基于低温共烧陶瓷工艺的小型化延时线设计方法

专利名称：基于低温共烧陶瓷工艺的小型化延时线设计方法
技术领域：
本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种基于低温共烧陶瓷工艺的小型化延时线设计方法。本发明可用于有源相控阵雷达的延时放大组件中，能够在采用有源相扫体制的各种类型的军用或民用雷达上得到应用。
背景技术：
相控阵天线中，通过使天线辐射单元的辐射能量在空间同相相加产生阵列聚焦， 从而形成天线波束。当波束指向垂直于阵列孔径方向时，每个天线单元为同相位辐射，当频率改变时，所有单元的相位状态同步改变，仍保持同相位关系，因此天线波束指向与频率无关；当波束指向为非垂直于阵列孔径的其它角度时，相控阵系统通过调整每一个天线单元对应的收发组件中的等相位移相器，使得每一路天线单元的辐射能量在所需的角度上进行合成，从而形成电子控制的波束指向。这种控制方式，在点频工作时能够形成稳定的波束指向，但是在扫频工作时，由于平面相位波前到每一个天线单元的相位差是频率的函数，而常规的移相器在其工作带宽内具有“等相位”特性——在其工作带宽内，所有频率点的相移量基本相同，此时移相器只能以扫频信号的中心频率或带内某一频率点的平面波前相位差来进行调整，当天线单元发射的信号频率改变而移相器没有改变相位时，相控阵天线的合成波束将会发生移动，天线的波束指向随着频率扫描而发生波束扫描，这在窄带系统中或许还是可以忍受的，但在宽带系统中，频率扫描对系统性能的影响将加更加明显。如果用延时网络代替移相器，由于通过延时网络的相移会随着频率变化，从而能够保持最终的天线波束不动，实现与频率无关的固定波束。有多种方法能够改善相控阵天线的宽带性能，如等馈线长度Blass矩阵、Rotman 透镜等，但是在二维扫描相控阵雷达上，这些技术实现起来相当复杂。另一项能够大大改善带宽且易于实现的技术是使用子阵阵列。由于延时网络其价格昂贵，且损耗较大，无法在相控阵的每一个天线单元上替代移相器，但是在子阵级加入延时组件，则能够在天线性能和成本之间取得较好的平衡。天线可以看成是由子阵组成的阵列，子阵方向图形成单元因子， 利用移相器使其指向希望的方向，该指向随着频率的变化而发生扫描；阵因子的扫描则靠调整与频率无关的延时组件来实现。所有的子阵以同样的方式进行控制，天线的总辐射波瓣是阵因子和单元因子的乘积，因此频率的改变没有造成主波束指向的偏移，而是引起了栅瓣。常规的延时线设计，用开关加传输线实现，以1倍的中心频率周期为基本延时单位，采用二进制倍增方式设计多个可调整的延时单元，从而形成多位的延时线。常规延时线设计中的开关一般采用单刀双掷开关，用两个开关成对使用构成两条微波传输通道，组成一位延时单元。两条微波传输通道中的一条为直通通道，采用较短的微波传输线连接两个开关，它们具有的延时量假设为TO ；另一条微波通道为延时通道，连接两个开关的微波传输线长度为设计延时量(假设为Τχ)对应的传输线长度加上直通通道的长度，其延时量为Tx+TO。在这一对开关组成的两个微波通道之间具有相对的延时量(Tx+TO)-TO=Tx,因此这就构成了一位延时量为Tx的延时单元。多位延时线设计时，每位的延时量以Tx为基数以二进制倍增。如五位延时线，基本延时量为Tx，则每位对应的延时量分别为Tx、2TX、4Tx、8Tx、 16Τχ，从而构成以Tx为基本延时步进、具有最大31倍Tx延时量的延时线。实际应用中，基本延时量Tx —般为1倍的中心频率周期。

发明内容
