11位数控延迟线组件的设计

程翔

（海军驻南京924厂军事代表室，江苏 南京211100）

数控微波延时组件在信号处理系统、雷达系统和相控阵系统等许多领域中具有广泛的应用。为了提高雷达的测距精度,补偿不同工作频率引起的相位差，n位数控延时组件经常在现代宽带雷达系统中获得应用[1-2]。

传统的时间延迟线包括静磁波延迟线、声表面波延迟线和光纤延迟线。但较高的损耗和大的体积限制了这些传统延迟线的应用。

本项目采用微带集成电路形式，用PIN微波开关二极管作为控制元件，配合数控电路，实现对微波信号延迟时间的控制。与传统的静磁波延时线、声表面波延时线和光纤延时线相比，本设计具有损耗小、体积小和重量轻的优点。

1 设计要求与原理

1.1组件指标

综合设计要求，11位数控延迟线组件的设计指标为：

(1)输入信号频率范围：0.6 GHz～3.0 GHz；

(2)延迟范围：0 ns～10 ns；

(3)延迟步进：5 ps;

(4)增益：≥0 dB；

(5)输出幅度变化：≤±1 dB(最大延时与最小延时状态比较)；

(6)输入/输出驻波：≤1.5；

(7)延时切换时间：≤80 ns。

1.2组件原理框图

数控延迟线的每一位由2个SPDT开关和延迟线构成，整个数控延迟线由11个代表不同延时的单元组成。原理框图如图1所示[3]。

2 组件设计

2.1 延迟线设计

前8位延迟线因延时小、精度高、损耗小，拟采用微带线设计，其长度、损耗如表1所示。

图1 原理框图

表1 前8位延迟线设计表

表2 SFT-50-2电缆性能表

其中微带线长度可由下式计算而得：

式中,L为长度，单位为m；t为延迟时间，单位为s；v为介质中传播相速，单位为m/s。

后3位延迟线的延迟时间较长，若再采用便于混合集成的微带线结构，则会导致体积增加，损耗相对于直通通道增大很多。设计时考虑常用的硬同轴电缆SFT-50-2作为延迟线，其特性如表2所示。

后3位共延时 8 960 ps，需要电缆长度为 8.960÷4.756≈1.883 9 m。每一位的计算情况如表3所示。其中常数4.756为每米延迟时间，单位为ns/m。

表3 后3位延迟线设计表

2.2 延迟线幅度调整设计

若采用以上设计方法,延迟线总的损耗约为：6 dB@3 GHz、3 dB@0.6 GHz，该值为全延时状态与直通状态之间的损耗差，此时差值较大，需改善延时的调幅性能。考虑在延迟损耗较大的每一位直通通路添加阻性衰减器，每一位添加的衰减量控制在它的3 GHz延迟损耗和0.6 GHz延迟损耗之间,那么整个数控延迟线的直通与全延时状态之间的损耗差将在2 dB以内,如图2所示。

通过添加损耗与延迟线损耗相似且对传输相位几乎没有影响的电路，可以达到比添加阻性衰减器更好的效果。仿真电路及结果如图3～图6所示。本文仅给出第7位的电路仿真图。

2.3 开关设计

开关设计需保证在不同延时状态之间进行切换时不出现谐振现象。由于有很多位开关串联，应综合考虑开关隔离度以及控制、线圈圈数等。本文选用串并联结合的开关形式。

2.4均衡器设计

由于频带较宽，覆盖范围为 0.6 GHz～3.0 GHz，因此在高低端的损耗存在差异，需要引入均衡器对幅度进行均衡，从而达到整个频带内的波动要求。本文选成熟的均衡模块，减少重复设计，缩短设计周期，提高设计效率。

2.5增益补偿

由于整个组件需要实现0 dB的增益要求，所以在组件内部还需添加放大器来补偿由延迟线带来的损耗。本文选用单片放大器SNA-386来实现该要求。

通过以上设计，本文较好地实现了11位数控延迟线组件的小型化设计。通过本文的研究，基本掌握该频段数控延迟线组件的设计方法和关键工艺技术突破，对以后其他频段数控延迟线的设计具有一定的指引作用。

[1]清华大学《微带电路》编写组.微带电路[M].北京：人民邮电出版社,1976.

[2]BAHI I，BHARTIA P.微波固态电路设计(第二版)[M].郑新,赵玉洁,刘永宁,等译.北京：电子工业出版社,2006.

[3]汪霆雷,魏文博，刘其中，等.小型化5位数控延迟线的设计[J].西安电子科技大学学报,2008，35(2)：258-261.