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如何改进射频通道隔离度?

2021-09-13 高速射频百花潭 阅读:
本文针对机载雷达综合网络中射频通道不同功能射频信号隔离度不足的问题,通过耦合模式分析、仿真验证、实物测试,提出了改进综合网络射频通道隔离度的具体措施,并进行了实物验证。

    为了改进机载雷达综合网络射频通道之间的射频隔离度,文中根据射频通道之间的耦合模式分析和仿真计算提出了两种改进措施以抑制射频信号间的耦合效应。改进后综合网络射频通道间的隔离度提高了约 20 dB,满足雷达阵面使用要求。针对机载雷达严苛的环境条件,进一步改进了综合网络射频印制板的设计和射频连接器的设计,使之通过了机载环境试验考核,该方法可以广泛用于工程实践中。4Rjednc

相控阵雷达综合网络是雷达中负责各个系统模块之间射频、控制、电源以及光信号等信号互联分配的传输网络的总称。随着电子科技的迅速发展,机载相控阵雷达等电子设备系统越来越向着高集成、小型化、轻量化、多功能化等方向发展,综合网络中传输的信号种类越来越多,空间尺寸越来越小。目前,已经有不少文献对综合网络高集成设计进行了研究,并对集成设计的信号完整性和电源完整性进行了相关分析 ,但对高集成综合网络中射频网络间隔离度的分析较少。4Rjednc

    本文针对机载雷达综合网络中射频通道不同功能射频信号隔离度不足的问题,通过耦合模式分析、仿真验证、实物测试,提出了改进综合网络射频通道隔离度的具体措施,并进行了实物验证。考虑到机载环境条件下对可靠性的要求,本文进一步针对环境试验中出现的问题对综合网络进行了相应设计及工艺改进,验证了隔离度改进后综合网络的环境适应性 。4Rjednc

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1 机载综合网络的组成4Rjednc

 

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本文研究的机载雷达综合网络是机载雷达中负责给接收/发射组件(T/R 组件)等功能模块分配和传输各种类型信号的核心模块,综合网络中集成了射频、低频及电源传输等各种传输分配功能。随着雷达技术的快速发展,综合网络射频通道中传输的信号种类不断增加,集成度不断提高。空间紧凑布局导致射频信号极易发生能量泄露并产生耦合效应,影响系统正常工作。因此,目前射频隔离度已成为综合网络设计的一个重要指标。

如图 1 所示,机载雷达综合网络主要由高频印制板、绝缘板、低频印制板以及结构件等组成。其中,射频信号在综合网络中的传输网络,即射频通道,主要是由高频印制板和射频连接器来实现的,高频印制板负责射频信号的合成、分配等功能,焊接在印制板表面的射频连接器实现与外部模块的互联。综合网络射频印制板中集成了雷达所需的发射激励信号、接收信号、本振信号和监测信号等多种功能的传输分配网络,这些射频网络具有工作带宽大、幅度相位指标要求高等特点,并且不同网络信号能量相差较大。如果射频网络之间的隔离度较低会出现相互串扰、幅度相位恶化等负面影响,影响设备正常工作。4Rjednc

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图 1 机载雷达综合网络的组成及射频网络耦合路径示意图4Rjednc

可以看出,机载雷达综合网络中不同功能射频网络的耦合可分为两个类型:耦合类型 1 为射频连接器焊接位置的微带线处发生的空间能量泄露产生的耦合效应;耦合类型 2 为高频印制板内部不同传输网络的带状传输线间的耦合效应。这两种耦合效应的存在会使不同功能的射频信号存在相互串扰,导致其射频隔离度较差。4Rjednc

2 射频通道隔离度影响分析4Rjednc

为了了解上述两种耦合效应对隔离度的影响,根据综合网络的实际布局建立仿真模型进行了全场仿真计算和分析,并针对不同耦合路径提出了相对应的改进设计方法。
本文研究的综合网络使用的射频连接器为 SMP形式,通过焊接和高频印制板形成互联。为了提高焊接的可靠性,通常,高频印制板中的带状传输线通过金属化孔过渡到印制板表面的微带传输线,同时,SMP连接器芯线导体折弯 90°,使射频连接器芯线导体平行于微带传输线并与印制板表面微带线焊接,折弯后平行于微带线的射频连接器芯线导体长度约 3 mm。
由于微带传输线的电磁场分布特性,有部分射频信号会泄露到外部空间,导致不同网络之间射频串扰的产生,即图 1 中耦合类型 1 的耦合路径。为了定量分析这种耦合效应对隔离度的影响,如图 2 所示,按照综合网络中两个相距较近的射频连接器区域的实际布局建立了全场仿真模型进行仿真计算。仿真隔离度曲线显示,两个射频网络的射频连接器端口射频耦合较强,隔离度较小,频带内部分频点隔离度约 55 dB。

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图 2 印制板射频连接器隔离度仿真模型及仿真结果4Rjednc

为避免射频网络中传输的电磁能量向外部空间泄露,可以降低耦合类型 1 导致的隔离度下降,基于此改进了 SMP 连接器设计及焊接方式,如图 3 所示。

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图 3 印制板射频连接器隔离度改进后仿真模型及仿真结果4Rjednc