相控阵雷达系统中，采用常规设计的开关传输线延时线，其体积尺寸受传输线布局面积限制而无法做小，此外传输线间的互耦、腔体谐振也严重影响了延时线的性能，设计时需要采用腔体分割、内壁粘贴吸波材料等措施加以消除。本发明公开了一种基于低温共烧陶瓷工艺的小型化延时线的设计方法，该方法归纳如下
1)对延时线拓扑结构进行优化，减少延时线的开关组合级数；
2)采用低温共烧陶瓷设计微波多层电路，带状线作为延时线的主要传输线；
3)通过优化的微带-带状线转换设计，将内层的带状线过渡为微带线，用于与开关、衰减器的连接；
4)低温共烧陶瓷内部的带状线，采用带状线紧凑布线设计方法，大大减小带状线的布局面积；
5)微波开关组合的控制电路，与带状线进行混合布线，不增加额外的布板面积，实现对微波多层基板的充分利用。本发明的积极效果是本发明解决了传统延时线设计中体积尺寸难以减小、延时线性能受腔体谐振影响较大和延时线间互藕导致的色散现象等难题，大大缩小了电路的布局面积，同时也具有更好的微波性能。


图1为本发明拓朴结构优化前后对比。
图2为本发明“平穿过渡”方式的微带线-带状线转换设计。
图3为本发明“孔穿过渡”方式的微带线-带状线转换设计。
图4为本发明带状线的紧凑布线。
图5为本发明优化拓朴结构的多种组合。
图6为本发明拓朴结构的布局均衡。
图7为本发明微带线与带状线过渡设计尺寸。
图8为本发明幅度补偿设计。
图9为本发明带状线整板布局设计。
图10为本发明延时线基板整板版图。
具体实施例方式
1、拓朴结构优化
如图1所示，通过对微波开关选用单刀三掷开关，可以将传统的以“位”为单位的延时线拓朴结构进行优化，以5位延时线为例，优化后的延时线能够减少一级微波开关，同样能够实现5位延时线的所有延时态。2低温共烧陶瓷材料的选择
低温共烧陶瓷技术是上世纪八十年代兴起的新型工业技术，90年代被广泛应用于高速数字电路、微波多芯片组件以及系统的小型化设计。目前在微波电路设计中应用较多的低温共烧陶瓷材料主要有Dupont951、Dupont943、FerroA6 (M)和HeraeusCT700等。其中 Dupont系列的材料，其工艺特性较好，在C波段以下的应用中，具有较好的性能，但在更高频率的应用中性能不佳；Heraeus的材料在国内应用不多；FerroA6 (M)材料其标称能够应用到IOOGHz，实际应用中，毫米波频段仍具有不错的表现。3、微带线-带状线转换设计
由于延时线内部的微波开关无法内埋于低温共烧陶瓷基板，与陶瓷基板的带状线连接只能在露出的表面进行，因此需要将带状线转换成微带线以实现与微波开关的互连。微带线-带状线转换设计，本发明提供有两种设计方法，分别为微带线与带状线在同一层上的“平穿过渡”方式和微带线与带状线不在同一层上的“孔穿过渡”方式。如图 2所示的“平穿过渡”方式的转换设计中，微带线与带状线在同一个平面上，但是在微带线部分，通过低温共烧陶瓷加工工艺中的“开腔”工艺，将带状线上方的陶瓷介质去除，从而形成半开放的微带线形式，由于相同的阻抗设计下，微带线线宽较带状线要宽一些，可以将微带线与带状线的过渡处做成渐变过渡，这样的设计，可以应用到18GHz以上。如图3所示的 “孔穿过渡”方式的转换设计中，低温共烧陶瓷基板无需“开腔”工艺，微带线与带状线的上层“地”位于同一层，通过垂直向下的“过孔”实现与内层的带状线连接，仿真设计时，通过调整与过孔相连的传输线端头“焊盘”尺寸、过孔孔径以及微带线与表层带状线“地”的间距， 能够优化过渡的传输特性。4、带状线紧凑布线设计
