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射频通道隔离度改进研究

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。

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。

    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 。

 

1 机载综合网络的组成

 

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。

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。

    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 。

 

1 机载综合网络的组成

 

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。

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。

 

2 射频通道隔离度影响分析

 
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。

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。

 

2 射频通道隔离度影响分析

 
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。
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。
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。