間距調(diào)整范圍應(yīng)滿足10~50 μm,金屬帽尺寸大小為250 μm×250 μm,可調(diào)電感仿真結(jié)果如圖4(b)所示。
圖4 MEMS可調(diào)電感結(jié)構(gòu)示意及仿真結(jié)果
硅基襯底上生長一定厚度多晶硅和二氧化硅,濺射所需膜層,經(jīng)過光刻、電鍍及刻蝕制作螺旋電感;利用厚膠工藝在電感結(jié)構(gòu)表面涂覆光刻膠,再次濺射、光刻、電鍍和刻蝕,完成金屬帽加工;最后進(jìn)行可動(dòng)結(jié)構(gòu)釋放,去除電感與金屬帽間光刻膠,完成可動(dòng)結(jié)構(gòu)梁的制造。
為了提高電感性能,可以考慮采用MEMS硅腔刻蝕技術(shù),制作懸浮螺旋電感結(jié)構(gòu),即螺旋電感上、下面均為空氣介質(zhì),進(jìn)一步降低電感與基板間渦流;也可增加新型磁性高分子材料膜層,通過提高磁導(dǎo)率的辦法,提升單位面積電感密度。
實(shí)現(xiàn)可調(diào)電容的方式有多種,常用的有變?nèi)荻O管、MEMS可動(dòng)結(jié)構(gòu)等。
采用MEMS方式實(shí)現(xiàn)的可變電容具有噪聲低、損耗小及可調(diào)范圍大的特點(diǎn),MEMS可調(diào)電容示意圖如圖5(a)所示。
圖5 MEMS可調(diào)電容結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果
MEMS可調(diào)電容是通過固定電容一端電極,另一電極設(shè)計(jì)成懸浮結(jié)構(gòu),施加電壓由靜電驅(qū)動(dòng)調(diào)整兩電極間間距。用MEMS可動(dòng)梁制造工藝完成移動(dòng)電極的制作,通過調(diào)節(jié)兩電極間距,實(shí)現(xiàn)容值調(diào)整。
電容調(diào)整范圍要求為7.0~10.2 pF,采用硅基襯底上MIM(Metal-Insulator-Metal)電容實(shí)現(xiàn),MIM電容由金屬—絕緣體—金屬3層結(jié)構(gòu)組成,將上層的金屬結(jié)構(gòu)改為可垂直移動(dòng)結(jié)構(gòu)。
當(dāng)MIM電容尺寸小于工作頻率0.1 λ時(shí),容值大小可由式(10)計(jì)算得出:
(10)
式中,εrd為電容材料的介電常數(shù);w、l、d分別為電容的寬、長、高,單位μm。
當(dāng)電容的長寬均為2 000 μm、介質(zhì)層的厚度為35 μm時(shí),硅基上實(shí)現(xiàn)的MIM電容的最大容值為12.04 pF,大于10.2 pF的要求。
將電容模型帶入軟件進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果如圖5(b)所示。當(dāng)電容上電極在原始錨點(diǎn)時(shí),電容值為11.8 pF;當(dāng)施加外部電源,電極移動(dòng)6 μm時(shí),電容值為4.2 pF,滿足了均衡網(wǎng)絡(luò)對可調(diào)電容的要求。
MEMS可調(diào)電容的工藝制作過程與電感類似。通過工藝控制,保證可動(dòng)結(jié)構(gòu)一致性是工藝制造的難點(diǎn)。
經(jīng)過以上計(jì)算分析,帶阻性可調(diào)元件的新型全通網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)均衡器的可重構(gòu)要求。采用MEMS工藝實(shí)現(xiàn)可調(diào)電感、可調(diào)電容的方案可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)。
采用傳統(tǒng)集中元件,實(shí)現(xiàn)該三級全通網(wǎng)絡(luò)體積不小于90 mm×55 mm×15 mm。采用MEMS元件的電路體積小于30 mm×15 mm×3 mm,小型化效果顯著。由于MEMS元件的調(diào)整是通過電壓來控制,對均衡器的電性能調(diào)整,該方案更加合理和實(shí)用。
在實(shí)際電路應(yīng)用時(shí),還要考慮以下問題:
① MEMS可調(diào)元件與固定值元件相比,制造復(fù)雜程度大,設(shè)計(jì)全通網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)盡可能減少可調(diào)元件數(shù)量;
② 若全通網(wǎng)絡(luò)的元件值取值不合適,易引起電路諧振,惡化電路性能,因此在確定元件值時(shí)要考慮溫度、振動(dòng)等外部環(huán)境條件對MEMS可動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響,并進(jìn)行敏感性統(tǒng)計(jì)分析;
③ 對于非理想元件組成的全通網(wǎng)絡(luò),接入電路后會(huì)產(chǎn)生一定損耗,需要增加放大電路進(jìn)行增益補(bǔ)償。
以全通網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ),優(yōu)化電路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),增加了阻性可調(diào)元件,實(shí)現(xiàn)了群時(shí)延補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可重構(gòu)的要求。提出了用MEMS工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)可調(diào)元件制造的思路,并對MEMS電感、電容等進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真分析,均衡器小型化效果明顯。
MEMS工藝適用于群時(shí)延均衡補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),在應(yīng)用時(shí)還需考慮元件外部控制電路的復(fù)雜程度、元件一致性、MEMS可動(dòng)結(jié)構(gòu)可靠性等問題。
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