張 哲 黃 進

(1. 西安電子工程研究所 西安 710100;2. 西安電子科技大學 西安 710071)

0 引言

隨著電子信息技術發(fā)展的日新月異,有源相控陣天線已廣泛應用于衛(wèi)星通信、導彈制導、電子對抗、氣象監(jiān)測等領域[1-3]。T/R組件作為有源相控陣天線的核心電路模塊,其電性能的穩(wěn)定是保障天線性能的前提。但是,組件在服役過程中存在熱電耦合效應。其產生的熱量會改變天線系統(tǒng)的溫度場,導致有源芯片的特性發(fā)生溫漂,最終使組件性能惡化,限制了天線性能的發(fā)揮。隨著有源相控陣繼續(xù)朝著高頻段、高集成度的方向發(fā)展,熱電耦合問題日益凸顯。

在關于天線電性能的溫度補償研究方面,目前的方法大致可分為兩類。一是采用風冷、微流道液冷等散熱結構方式[4],降低系統(tǒng)的工作溫升,減少熱電耦合效應;二是采用電補償的方式[5],通過實時監(jiān)測陣面溫度,根據補償算法,調整組件傳輸的幅值和相位。由于相控陣普遍采用數字芯片來調整組件的幅值和相位,存在量化誤差,導致主動溫度補償精度受限。

針對有源相控陣的溫度補償問題,本文提出了一種T/R組件溫度自補償電路設計方法。利用介質板的熱介電常數系數的特性,實現(xiàn)組件傳輸相位的自動溫度補償,克服了數字芯片的量化誤差導致的主動溫度補償精度受限的缺陷。此外,研制了一種溫度自補償電路模塊,驗證了本文自補償方法的有效性。

1 溫度自補償電路方法

1.1 溫度自補償電路原理

根據電磁場理論,電磁波的相速度可表示為[6]

(1)

其中:ε、μ分別為介質的介電常數、磁導率;εr、μr分別為介質的相對介電常數、相對磁導率;c為光速。

由式(1)可以看出,當介質的介電常數增大時,電磁波傳輸速度減小,即傳輸速度滯后;介電常數減小時,電磁波傳輸速度增大,即傳輸速度超前。而不同的介質材料,在一定的溫度范圍內,其介電常數的相對平均變化率不一樣,即介電常數熱溫度系數不一樣,其定義為

(2)

其中:TKε為介電常數的相對變化率;t0為原始溫度,一般為室溫;t為改變后的溫度;ε0、εt分別為介質在t0、t時的介電常數。

根據工程經驗,一般來說,隨著溫度升高,T/R組件的傳輸相位會減小。而溫度自補償電路就是利用介質板的介電常數隨溫度變化的特性。當溫度升高時,不同的介質板,若其TKε為正,介電常數增大,傳輸相位會減小;若其TKε為負,則介電常數減小,傳輸相位會增大。

如圖1所示,假設溫度自補償電路與T/R組件一直保持在同一環(huán)境溫度下,當環(huán)境溫度變化ΔT時,T/R組件的傳輸相位變化ΔD1。將溫度自補償電路與T/R組件級聯(lián),若補償電路傳輸相位變化為式(3)所示。

圖1 溫度自補償原理示意圖

ΔD2=(-ΔD1)

(3)

則該T/R組件總的傳輸相位變化大約為

ΔD=ΔD1+ΔD2=0

(4)

從而實現(xiàn)組件電性能的自動溫度補償,保證相控陣天線在實際工況下的性能穩(wěn)定。

1.2 補償電路介質板介紹

不同介質板的介電常數隨溫度變化的規(guī)律并不相同,而TKε的大小將影響到電路傳輸線傳輸相位的溫漂特性。針對T/R組件的溫漂特性,應選用TKε為負值且絕對值較大的介質板。本文設計分析中,溫度自補償電路的介質板選用羅杰斯的RT/duroid 6010板材,如圖2所示。

圖2 羅杰斯RT/duroid 6010板材

羅杰斯RT/duroid 6010板材是一種陶瓷填充的聚四氟乙烯復合材料,是為需要高介電常數的電子電路和微波電路設計的,廣泛應用于衛(wèi)星通信、雷達預警等領域。常溫下,其εr為10.2,損耗角正切為0.0023。在-50℃～170℃范圍內,其介電常數熱溫度系數TKε為-425ppm/℃。按照式(2)計算,溫度每升高1℃,介電常數減小0.004。

