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          射頻通道隔離度改進研究

          為了改進機載雷達綜合網絡射頻通道之間的射頻隔離度,文中根據射頻通道之間的耦合模式分析和仿真計算提出了兩種改進措施以抑制射頻信號間的耦合效應。改進后綜合網絡射頻通道間的隔離度提高了約 20 dB,滿足雷達陣面使用要求。針對機載雷達嚴苛的環境條件,進一步改進了綜合網絡射頻印制板的設計和射頻連接器的設計,使之通過了機載環境試驗考核,該方法可以廣泛用于工程實踐中。

          相控陣雷達綜合網絡是雷達中負責各個系統模塊之間射頻、控制、電源以及光信號等信號互聯分配的傳輸網絡的總稱。隨著電子科技的迅速發展,機載相控陣雷達等電子設備系統越來越向著高集成、小型化、輕量化、多功能化等方向發展,綜合網絡中傳輸的信號種類越來越多,空間尺寸越來越小。目前,已經有不少文獻對綜合網絡高集成設計進行了研究,并對集成設計的信號完整性和電源完整性進行了相關分析 ,但對高集成綜合網絡中射頻網絡間隔離度的分析較少。

              本文針對機載雷達綜合網絡中射頻通道不同功能射頻信號隔離度不足的問題,通過耦合模式分析、仿真驗證、實物測試,提出了改進綜合網絡射頻通道隔離度的具體措施,并進行了實物驗證?紤]到機載環境條件下對可靠性的要求,本文進一步針對環境試驗中出現的問題對綜合網絡進行了相應設計及工藝改進,驗證了隔離度改進后綜合網絡的環境適應性 。

           

          1 機載綜合網絡的組成

           

          本文研究的機載雷達綜合網絡是機載雷達中負責給接收/發射組件(T/R 組件)等功能模塊分配和傳輸各種類型信號的核心模塊,綜合網絡中集成了射頻、低頻及電源傳輸等各種傳輸分配功能。隨著雷達技術的快速發展,綜合網絡射頻通道中傳輸的信號種類不斷增加,集成度不斷提高。空間緊湊布局導致射頻信號極易發生能量泄露并產生耦合效應,影響系統正常工作。因此,目前射頻隔離度已成為綜合網絡設計的一個重要指標。

          如圖 1 所示,機載雷達綜合網絡主要由高頻印制板、絕緣板、低頻印制板以及結構件等組成。其中,射頻信號在綜合網絡中的傳輸網絡,即射頻通道,主要是由高頻印制板和射頻連接器來實現的,高頻印制板負責射頻信號的合成、分配等功能,焊接在印制板表面的射頻連接器實現與外部模塊的互聯。綜合網絡射頻印制板中集成了雷達所需的發射激勵信號、接收信號、本振信號和監測信號等多種功能的傳輸分配網絡,這些射頻網絡具有工作帶寬大、幅度相位指標要求高等特點,并且不同網絡信號能量相差較大。如果射頻網絡之間的隔離度較低會出現相互串擾、幅度相位惡化等負面影響,影響設備正常工作。

          相控陣雷達綜合網絡是雷達中負責各個系統模塊之間射頻、控制、電源以及光信號等信號互聯分配的傳輸網絡的總稱。隨著電子科技的迅速發展,機載相控陣雷達等電子設備系統越來越向著高集成、小型化、輕量化、多功能化等方向發展,綜合網絡中傳輸的信號種類越來越多,空間尺寸越來越小。目前,已經有不少文獻對綜合網絡高集成設計進行了研究,并對集成設計的信號完整性和電源完整性進行了相關分析 ,但對高集成綜合網絡中射頻網絡間隔離度的分析較少。

              本文針對機載雷達綜合網絡中射頻通道不同功能射頻信號隔離度不足的問題,通過耦合模式分析、仿真驗證、實物測試,提出了改進綜合網絡射頻通道隔離度的具體措施,并進行了實物驗證?紤]到機載環境條件下對可靠性的要求,本文進一步針對環境試驗中出現的問題對綜合網絡進行了相應設計及工藝改進,驗證了隔離度改進后綜合網絡的環境適應性 。

           

          1 機載綜合網絡的組成

           

          本文研究的機載雷達綜合網絡是機載雷達中負責給接收/發射組件(T/R 組件)等功能模塊分配和傳輸各種類型信號的核心模塊,綜合網絡中集成了射頻、低頻及電源傳輸等各種傳輸分配功能。隨著雷達技術的快速發展,綜合網絡射頻通道中傳輸的信號種類不斷增加,集成度不斷提高。空間緊湊布局導致射頻信號極易發生能量泄露并產生耦合效應,影響系統正常工作。因此,目前射頻隔離度已成為綜合網絡設計的一個重要指標。

          如圖 1 所示,機載雷達綜合網絡主要由高頻印制板、絕緣板、低頻印制板以及結構件等組成。其中,射頻信號在綜合網絡中的傳輸網絡,即射頻通道,主要是由高頻印制板和射頻連接器來實現的,高頻印制板負責射頻信號的合成、分配等功能,焊接在印制板表面的射頻連接器實現與外部模塊的互聯。綜合網絡射頻印制板中集成了雷達所需的發射激勵信號、接收信號、本振信號和監測信號等多種功能的傳輸分配網絡,這些射頻網絡具有工作帶寬大、幅度相位指標要求高等特點,并且不同網絡信號能量相差較大。如果射頻網絡之間的隔離度較低會出現相互串擾、幅度相位惡化等負面影響,影響設備正常工作。