为了进一步减小延时线的布板面积，需要尽量压缩传输线的布线间距，但过小的布线间距加大了传输线间的耦合，这将导致延时线的相位非线性失真。本发明采用低温共烧陶瓷的过孔隔离相邻的带状线一排较为紧密的过孔在两条带状线之间形成“电壁”，使得带状线间的耦合大大降低，能够最大限度地减小带状线的布线间距。如图4所示，将带状线间用过孔进行隔离，如采用0. 2mm直径的过孔，则孔间距最小能够以3倍的孔径即0. 6mm进行排列，这样的孔隔离，在18GHz仍具有很好的“电壁”效果。5、控制电路的混合布线
为了减小电路布板面积，可以充分利用低温共烧陶瓷的多层电路特性，对微波电路、控制电路及电源电路进行混合布线。在布线之前，需先确定好各种信号的垂直分布位置，本发明中，建议采取如下方法将带状线、微带线的微波信号层安排在基板的最底层，控制信号和电源安排在带状线上层“地”之上的其它电路层，它们之间通过带状线上层“地”的大面积地层进行隔离。采用这样的设计，延时基板与外部电路互连时微波“地”的连续性会更好， 能够改善电路间过渡的微波性能。以上几个步骤就是该小型化延时线的设计过程。下面结合附图，通过实例对本发明作进一步的说明。典型实例设计一种X波段小型化5位延时线
某系统工作于X波段，其子阵级最大需要31个波长的延时线进行延时补偿，根据天线阵面结构布排要求，延时放大组件的整体尺寸不得大于80mmX 45mmX 10mm,重量不得大于 90克。根据以上设计要求，应用本发明的技术，对该延时放大组件中的延时线设计过程如下
1)最大31个波长的延时量对应5位延时，应用延时线拓朴结构优化方法，该5位延时线拓朴结构可以采用3对单刀三掷开关加一对单刀双掷开关实现，比传统形式减少一对开关。在优化的拓朴结构中，可以有多种不同的组合，如图5所示的两种组合中，都可以实现 5位延时线的各个延时态，但是不同的组合，各有其优缺点组合1的最大延时线电长度为 13 λ,比组合2的16 λ短，幅度补偿时可以选用较小的衰减器实现；组合2的综合布板电长度比组合1小3λ，布板时能够实现更小的布板面积。结合该设计中对延时线小型化的要求，可以选择组合2作为最终的设计方案。2)在优化的拓朴结构中，延时传输线分布于开关的上下两侧，如果不对上下两侧的延时传输线进行均衡排列，将导致一侧的传输线过于集中，因此需要对优化后的拓朴结构进行“布局均衡”，如图6所示，均衡后的拓朴结构中，开关的上下两侧传输线电长度分别为20 λ和15 λ，布局面积差异较小；左右方向通过调整开关对的相对位置，减少延时传输线间布局冲突。3)低温共烧陶瓷材料选择根据该设计要求，延时线工作于X波段，结合国内低温共烧陶瓷加工工艺线的实际情况，该延时线低温共烧陶瓷基板的材料确定选用 FerroA6 (M)，该材料的介电常数为5. 9，单层生瓷烧结后厚度为96um。4)带状线设计受限于低温共烧陶瓷的工艺加工能力，内埋的带状线线宽不宜过小，因此带状线的介质厚度需合理选择。通过计算，带状线介质厚度选择8层介质，单层介质厚度为0. 096mm,总介质厚度为0. 768mm时，50欧姆特性阻抗的带状线线宽为0. 25mm,能够满足工艺加工要求。在IOGHz频率时，1 λ传输线长度约为12. 34mm。5)微带线与带状线转换设计低温共烧陶瓷通过开腔工艺形成微带线，微带线的介质厚度为4层介质，总厚度为0. 384mm，通过计算，对应的50欧姆特性阻抗传输线线宽为 0. 58mm。采用“平穿过渡”方式进行微带线-带状线转换设计，经过HFSS三维电磁场仿真软件辅助设计，最终的转换设计尺寸如图7所示。