1.3 電路傳輸結構對溫度補償效果的影響

電磁波在傳輸線中的傳輸速度取決于電路結構的傳輸特性。本節(jié)主要分析了傳輸線類型、傳輸線長度對介質板傳輸相位溫漂特性的影響。

1)傳輸線類型的影響

常見的傳輸線結構有微帶線、共面波導、接地共面波導、帶狀線等,如圖3所示。

圖3 傳輸線類型

以這四種傳輸線類型為分析對象,仿真模型中心頻率均為10GHz,傳輸線長度為λ,并設置RT/duroid 6010介質板的相對介電常數εr為參數化變量,通過改變介電常數εr,來模擬介質板溫度的變化。介電常數的變化范圍設置為[9.96,10.36],即介質板溫度變化范圍為-20℃～80℃。仿真結果如圖4所示。

圖4 不同溫度下傳輸線S參數變化

由上述分析結果可以看出,在介質板不同溫度下,帶狀線、微帶線對傳輸相位的影響較大,且近似于線性變化;而共面波導和接地共面波導對傳輸相位的影響相對較小,且為非線性變化。此外,不同溫度下,微帶線、帶狀線S11諧振頻率發(fā)生偏移,S21幅值幾乎無變化,但由于傳輸線工作帶寬較寬,在9～11GHz范圍內,其回波損耗均在-20dB以下,溫度對傳輸線的駐波比幾乎沒有影響。因此,微帶線、帶狀線適用于T/R組件傳輸相位的溫度自補償。

2)傳輸線長度的影響

以10GHz微帶線和帶狀線為分析對象,仿真分析了長度分別為λ/4、λ/2、λ、2λ的傳輸線對RT/duroid 6010介質板不同溫度下傳輸相位的影響。仿真結果如圖5所示。

圖5 不同長度傳輸線的仿真結果

在-20℃～80℃溫度變化范圍內,由圖5(a)可以看出,長度分別為λ/4、λ/2、λ、2λ的微帶線,其傳輸相位變化量依次為4.46°、10.16°、18.7°、37.1°;由圖5(b)可以看出,長度分別為λ/4、λ/2、λ、2λ的帶狀線,其傳輸相位變化量依次為5.6°、11.77°、23.3°、47.08°。在RT/duroid 6010介質板不同溫度下,微帶線、帶狀線的傳輸相位變化量隨著傳輸線線長的增大而增大,且近似為線性關系。其中,帶狀線的變化量要大于微帶線的變化量。在實際工程應用中,不同收發(fā)鏈路組成,其不同溫度下的傳輸相位變化特性并不一樣。根據上述電路傳輸結構對溫度補償效果影響的分析,可選擇合適的傳輸線及其長度,用來設計不同補償效果的溫度自補償電路,以適配不同鏈路的相位變化特性。

2 溫度自補償電路設計

2.1 設計方案

溫度補償電路模塊采用單獨設計的方式,它與T/R組件是相互獨立的模塊,如圖6所示為4個溫度補償電路模塊與四通道T/R組件的裝配示意圖,通過射頻接頭,將其與T/R組件、天線陣面裝配。自補償電路置于組件與天線之間,由于其插損,會引起發(fā)射輸出功率減小及接收噪聲系數變大。為了滿足對組件性能的指標要求,可以在考慮自補償電路插損影響的基礎上,選擇合適的發(fā)射末級功放、接收低噪放芯片。

圖6 溫度補償電路模塊與組件級聯(lián)示意圖

由第一節(jié)的分析可得,溫度自補償電路的補償原理是利用介質板介電常數在不同溫度下的變化,從而改變電路傳輸相位。因此,為了補償電路傳輸相位的溫漂,應調節(jié)溫度補償電路介質板的溫度。本文對補償電路模塊溫度的調節(jié)采用熱傳導的方式,利用T/R組件工作時自身散發(fā)的大量熱量,通過金屬射頻接頭、補償電路模塊金屬外殼的導熱作用,調節(jié)模塊內部補償電路介質板的溫度,改變補償電路的傳輸相位,從而補償T/R組件鏈路的性能溫漂。根據圖6所示的X波段天線陣面、T/R組件、射頻接頭結構、以及組件鏈路性能的溫漂特性,初步確定溫度補償電路模塊的結構尺寸為14mm×14mm×10mm,總傳輸線長度暫定為30mm,對應10GHz的一個波長。

