0 引 言
随着微波技术的发展和战术市场需求的提高，基于片式架构的更高集成度、更低剖面的有源相控阵天线技术是解决雷达导引头高集成、轻小型化的有效途径[1-3]。片式有源相控阵天线在横向尺寸严格受限的情况下，基于多层微波数字复合基板层叠互联技术，将天线辐射面、散热板、片式收发组件(T/R Module，简称T/R组件)和综合馈电多功能板等垂直于阵面方向进行压缩排布，利用弹性互连、金属化过孔等代替了大量的连接电缆和线束，因而其集成度更高、体积更小、天线剖面更低、重量更轻、互联损耗更小、可靠性更高[4]。
本文研制的Ku波段综合馈电多功能板是片式有源天线的核心部件之一，位于片式T/R组件后端，负责多个片式T/R组件功率的分配与合成，同时具备为各T/R组件提供电源及控制链路的功能。文中对多功能板的功能组成、材料叠层进行了说明，重点介绍了基于带状线的威尔金森功分圆环形射频收发网络的设计，收发网络分口、总口微波垂直互联电路的设计，最后加工了验证样件，并设计专用测试工装对多功能板的射频性能进行了测试。实测结果表明，研制的Ku波段综合馈电多功能板符合相应的技术指标要求，确保了有源相控阵雷达天线片式集成的可行性。
1 方案设计
Ku波段综合馈电多功能板主要实现以下功能：1)射频收发网络功能，发射时将射频总口的激励信号分配给16个片式T/R组件，接收时将16个片式T/R组件的射频信号合成为一个全阵总口；2)电源分配网络功能，将电源总口的各种工作电源分配给16个片式T/R组件和阵面波控；3)阵面波控及波控分配网络功能，将上级波控发来的波束控制指令、码值、时序解析后分发给16个片式T/R组件。多功能板外形如图1所示，分为正反两面布局，正面为射频面，设置射频和低频焊盘接口，通过毛纽扣、弹性连接器实现与片式T/R组件的对接；背面为波控及电源面，主要包括收发网络总口SMP连接器、控制信号连接器、电源信号连接器、波控复杂可编程逻辑器件 (Complex Programmable Logic Device，简称CPLD)、接口驱动电路及相应的阻容电感等器件。
(a) 多功能板正面
(b) 多功能板背面
图1 多功能板外形图
多功能板由8层内埋电阻式微波数字基板层压而成，其中上半部分为射频收发网络部分，微带板材选用Arlon公司的CLTE-XT芯板及28型半固化粘接片。多功能板下半部分为电源分配及波束控制网络部分，选用FR-4板材。射频收发网络、电源分配网络和波控分配网络分别置于不同的叠层，各功能层通过板内走线及金属化过孔进行信号互联。不同信号网络各自独立不交叉，且设置独立的接地层保证信号完整性[5]。
2 关键电路设计
2.1 收发网络设计
射频收发网络采用四级一分二网络级联的形式构成一分十六网络，选用标准TEM波的带状线传输类型，信号损耗相对于微带线小且抗干扰能力强[6-7]。
根据经典设计方法，一分二网络采用单节威尔金森功分圆环形实现，结合选用的介质基板参数及工作频段，计算出特性阻抗50 Ω的微带线宽度、带状线宽度和四分之一波长线在70.7 Ω的传输线宽度，功分网络中的隔离电阻采用CLTE-XT-50板材，隔离电阻100 Ω。对一分二功分器各关键参数设置变量并赋予初始值，并重点优化圆环的线宽长度等参数，优化后的功分器模型如图2所示，仿真优化结果如图3、图4所示，总口驻波、分口驻波<1.1，两分口隔离度≥24.5 dB，包含功分比在内的插损≤3.11 dB，仿真结果满足使用要求。
图2 一分二威尔金森带状线功分器仿真模型
图3 端口驻波仿真结果
图4 插损和隔离度仿真结果
