一種用于X波段T/R組件的小型化高平坦度耦合器設(shè)計

劉建勇+陳興國++王光池

摘 要： 為滿足X波段T/R組件定標和校正的需求，組件內(nèi)部需集成小型化、高性能的耦合器。微帶到帶狀線多階小孔耦合器在弱耦合情況下具有寬帶平坦的耦合特性、體積小、易于與射頻有源電路集成，非常方便在T/R組件的LTCC多層基板上實現(xiàn)。在設(shè)計過程中，首先根據(jù)多階小孔耦合的基本理論和公式確定小孔的數(shù)量和分布特征，再依據(jù)實際布局的限制在電磁場仿真軟件HFSS中建立參數(shù)化模型，最后通過HFSS的調(diào)諧優(yōu)化確定最優(yōu)的物理參數(shù)。仿真表明，該耦合器尺寸小于[λ04，]帶內(nèi)平坦度優(yōu)于±0.1 dB。該耦合器完全達到設(shè)計要求，可廣泛應(yīng)用于X波段小型化寬帶T/R組件中。

關(guān)鍵詞： X波段； 小型化耦合器； 小孔耦合； 高平坦度

中圖分類號： TN958.92?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）15?0063?03

Design of miniaturization high flatness coupler applied to X?wave?band T/R assembly

LIU Jianyong， CHEN Xingguo， WANG Guangchi

（No. 38 Research Institute of China Electronic Technology Corporation， Hefei 230088， China）

Abstract： To satisfy the requirements of calibration and correction for X?wave?band T/R assembly， in which small?size and high performance coupler should be integrated. In weak coupling condition， the microstrip?to?stripline multi?order hole?coupler has the advantages of flat coupling characteristic， small size and easy to integrate with radio frequency active circuits. This coupler is convenient to realize on LTCC multi?layer basic?plate of T/R assembly. In design process， firstly the number of the holes and their distribution features are determined according to the hole?coupling basic theory and formula. Then in combination with the restriction of actual layout， the parameterized model is established in the electromagnetic field simulation software HFSS. Finally the optimal physical parameter can be acquired by tuning and optimization in HFSS. The simulation results indicate that the coupler′ dimension is less than [λ04， ]and the flatness in band is better than ±0.1 dB. This coupler has reached the design requirements， and can be widely used in X?wave?band miniaturization T/R assembly.

Keywords： X?wave?band； miniaturization coupler； hole?coupling； high flatness

0 引 言

隨著相控陣技術(shù)在艦載、機載以及星載等平臺雷達載荷中的廣泛應(yīng)用，作為相控陣雷達中裝機數(shù)量最大的核心部件——T/R組件的體積、重量、可靠性等指標越來越受到關(guān)注[1]。相控陣天線設(shè)計時為避免柵瓣的產(chǎn)生，天線單元間距嚴格限制在[λ2]以內(nèi)，這也就限制了T/R組件中心距的大小以保證有源陣面與天線陣面的共口徑設(shè)計。當雷達工作頻段逐漸升高尤其是達到X波段及以上時，對T/R組件結(jié)構(gòu)尺寸的要求越來越苛刻。

為了在線監(jiān)測T/R組件發(fā)射信號強度和接收通道增益的變化及多通道間的不一致性，并完成對回波信號的相對標定工作，必須在T/R組件中增加小型化高性能的耦合器。

為提高組件集成度，設(shè)計的X波段T/R組件采用四通道集成形式，原理框圖如圖1所示。每個通道在環(huán)行器與組件天線接口之間加入耦合器，四個通道耦合信號經(jīng)功分/合成網(wǎng)絡(luò)后饋入定標/校正通道。

常規(guī)的耦合器采用平行耦合微帶線的方式來實現(xiàn)[2]，但占用表面器件安裝的空間，且不利于與帶狀線功分/合成器的集成設(shè)計。本文則介紹了一種采用微帶到帶狀線多階小孔耦合的形式實現(xiàn)高性能耦合器的方法。

1 耦合器設(shè)計

1.1 多階小孔耦合原理

自Bethe提出小孔耦合的基本理論后[3]，各國學(xué)者都對小孔耦合理論進行了深入研究，在波導(dǎo)耦合等場合中得到了廣泛應(yīng)用。而本文采用在微帶與帶狀線共用的平面上開小圓孔進行耦合的方式，其原理是電磁波利用小孔的衍射特點來實現(xiàn)能量耦合，這是一個復(fù)雜的邊界條件問題，在數(shù)學(xué)上嚴格求解是十分困難的。在實際工程應(yīng)用時，常采用近似的方法，即當小孔尺寸遠小于電磁波波長時，可以把小孔等效為電偶極子和磁偶極子的組合，利用有源傳輸線方程求解模式電壓從而得到耦合小孔的散射參量。

圖1 X波段四通道T/R組件原理框圖

為了拓展耦合器的帶寬，往往采用多孔耦合的辦法，并且孔徑大小和間距按一定規(guī)律變化，以使耦合強度滿足某種分布。設(shè)計的微帶到帶狀線多階小孔耦合的模型結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 微帶到帶狀線多階小孔耦合結(jié)構(gòu)示意圖