6)幅度补偿设计由于延时态与直通态的电长度不同，造成两种状态下的插损也不同，实际应用时，要求延时线在各个延时态下的幅度变化越小越好，因此设计时需考虑不同延时态下的幅度补偿。可以考虑在延时支路和直通支路上增加固定衰减器，通过衰减器补偿各个支路，使得各态变化时的幅度变化。如图8所示，在每一对开关组合中，各有三只固定衰减器，通过对每个衰减器的衰减值进行合理选择，可以实现延时态和直通态下幅度的一致性。7)延时线整板布局设计在关键单元电路设计完成后，开始按照之前设计好的拓朴结构进行整板布局设计。在带状线布局设计时，将带状线进行弯曲走线，并通过过孔进行隔离，如图9所示，完成整板带状线布局。8)低频控制与微波信号混合布线在布板设计软件中，将低频控制、电源等信号与微波信号进行混合布线，需要注意的是，尽量将微波信号安排在基板的最底层，低频控制与电源的走线全部安排在带状线的上层“地”的上方，避免控制信号与微波信号进行耦合。如图10所示为完成布板后的延时线基板版图，结合图9与图10，可以看出采用本发明技术后， 基板的内层与表层布局面积均有充分利用。9)对延时线基板与其它外围电路组装完成后的延时放大组件进行了测试，该组件满足了系统提出的指标要求，包含收发通道在内的延时放大组件，其体积尺寸为 78mmX42mmX9mm，重量小于70克。与其它同类产品相比，由于其采用的传输线以带状线为主，空间耦合干扰小，电磁兼容性较好，组件盒体内壁无需粘贴吸波材料即可稳定工作；本发明技术的应用，使得延时线的体积重量大大减小，实现了常规设计所无法达到的小型化能力。该实例是结合具体的优选实施方式对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的发明保护范围。
权利要求
1.基于低温共烧陶瓷工艺的小型化延时线设计方法，其特征是所述基于低温共烧陶瓷工艺的小型化设计方法包括延时线拓扑结构优化方法、基于低温共烧陶瓷的微带-带状线转换设计方法、带状线紧凑布线设计方法、基于低温共烧陶瓷的微波多层电路与控制电路混合布线优化设计方法。
2.如权利要求1所述的基于低温共烧陶瓷工艺的小型化延时线设计方法，其特征是 本发明采用了延时线拓扑结构优化方法，能够减少延时线中的开关组合数量，使得延时线的开关传输线布局更为紧凑，容易实现延时线的小型化设计，开关组合的减少也降低了延时线的设计成本。
3.如权利要求1所述的基于低温共烧陶瓷工艺的小型化延时线设计方法，其特征是 本发明所采用的基于低温共烧陶瓷的微带-带状线转换设计方法包括两种实现方式，即微带线与带状线在同一层上的“平穿过渡”方式和微带线与带状线不在同一层上的“孔穿过渡”方式。
4.如权利要求1和权利要求3所述的基于低温共烧陶瓷工艺的小型化延时线设计方法，其特征是微带线与带状线在同一层上的“平穿过渡”方式中，微带线与带状线位于同一层上，在微带线部分，通过低温共烧陶瓷中的“开腔”工艺将微带线上方的介质层去除，露出导带成为微带线；而内埋于低温共烧陶瓷内部的导带则成为带状线。
5.如权利要求1和权利要求4所述的基于低温共烧陶瓷工艺的小型化延时线设计方法，其特征是微带线与带状线在同一层上的“平穿过渡”方式的微带线与带状线过渡设计中，在微带线与带状线过渡的位置，微带线与带状线两种不同宽度的线条做成线性渐变线， 渐变部分的长度约为2 3倍的微带线线宽；微带线上方的空气介质与带状线上方的低温共烧陶瓷介质的分界面位置，可以选择在微带线与带状线过渡渐变线的靠近微带端三分之一处。