2.2 射频分口设计
由于片式T/R组件与多功能板射频接口为垂直型毛纽扣结构，在设计中需将收发网络带状线转成微带线后开槽安装毛纽扣。对毛纽扣结构以及带状线转微带图形进行仿真优化，其中毛纽扣结构的内导体、介质套、外导体、空气腔、接地等需精确建模[8]，模型如图5所示。仿真结果如图6所示，端口驻波≤1.09，插损≤0.03 dB。
图5 毛纽扣-微带转带状线过渡仿真模型
图6 毛纽扣-微带转带状线过渡仿真结果
2.3 射频总口设计
射频收发网络位于多功能板中间层，且工作频率高，考虑带状线和微带之间的过渡补偿问题，射频总口连接器选用表贴SMP。由于多功能板下方是FR-4低频板，所以在设计中收发网络总口需将带状线通过金属化过孔转成微带线后开槽焊接SMP连接器，对SMP模型以及带状线转微带线图形进行仿真建模，模型如图7所示。仿真结果如图8所示，端口驻波≤1.06，两端口之间的插损≤0.042 dB，满足使用要求，可以按这个模型设计总口微带匹配图形及带状线转微带线过渡图形。
图7 SMP-微带转带状线仿真模型
图8 SMP-微带转带状线仿真结果
2.4 电源及波控网络设计
多功能板电源分配网络主要是为了满足多功能板各有源模块的用电需求，实现将外部电源进行隔离变换，为T/R组件及波控器件等各用电器件提供所需电压的功能。波控网络主要功能是解析上位机发来的控制指令，将上位机发来的波束控制码值、时序转发给各T/R组件，并按指令预先存储后续波位的码值。
电源及波控器件位于多功能板背面，布局时将电源与控制连接器分别置于多功能板两侧，小信号的波控器件尽量远离电源连接器，以防对小信号有影响。叠层设计上使用了5张FR-4芯板，不同信号层通过电源层和地层进行隔离，来减少电磁干扰的影响。
3 测试结果与分析
多功能板集成三大功能，电源分配网络需要验证通断情况，波束控制网络性能在有源天线级验证，射频收发网络性能指标验证需要借助专用测试工装进行。射频浮动集成模块是专为图1所示待测多功能板设计的射频性能测试工装，提供16路毛纽扣转同轴连接器方案，通过毛纽扣与多功能板正面焊盘的可靠接触，将多功能板16路射频分口焊盘转为同轴连接器界面，方便可测。测试仪表为矢量网络分析仪，测试时空余端口全部接50 Ω匹配负载。测试现场照片如图9所示。
图9 测试现场照片
(a) 相位
(b) 幅度
(c) 分口驻波
(d) 总口驻波
图10 典型通道测试结果
图10为多功能板典型通道的射频性能测试结果。15～17 GHz工作频带内，收发网络总口驻波<1.9，分口驻波<1.3，含一分十六功分比在内的插入损耗<16 dB，相邻分端口的隔离度>20 dB，且不同分口至总口的幅度一致性≤0.602 dB，相位一致性≤6.429°。与仿真结果相比，实物测试结果稍有恶化。恶化原因包括毛纽扣转同轴连接器测试工装压接力度和接地的影响、射频总口SMP连接器焊接工艺的偏差以及多级级联传输线不连续的影响，但影响均在可接受范围内，满足设计要求。
4 结束语
本文介绍了一种用于片式有源相控阵天线的Ku波段综合馈电多功能板的研制。对基于威尔金森功分器设计的收发网络，射频分口毛纽扣垂直互联结构、射频总口SMP垂直互联结构的设计进行了详细阐述，最后利用专用测试工装对Ku波段综合馈电多功能板的射频性能进行了测试。实测结果表明研制的Ku波段一分十六网络具有较好的驻波、插损、隔离度、一致性等性能指标，保证了某低剖面弹载多功能有源天线样机的实现。
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