C波段延时组件幅度补偿设计

戈海清,刘永锋,何建平

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

C波段延时组件幅度补偿设计

戈海清,刘永锋,何建平

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

延时组件在不同的延时态之间，其传输线的插入损耗相差很大。为此，提出一种在各基态中引入π型电阻衰减网络，用于补偿各延时态之间的插损差。对π型电阻衰减网络进行了详细的理论计算和建模仿真。分析了引入π型电阻衰减网络后对延时组件的相位影响，以及π型电阻衰减网络中电阻上的功率分布。给出了延时组件的实物布局图和实际测量的接收增益数据。测试的数据显示，通过幅度补偿后其接收增益带内起伏小于±0.5 dB，同时也验证了该幅度补偿技术的准确性和可行性。

延时；衰减网络；补偿；相位；功率

0 引 言

相控阵雷达的瞬时带宽较宽，具有抗干扰能力强、空间分辨力高、穿透性能好等许多独特的优点，因而在目标识别、遥感测距、合成孔径雷达等众多电子信息领域广泛应用。大孔径、宽带相控阵天线，其扫描波束指向随工作频率变化会产生漂移，严重制约了相控阵雷达的瞬时工作带宽，影响雷达的功能发挥。在相控阵天线阵元或子阵上采用延时放大组件是改善波束指向频响的有效技术措施。[1]

延时放大组件从最小的延时态到最大的延时态，其插入损耗的变化会有几个分贝。这种输出功率电平的变化可能会超出延时放大组件激励功率放大器的容差，或可能会导致在阵列口径上产生不需要的幅度畸变。因此，必须对插入损耗的变化进行补偿。

本文提出了一种延时组件的幅度补偿设计技术，同时对幅度补偿电路的幅度起伏、相位影响、耐功率容量进行了详细分析，通过仿真和试验测试对比验证了补偿技术的可行性和实用性。

1 原理分析

延时组件的每一位态都存在延时态和基准态。延时放大组件工作时，根据所需的延时补偿利用开关在各延时态和基准态之间进行选择。由于每位延时态和基准态所使用的传输线长度不同，造成在两种状态之间转换时其插入损耗必然不同，特别是在大延时位上其延时态和基准态之间的插入损耗可能相差几个分贝。这就需要在基准态上增加衰减补偿网络，使延时态和基准态之间的插损基本一致。图1所示为一个五位延时放大组件示意图。

图1 五位延时放大组件示意图

衰减补偿网络的实现型式有多种多样，如数控衰减补偿、固定衰减器补偿、电阻网络衰减补偿等，其中电阻网络衰减补偿最为实用，可调性强。根据需要增加衰减补偿的大小，可以选择不同的电阻衰减网络形式。如图1所示，在1λ、2λ的延时态中，因传输线引入的插入损耗较小，可以采用串联电阻的补偿方式，而在4λ、8λ延时态中则可以采用π型电阻衰减网络的补偿方式。图2所示为电阻衰减网络的电路图。

图2 电阻衰减网络图

[ABCD]参量反映了网络的输入输出端口之间电压和电流的关系，特别适合网络的级联。图2中的电阻网络可以用[ABCD]参量表示。

图2(a)中串联电阻的[ABCD]参量矩阵为

(1)

图2(b)中并联电阻的[ABCD]参量矩阵为

(2)

图2(c)中π型网络的[ABCD]参量矩阵为

(3)

散射参量[S]采用入射波和反射波的归一化电压表征网络端口的相互关系，在射频微波电路中更有利于分析、计算和直接测试。若网络两端口所接特性阻抗为Z0，则归一化的[ABCD]参量矩阵和[S]散射参量的转换关系为[2]

(4)

(5)

(6)

(7)

设衰减量为L，且在衰减网络两端口都匹配的条件下，则衰减量可表示为

L(dB)=20lg|S21|，10lg|S11|=-∞

(8)

联立求解上述方程组后，可得到图2(c)中π型电阻衰减网络各电阻值与衰减量的关系式：

(9)

(10)

延时组件中延时线的电路基板采用RT6002覆铜板，其介电常数εr=2.94，介电损耗为0.0012。在中心频率为5.4 GHz时，1λ传输线的插入损耗大概为0.2 dB，8λ传输线的插入损耗大概为1.3 dB。根据式(9)、(10)，可以计算出每个波长上电阻补偿网络中相应的电阻值，如表1所示。

表1

利用HFSS电磁仿真软件可以对表1中计算出的电阻衰减网络进行建模仿真。其仿真模型如图3所示。

图3 电阻衰减网络模型

通过仿真计算分别得到了1λ、2λ、4λ、8λ延时态补偿电阻衰减网络的插入衰减值，如图4所示。图4中显示的仿真结果与表1中理论计算的结果之间有微量的差值。这是因为理论计算时设定衰减网络两端口都理想匹配，而在建模仿真计算中电路中插入了电阻网络，电阻网络与微带线的连接处不是理想的完全匹配，存在一定的反射损耗。

