X波段宽带慢波延迟线设计

王 辉，杨 戈，张华林，王 琦，李树良

(1. 南京电子技术研究所， 南京 210039； 2. 解放军95899部队， 北京 100085)



·天馈伺系统·

X波段宽带慢波延迟线设计

王 辉1，杨 戈2，张华林1，王 琦1，李树良1

(1. 南京电子技术研究所， 南京 210039； 2. 解放军95899部队， 北京 100085)

提出了一种工作在X波段的宽带慢波延迟线设计方法，介绍了慢波延迟线的基本概念，利用电磁仿真软件优化枝节的长度、间距、线宽及弯角的布局，实现小型化结构，提高宽带性能。仿真分析和实验结果表明：对比传统走线形式，最终获得蛇形慢波延迟线的延时效率达到200%，端口反射系数 <-25 dB，带内相位线性度<8°。

蛇形线；慢波；延迟线；延时效率

0 引 言

宽带相控阵天线中，为改善天线的频率响应以获得较好的波束指向特性，需要在天线射频链路中接入可调实时延时器(TDU) 来补偿天线扫描孔径效应[1]，以消除不同工作频率引起的相位差。该类微波无源二端口器件称为延迟线。延迟线广泛应用在卫星通信、雷达系统、电子对抗系统和相控天线阵列等。

慢波延迟线是在诸如微带线之类的微波传输线中周期性加载完全相同的“障碍物”(电抗元件)所形成的周期结构，具有相速度远小于光速的慢波特性[2]。蛇形慢波延迟线(MDL)具有陡峭的相位随频率变化曲线，而且相比其他延迟线结构，慢波延迟线的尺寸更小，广泛应用于大位延迟组件中。

目前国内外对于蛇形线在延迟线应用的研究相对甚少。文献[3]着重对蛇形线结构的讨论，且仿真频段在1 GHz，带宽尚待提高；文献[4]对蛇形线设计加入开环谐振器，在0 GHz～10 GHz频段提高了驻波性能，但尚未提及相位非线性指标。基于目前研究状况，本文提出在X波段内工作的蛇形慢波延迟线，分析相位非线性及延迟效率等指标,通过优化模型参数，得到的仿真结果良好，在雷达成像和卫星通信领域具有一定应用前景。

1 原理分析

1.1 慢波原理

慢波系统可以分为两类：一类是均匀慢波系统，它的几何特性与介质参量沿传输线是不变的；另一类是不均匀系统，其几何特性或介质参量沿波的传播方向是周期性变化的[5]。

在蛇形慢波系统中，电磁波传输满足Floquest定理。它表述为在某一给定频率下，对一确定的传输模式，沿周期系统传输的波在任一截面上的场分布和离该截面一个周期远处的场分布仅相差一个复常数因子。每一个传输模式的场都可看成是无穷多个空间谐波场的迭加，即除了基模之外，还会出现传输型高次模。空间谐波波长、相速的计算公式为

(1)

(2)

式中：λg和vt分别为基波的相波长和相速度；n为第n

次谐波，d为周期距离。

标号n不同的各次空间谐波的相波长和相速度各不相同。对于基波(n=0的空间谐波)，相速vt0是与周期结构对应的均匀传输线的相速vt，一般有vt≥c(c为真空中的光速)。由式(1)、式(2)可知，随着n的增加高次空间谐波的相速将减小，显然周期性传输结构中，当n增加到某个值以后，就会出现vtn

1.2 蛇形慢波延迟线原理

一个无限长的使用电抗性元件周期性加载的 传输线或波导称为周期结构，周期结构能制成与传输线性质有关的各种形式。通常，加载元件在传输线上会引起不连续性，但在微波频率范围，它们都可以模拟为跨接在传输线上的集总电抗。

采用带状形式的周期性加载蛇形走线组成的蛇形传输线来增加传输线单元电容，实现慢波结构。走线结构如图1所示。蛇形慢波延迟线是由周期性加载多个枝节和弯角构成。其中，枝节间隙S；枝节长度H1；枝节走线宽度W1。