改进后射频连接器芯线直接焊接到印制板表面圆形焊盘上,连接器射频地完全屏蔽芯线焊点。这种焊接方式不需要微带线,直接使印制板上的带状线直接转变为射频连接器中的同轴传输模式,避免了射频信号向空间泄露。图 3 为按照这种改进设计仿真计算得到的端口 1 和端口 2 之间的隔离度,可以看出两个网络射频隔离度大于 110 dB,相较于改进前得到显著的提高。
另一方面,综合网络中不同射频网络集成在同一块高频印制板上,距离较近的同层射频信号传输线之间存在相互耦合,即图 1 所示的耦合类型 2。使用金属化屏蔽孔对带状线进行了屏蔽,降低这种耦合效应,不过金属化屏蔽孔不能实现对带状线的完全屏蔽,依然存在串扰导致隔离度下降。文中射频网络高频印制板设计带状线基于 0.508 mm 厚的微波板 CLTE-XT04055,通过TANCONIC 公司厚度为 0.1 mm 的半固化片 FR28-040-50 热压形成,按照50 Ω 特性阻抗带状线,线宽设计为0.7 mm。如图4 所示,截取高频印制板的局部区域进行仿真建模,高频印制板中的两条平行带状线长度为 l,间距为 d,带状线两边使用直径为 0.4 mm、间距为 0.9 mm 的金属化孔进行射频屏蔽。模型中平行带状线长度 l 设置为中心工作波长的1/4,即0.25λ,间距 d 设置为2 mm。

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图 4 印制板平行带状线间隔离度仿真模型及仿真结果4Rjednc

从图中可以看出,两条射频传输线之间的隔离度较低,最低仅为 62 dB,同时仿真结果显示端口 1 到端口 4 的隔离度和端口 1 到端口 3 的隔离度曲线表现出不同的特性。
为了评估各设计参数对平行带状线间隔离度的影响,对多种情况进行了仿真分析。首先对平行带状线长度对隔离度的影响进行仿真,如图 5a)所示,平行带状线的长度 l 从 0.25λ 增加到 4λ,随着平行带状线的长度增加,隔离度整体表现为下降趋势,尤其是端口 1 到端口 4 的隔离度显著降低。需要说明,当 l=0.5λ 时,隔离有明显增高趋势,这种现象可以用耦合传输线理论进行解释 。从图 5b)可以看出,端口 1 到端口 3 的隔离度和端口 1 到端口 4 的隔离度随着带状线间距 d 的增加而稳定增加,当间距为 3.0 mm 时,隔离度大于 86 dB。另外,在间距 d 超过 3.0 mm 时,考虑到加工工艺可以使用双排屏蔽孔对两条带状线进行隔离,仿真计算表明双排屏蔽孔可以小幅增加隔离度约 2 dB,同样进行两排屏蔽孔错位的仿真计算,仿真结果表明屏蔽孔错位设计对隔离度几乎没有影响。

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图 5 印制板平行带状线间隔离度随带状线长度及间距的变化曲线4Rjednc

仿真分析结果表明:为了降低同层带状线间的耦合效应,即使在有金属化屏蔽孔的情况下,仍然需要防止带状传输线间距过近,避免带状线长距离平行布局,同时适当使用尽量多的金属化孔进行屏蔽。据此对综合网络高频印制板进行改进设计,在高集成设计的同时,仿真计算隔离度提高了 20 dB 以上。4Rjednc

3 隔离度测试及验证4Rjednc

按照上述两种改进措施对综合网络进行隔离度改进设计,并使用大动态范围矢量网络分析仪对改进前后的综合网络射频通道的隔离度进行测试,如图 6a)所示,测试时除被测端口外,其他端口全部连接负载。图 6b)为隔离度测试的典型曲线,隔离度随频率变化明显,带内最小的隔离度定义为当前测试点的射频隔离度。

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图 6 隔离度实际测试照片及测试结果4Rjednc

对各个测试点改进前后的隔离度进行了整理,结果如表 1 所示。
表 1 综合网络隔离度改进前后测试隔离度对比 dB

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可以看到,每个测试点隔离度都有显著改善。改进前后的最小隔离度从 57 dB 提高到 76 dB,提高了19 dB。

4 机载环境试验4Rjednc

根据上述改进措施,改进后的综合网络使用的 SMP连接器为垛性焊接形式,考虑到机载使用环境温度变化、机械振动等条件比较恶劣,需要进行相关环境试验验证其可靠性。为了接近综合网络真实的使用状态,使用完整状态的综合网络进行环境试验,其装配了高频印制板、低频印制板、绝缘板和结构盖板等各种部件。环境试验项目包括高低温贮存试验、温度冲击试验、冲击试验和耐久振动试验等机载环境试验项目。

    在环境试验中,隔离度改进后的综合网络部分端口出现了射频传输幅度显著下降的问题,通过对试验综合网络进行 X 光检测,发现对应端口 SMP 射频连接器垛性焊接焊点有虚焊现象并在环境试验中断裂。经分析认为此焊接不良的原因有:4Rjednc

(1)故障 SMP 连接器尺寸偏差过大,不能保证与印制板焊盘设计匹配;4Rjednc

(2)印制板焊盘直径较小,芯线焊接强度难以保证。4Rjednc

针对上述环境试验问题又采取了相应的改进措施,同时为保证焊接质量,射频连接器焊接完成后需要全部经过 X 光等手段进行检测保证焊接质量,最终使综合网络通过了所有机载环境试验项目。

5 结束语4Rjednc

机载雷达综合网络中集成了多种信号传输的功能,其中不同功能的射频网络之间存在信号的相互耦合,影响系统的正常功能。本文提出了改进机载雷达综合网络射频通道隔离度的两种措施,改进后综合网络 射频通道不同功能网络之间的隔离度可以达到76 dB 以上,保证了系统功能的正常使用。(参考文献略)4Rjednc

作者:刘 垄,张成浩;文章来源:现 代 雷 达

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