2 相位影响

延时组件对于延时相位误差有很高的要求，每一个延时态和其基态之间有固定的延时相位差关系。这就决定了如果在基态中引入补偿电阻网络后，若其基态的插入相位发生变化，就需要在延时态中将其相位进行补偿，以保证延时态和其基态两者之间的相位差固定不变。

图4 插入衰减值

电阻衰减网络对相位的影响主要取决于衰减量和工作频率。随着衰减量的增加或者工作频率的提高，电路中插入的相位也将线性地加大。利用仿真软件，对各基态的插入衰减补偿网络进行了仿真，得到其对相位的影响，如图5所示。从图5中可以看出，在中心频率为5.4 GHz、衰减量小于2 dB时，其对相位的影响在±1°的范围内。

图5 插入相位差

3 功率分布

延时组件的每一位基态加入了电阻衰减网络进行补偿。由于电阻衰减网络是对通过的功率进行衰减，衰减掉的功率必定耗散在组成衰减网络的电阻上，所以每个电阻能够承受的功率就必须进行考虑。利用ADS软件可以建立电路模型对电阻衰减网络上的功率分布进行仿真计算，其仿真模型如图6所示。

图6 衰减网络仿真模型

延时组件的发射激励功率为10 dBm，8λ延时态对应的基态需引入衰减1.3 dB。从图7的仿真结果可以看出，衰减的功率全部耗散在R2上，其耗散的功率为3 mW 。通过仿真也可以得知，衰减量在10 dB以下时其衰减的功率主要耗散在串联电阻上，而衰减量大于10 dB时其衰减的功率主要耗散在并联电阻上。

图7 电阻上耗散的功率

4 组件设计验证与测试

利用上述的计算分析，设计制作了一个C波段的五位延时组件，对其各延时基态进行幅度补偿，补偿的延时组件实物如图8所示。由于理论计算出来各衰减量的电阻值非常用标准阻值，所以各延时态电阻衰减网络的阻值选择，以分析计算结果为基础就近选择标准阻值的电阻。

图8 补偿网络实物图

图9 接收增益图

通过对延时组件各延时态的接收增益进行测试，得到的测试结果如图9所示。从图中可以看出，在工作带宽范围内其增益起伏为±0.5 dB。

5 结束语

本文分析了一种延时组件的幅度补偿技术，利用其分析计算结果设计制作了一种C波段五位延时组件。通过对延时组件的电性能测试数据和仿真数据进行对比，验证了补偿技术的准确性和可行性。此幅度补偿技术已应用于某星载产品的延时放大组件。

[1] 束咸荣,何炳发,高铁.相控阵雷达天线[M].北京:国防工业出版社,2007.7.

[2] Reinhold Ludwig,Pavel Bretchko.射频电路设计-理论与应用[M].北京:电子工业出版社,2002.5.

[3] 张光义,赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京：电子工业出版社,2006.8.

[4] 张艺耀,冯长江.射频衰减器的数值计算及仿真[J]. 电子设计工程,2016(9).

[5] 李树良,王绪存,王琦.C波段小型化高精度驱动延时组件的研制[J].微波学报,2016(8).

[6] 黄玉兰.射频电路理论与设计[M].北京：人民邮电出版社,2008.10.

Amplitude compensation design of a C-band time delay module

GE Hai-qing, LIU Yong-feng, HE Jian-ping

(No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088 )

The insertion loss of the transmission line is quite different for the time delay module in different time delay states. In order to compensate the insertion loss difference, a kind of π-type resistance attenuation network is proposed in the ground states. The detailed theoretical calculation and modeling simulation of the π-type resistance attenuation network have been carried out. The effect of the π-type resistance attenuation network on the phase of the time delay module has been analyzed. And the power distribution of the π-type resistance attenuation network has been discussed. The layout of the π-type resistance attenuation network in the time delay module and the measured receive gain data are provided. The tested data show that the receive gain fluctuation in band is less than ±0.5 dB after the amplitude compensation by using the π-type resistance attenuation network. The accuracy and feasibility of the amplitude compensation technique are also verified.

time delay; attenuation network; compensation; phase; power

TN812

A

1009-0401(2017)04-0015-04

2017-09-27；

2017-10-29

戈海清(1977-)，男，工程师，研究方向：微波天馈系统；刘永锋(1971-)，男，高级工程师，研究方向：微系统；何建平(1984-)，男，高级工程师，研究方向：微波天馈系统。