6.如权利要求1和权利要求3所述的基于低温共烧陶瓷工艺的小型化延时线设计方法，其特征是微带线与带状线不在同一层上的“孔穿过渡”方式中，为了使微带线与带状线的过渡性能更好，在设计时可以作如下的调整在对微带线、带状线进行设计之初，先确定其使用的低温共烧陶瓷介质层数，即介质厚度为单层低温共烧陶瓷材料烧结后厚度的整数倍；为了使微带线-带状线过渡的连续性更好，在本发明中，将微带线的介质厚度设为带状线上、下两层介质之和，使得微带线的底部“地”与带状线的下底面“地”共用且微带线的传输线与带状线的上层“地”同层。
7.如权利要求1和权利要求6所述的基于低温共烧陶瓷工艺的小型化延时线设计方法，其特征是微带线与带状线不在同一层上的“孔穿过渡”方式的“垂直过孔”设计中，微带线与带状线通过低温共烧陶瓷工艺中的垂直互连孔连接，由于垂直互连孔呈现“感性”特性，为了更好的微波性能，可以将垂直互连孔两端的微带线和带状线相应位置做成大于垂直互连孔孔径的圆形端头，加大的圆形端头呈现“容性”特性，使得整个垂直互连孔呈现“电容-电感-电容”的传输线特征，通过调整端头尺寸和垂直过孔孔径大小，可以得到比较理想的垂直过渡性能。
8.如权利要求1所述的基于低温共烧陶瓷工艺的小型化延时线设计方法，其特征是 采用了带状线紧凑布线设计方法；带状线以“弓”字形的折返线条进行布局，线条间距取 2^3倍的带状线介质总厚度为宜；两条带状线之间用低温共烧陶瓷工艺中的垂直过孔进行隔离，隔离过孔连接带状线的上、下地层；隔离过孔与带状线之间的间距约广1.5倍的带状线总介质厚度；相邻隔离过孔之间的间距不大于1/16中心频率波长，但最小不得小于 2. 5^3倍的孔径，否则工艺加工有困难。
9.如权利要求1所述的基于低温共烧陶瓷工艺的小型化延时线设计方法，其特征是 采用了基于低温共烧陶瓷的微波多层电路与控制电路混合布线优化设计方法；延时线基板的最终安装以整板焊接于壳体内为主，常规设计中微波信号一般安排在基板的表层，因此微带线、带状线的底部地均为“悬浮地”，“悬浮地”使得微波传输线的接地效果变差，影响了传输线的微波性能；本发明的方法为将微波信号安排在低温共烧陶瓷的最底层，使得微带线、带状线的底部地为基板的底面，基板焊接安装后可以直接与壳体接触，改善了微波传输线的性能；延时线的开关控制电路则在微波电路层之上，由于带状线的上表面地隔离了微波信号，因此低频的控制信号与微波信号之间有很好的隔离；微带线部分通过低温共烧陶瓷工艺中的“开腔”工艺去除多余介质即可。
全文摘要
本发明公开了一种采用基于低温共烧陶瓷工艺进行小型化延时线设计方法。该方法解决了传统延时线设计中体积尺寸难以减小、延时线性能受腔体谐振影响较大和延时线间互耦导致的色散现象等难题。采用开关加传输线形式的常规延时线设计中，传输线一般采用易于加工的平面微带线形式，但由于微带线的半开放式场分布，会导致其易受传输线腔体的谐振影响，且传输线间紧凑布线时互耦严重，导致更为明显的色散特性。本发明采用不易受干扰的带状线作为延时传输线的主要形式，并对延时线拓扑结构进行优化，采用微波多层电路设计技术，将开关控制电路、微波延时电路综合设计在一块低温共烧陶瓷基板上，大大缩小了电路的布局面积，同时也具有更好的微波性能。
文档编号H01P11/00GK102340048SQ20111021142
公开日2012年2月1日 申请日期2011年7月27日 优先权日2011年7月27日
发明者刘海明, 吕春明, 戴跃飞, 杜丽军, 王光池 申请人:中国电子科技集团公司第三十八研究所