2.2 仿真分析

溫度自補償電路的電磁仿真模型如圖7所示,其工作中心頻率為10GHz。

圖7 溫度自補償電路的電磁仿真模型

為了方便加工及測試,該補償電路的輸入、輸出采用同軸射頻接頭。此外,考慮到電路溫度補償的效果跟傳輸線長度有關,因此,使用了垂直互聯(lián)的傳輸方式,并適當增加帶狀傳輸線的拐角,以延長傳輸線長度。不含射頻接頭,該電路板整體尺寸為7.5mm×10mm×1.089mm,電路板疊層結構及各層PCB材料如圖8所示,其中RO4450是用來作為粘結材料的。

圖8 電路疊層結構示意圖

設置RT/duroid 6010介質板的相對介電常數εr為參數化變量,其變化范圍設置為εr∈[9.96,10.36],即介質板溫度變化范圍為-20℃～80℃。不同溫度下,該溫度自補償電路的S參數仿真結果如圖9所示。

圖9 補償電路S21仿真結果

之后,將該溫度自補償電路不同溫度下的S參數數據導出為snp文件,與T/R組件發(fā)射通道中芯片的高低溫snp數據文件、通道中各節(jié)傳輸線snp數據文件進行級聯(lián)仿真,仿真模型如圖10所示;分析不同溫度下整個射頻鏈路傳輸相位的變化情況如圖11所示。

圖10 鏈路級聯(lián)仿真模型

圖11 補償前后鏈路S21相位高低溫仿真結果對比

由圖11可以看出,補償前,相對于20℃下的傳輸相位,T/R組件在-20℃～80℃范圍內,其傳輸相位變化了±10°左右;補償后,相對于20℃下的傳輸相位,T/R組件在-20℃～80℃范圍內,其傳輸相位變化了±2.5°左右,有效地對組件傳輸相位溫漂進行了補償。

3 實驗測試

3.1 溫度補償電路模塊性能測試

溫度補償電路模塊的加工實物如圖12(a)所示,其總體尺寸為14mm×14 mm×10mm。測試溫度補償電路模塊的S參數過程如圖12(b)所示,通過在電路模塊背面貼上電熱阻,調節(jié)模塊的溫度。不同溫度下電路模塊的S參數測試結果如圖13所示。

圖12 溫度補償電路模塊實物及測試

圖13 補償電路S21測試結果

由圖13可以看出,補償電路模塊電性能的測試結果與仿真結果相比,其變化趨勢基本吻合,但測試的S參數值相比仿真結果較差,推測原因主要是電路板加工和射頻接頭的安裝,以及電路焊接所帶來的誤差。

3.2 組件級聯(lián)后性能測試

如圖14所示,對組件與補償電路模塊級聯(lián)后的傳輸性能進行測試。補償前后,鏈路測試結果如圖15所示。

圖14 組件及溫度補償電路模塊的級聯(lián)測試

圖15 補償前后鏈路S21相位高低溫測試結果對比

由圖15可以看出,補償前,相對于20℃下的傳輸相位,T/R組件在20℃～60℃范圍內,其傳輸相位最大變化約9°左右;補償后,相對于20℃下的傳輸相位,T/R組件在20℃～60℃范圍內,其傳輸相位在3°以內變化,經過實驗測試可以發(fā)現(xiàn),通過級聯(lián)溫度補償電路模塊,T/R組件的饋電鏈路傳輸相位溫漂減小約67%,有效地對T/R組件性能溫漂進行了補償。

4 結束語

本文提出了一種收發(fā)組件的溫度自補償電路設計方法,對有源相控陣天線電性能進行自動溫度補償?；谠撟匝a償方法, 研制了一種溫度自補償電路模塊,測試結果表明,自補償電路使組件的傳輸相位溫漂減小約67%,克服了數字芯片量化誤差導致的主動溫度補償精度受限的缺陷。