          可以看出,機載雷達綜合網絡中不同功能射頻網絡的耦合可分為兩個類型:耦合類型 1 為射頻連接器焊接位置的微帶線處發生的空間能量泄露產生的耦合效應;耦合類型 2 為高頻印制板內部不同傳輸網絡的帶狀傳輸線間的耦合效應。這兩種耦合效應的存在會使不同功能的射頻信號存在相互串擾,導致其射頻隔離度較差。

           

          2 射頻通道隔離度影響分析

           
          為了了解上述兩種耦合效應對隔離度的影響,根據綜合網絡的實際布局建立仿真模型進行了全場仿真計算和分析,并針對不同耦合路徑提出了相對應的改進設計方法。
          本文研究的綜合網絡使用的射頻連接器為 SMP形式,通過焊接和高頻印制板形成互聯。為了提高焊接的可靠性,通常,高頻印制板中的帶狀傳輸線通過金屬化孔過渡到印制板表面的微帶傳輸線,同時,SMP連接器芯線導體折彎 90°,使射頻連接器芯線導體平行于微帶傳輸線并與印制板表面微帶線焊接,折彎后平行于微帶線的射頻連接器芯線導體長度約 3 mm。
          由于微帶傳輸線的電磁場分布特性,有部分射頻信號會泄露到外部空間,導致不同網絡之間射頻串擾的產生,即圖 1 中耦合類型 1 的耦合路徑。為了定量分析這種耦合效應對隔離度的影響,如圖 2 所示,按照綜合網絡中兩個相距較近的射頻連接器區域的實際布局建立了全場仿真模型進行仿真計算。仿真隔離度曲線顯示,兩個射頻網絡的射頻連接器端口射頻耦合較強,隔離度較小,頻帶內部分頻點隔離度約 55 dB。

          可以看出,機載雷達綜合網絡中不同功能射頻網絡的耦合可分為兩個類型:耦合類型 1 為射頻連接器焊接位置的微帶線處發生的空間能量泄露產生的耦合效應;耦合類型 2 為高頻印制板內部不同傳輸網絡的帶狀傳輸線間的耦合效應。這兩種耦合效應的存在會使不同功能的射頻信號存在相互串擾,導致其射頻隔離度較差。

           

          2 射頻通道隔離度影響分析

           
          為了了解上述兩種耦合效應對隔離度的影響,根據綜合網絡的實際布局建立仿真模型進行了全場仿真計算和分析,并針對不同耦合路徑提出了相對應的改進設計方法。
          本文研究的綜合網絡使用的射頻連接器為 SMP形式,通過焊接和高頻印制板形成互聯。為了提高焊接的可靠性,通常,高頻印制板中的帶狀傳輸線通過金屬化孔過渡到印制板表面的微帶傳輸線,同時,SMP連接器芯線導體折彎 90°,使射頻連接器芯線導體平行于微帶傳輸線并與印制板表面微帶線焊接,折彎后平行于微帶線的射頻連接器芯線導體長度約 3 mm。
          由于微帶傳輸線的電磁場分布特性,有部分射頻信號會泄露到外部空間,導致不同網絡之間射頻串擾的產生,即圖 1 中耦合類型 1 的耦合路徑。為了定量分析這種耦合效應對隔離度的影響,如圖 2 所示,按照綜合網絡中兩個相距較近的射頻連接器區域的實際布局建立了全場仿真模型進行仿真計算。仿真隔離度曲線顯示,兩個射頻網絡的射頻連接器端口射頻耦合較強,隔離度較小,頻帶內部分頻點隔離度約 55 dB。
          為避免射頻網絡中傳輸的電磁能量向外部空間泄露,可以降低耦合類型 1 導致的隔離度下降,基于此改進了 SMP 連接器設計及焊接方式,如圖 3 所示。
          改進后射頻連接器芯線直接焊接到印制板表面圓形焊盤上,連接器射頻地完全屏蔽芯線焊點。這種焊接方式不需要微帶線,直接使印制板上的帶狀線直接轉變為射頻連接器中的同軸傳輸模式,避免了射頻信號向空間泄露。圖 3 為按照這種改進設計仿真計算得到的端口 1 和端口 2 之間的隔離度,可以看出兩個網絡射頻隔離度大于 110 dB,相較于改進前得到顯著的提高。
          另一方面,綜合網絡中不同射頻網絡集成在同一塊高頻印制板上,距離較近的同層射頻信號傳輸線之間存在相互耦合,即圖 1 所示的耦合類型 2。使用金屬化屏蔽孔對帶狀線進行了屏蔽,降低這種耦合效應,不過金屬化屏蔽孔不能實現對帶狀線的完全屏蔽,依然存在串擾導致隔離度下降。文中射頻網絡高頻印制板設計帶狀線基于 0.508 mm 厚的微波板 CLTE-XT04055,通過TANCONIC 公司厚度為 0.1 mm 的半固化片 FR28-040-50 熱壓形成,按照50 Ω 特性阻抗帶狀線,線寬設計為0.7 mm。如圖4 所示,截取高頻印制板的局部區域進行仿真建模,高頻印制板中的兩條平行帶狀線長度為 l,間距為 d,帶狀線兩邊使用直徑為 0.4 mm、間距為 0.9 mm 的金屬化孔進行射頻屏蔽。模型中平行帶狀線長度 l 設置為中心工作波長的1/4,即0.25λ,間距 d 設置為2 mm。