在弱耦合條件下，該耦合器的前向耦合[D]和后向耦合[C]可根據(jù)式（1）～式（4）計算[4?5]。式中參數(shù)的含義可參考圖2，[w]為帶狀線的線寬，[wm]為微帶線的線寬，[ε′r]為帶狀線介質(zhì)的相對介電常數(shù)，[ε″r]為微帶線介質(zhì)的相對介電常數(shù)，而[ε″reff]則是微帶線介質(zhì)的有效相對介電常數(shù)，[Zc]為微帶線的特征阻抗，[βgms]和[βgs]是微帶線和帶狀線中的傳播常數(shù)，[dki]是第[k]個小孔和第[i]個小孔之間的距離，[N]為小孔的數(shù)目，[αe]和[αm]分別是電極化率和磁化率。利用這些公式可以指導(dǎo)多階小孔耦合器的設(shè)計。

[D（dB）=20lgZc120λh2bF（m）?i=1Nαeε′rε″reffε′r+ε″reff+αmε′rε″reff?e-j（dNiβgms+dkiβgs）]

[C（dB）=20lgZc120λh2bF（m）?i=1Nαeε′rε″reffε′r+ε″reff-αmε′rε″reff?e-j（βgms+βgs）dki]

[F（m）=8b2-b2b2-∞∞dxdy1-m2cosh2πx+jyb] （3）

[m=sechπw2b] （4）

1.2 耦合器設(shè)計

低溫共燒陶瓷（LTCC）由于具有低損耗、高集成度以及良好的微波性能，是實現(xiàn)微波組件小型化、高密度組裝的理想基板技術(shù)，在微波組件中得到廣泛應(yīng)用。本文所涉及到的X波段T/R組件也是采用LTCC作為微波基板，采用牌號為Ferro A6的LTCC材料，其相對介電常數(shù)為5.9，單層LTCC燒結(jié)后約為0.096 mm。設(shè)計的耦合器采用微帶為兩層LTCC，帶狀線為上下各三層LTCC，即圖2中的[h]為0.192 mm，[b]為0.576 mm。

由于T/R組件從環(huán)行器輸出口到組件天線接口之間的縱向間距不足2 mm，不能滿足耦合器的長度要求，為充分利用橫向空間，設(shè)計微帶線走線形式為雙“幾”字形，為達到所需的帶內(nèi)平坦度要求，采用五孔耦合且關(guān)于中心對稱，在HFSS建立的仿真模型如圖3所示。該圖給出的仿真模型中，帶狀線的特征阻抗是38 Ω而非常用的50 Ω，這是為了兼顧二階帶狀線功分/合成網(wǎng)絡(luò)可制造性的緣故。

圖3 仿真模型圖

2 仿真優(yōu)化

耦合器工作頻率范圍為8.8～10.4 GHz，設(shè)計耦合度為20 dB。經(jīng)過仿真優(yōu)化，最終設(shè)計參數(shù)如下：[w=]0.33 mm，wm=0.29 mm，r1=0.253 mm，r2=0.382 mm，r3=0.276 mm，d1=0.785 mm，d2=0.808 mm，整個耦合器占用的面積僅為1.47 mm×4.10 mm。為了實現(xiàn)良好的駐波匹配，對微帶線和帶狀線在耦合區(qū)域的線寬進行了局部補償。

圖4～圖7給出了仿真的結(jié)果，可見在整個工作頻段內(nèi)四個端口駐波均優(yōu)于1.05，插入損耗小于0.15 dB，耦合度為20 dB，在1.6 GHz帶寬內(nèi)帶內(nèi)平坦度小于±0.1 dB，定向性大于8.5 dB。該仿真結(jié)果符合設(shè)計目標，尤其是帶內(nèi)平坦度指標非常好，完全滿足工程應(yīng)用需要，非常適用于寬瞬時帶寬信號的應(yīng)用場合如高分辨SAR成像雷達中的T/R組件。實際制作時，可將隔離口的50 Ω負載采用LTCC內(nèi)埋電阻方式集成到帶狀線同層上以節(jié)約空間[6]。

圖4 各端口電壓駐波比仿真結(jié)果

圖5 直通端口插入損耗仿真結(jié)果

3 結(jié) 論

小孔耦合在弱耦合情況下，在寬頻帶范圍內(nèi)具有較平坦的耦合特性[7]、體積小、易于與平面電路集成等特點。本文介紹了一種采用微帶到帶狀線多階小孔耦合方式設(shè)計的耦合器，其采用LTCC基板技術(shù)。仿真表明該耦合器具有高平坦度、體積小等突出優(yōu)點，非常適用于X波段小型化寬帶T/R組件。

圖6 耦合度仿真結(jié)果

圖7 定向性仿真結(jié)果

參考文獻

[1] 王光池，劉建勇，陳興國.X波段微波垂直互連電路設(shè)計[J].硅谷，2014（6）：23?25.

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[3] BETHE H A. Theory of diffraction by small holes [J]. Physical Review， 1944， 66（3）： 163?182.

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[5] RAMBABU K， BORNEMANN J. Analysis and design of profiled multiaperture stripline?to?microstrip couplers [J]. IEE Proceedings： Microwaves， Antennas and Propagation， 2003， 150（11）： 484?488.

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[7] 龔海剛，陳隨斌.微帶傳輸線間的小孔耦合分析[J].雷達科學(xué)與技術(shù)，1997（3）：9?15.