图1 蛇形结构示意图

根据传输线的集总参数等效原则，单枝节的等效电路为串联电感Ls和并联电容Cp；多枝节周期加载的等效电路为单枝节等效电路通过串联电容Cs串接组成。

特性阻抗计算公式[7]为

(3)

(4)

式中：L为N个周期加载的Ls串联；C为N个周期的Cp和Cs的并联。而由传输线的集总参数等效原则，蛇形枝节的线宽和枝节长度以及线间距对L和C都有影响。为获得较大的相位常数，可以调节枝节长度、间距以及线宽，获得最大的延时效率。

2 蛇形慢波延迟线的设计和仿真

传统的带状线和微带线相比，带状线传播的是TEM波，微带线传播的是准TEM波。带状线相对于微带线形式具有损耗小的特点[8]。因此，本文采用带状线形式，介质基板为Arlon-CLTE，介电常数ε为2.94，介质厚度H为0.508 mm，中间加有25N半固化片(介电常数为3.38)。蛇形线枝节的线宽设为W1；枝节长度为H1；枝节间距S。模型建立如图2所示。

图2 蛇形线仿真模型

在X波段内，蛇形慢波延迟线主要优化的指标是端口反射系数S11、相位线性度以及延时效率η。延时效率定义为相同电长度走线内，信号的相位变化量，也可以反映为群延时量。

2.1 枝节线宽及弯角的仿真

仿真优化时：

首先，优化线宽W1，保持长度H1和线间距S不变，观察端口反射系数S11、群延时以及带内插损随不同线宽W1变化，如图3所示。当枝节线宽W1由0.2 mm变化到0.8 mm时，端口反射系数越来越小且达到S11<-20 dB。插入损耗随着W1增大也在0.6 mm附近取得最优值，带内起伏小于0.3 dB，且带内插损S21<-0.4 dB；而群延时随着W1增大呈递减趋势。

图3 不同扫描线宽W1对端口反射系数S11和

然后，在蛇形走线的弯角处，分别对45°直线切角、90°直角以及半径等于线宽的圆角形式进行仿真计算，如图4、图5所示。得到结果为45°直线切角形式获得最好驻波性能，且弯角形式对群延时影响不大。故蛇形线转弯采用45°切角形式设计。

图4 蛇形线不同弯角结构(直角、切角、圆角)

图5 弯角形式对端口反射系数S11影响

2.2 线间互耦仿真

蛇形线特殊的结构带来的线间耦合效应需要进一步进行仿真分析。耦合引起的慢波传输效果对蛇形延迟线延时效率、驻波以及相位起伏均有影响。显然，蛇形线枝节长度及间距是影响线间互耦的主要因素,相位起伏及驻波是线间耦合的主要考察指标。下面分别对枝节长度及间距进行优化分析。

扫描枝节间距S，变化范围为0.2 mm～0.7 mm，观察端口反射系数和相位起伏指标，如图6所示。

图6 枝节间距S对带内相位起伏和端口反射系数的影响

由上述结果可以看出，间距S由0.2 mm增大至0.7 mm过程中，带内相位起伏由16°减小至5°。而端口反射系数则由-18 dB减小至-27 dB。因此可以得出结论：间距S在一定范围内越大，线间耦合效应越小。

扫描枝节长度，观察端口反射系数和相位起伏指标，如图7所示。

显然，枝节长度H1由1.7 mm增大至2.3 mm过程中，相位起伏由2.5°增大至8°，而端口反射系数则无明显变化。因此，枝节长度H1对相位线起伏影响较大，对驻波性能无明显影响。

图7 枝节长度H1对带内相位起伏和端口反射系数的影响

3 对比和分析

综合上述的仿真结果，设计最终的蛇形延迟线参数，得到枝节宽度W1=0.6 mm，枝节长度H1=1.7 mm，枝节间距S=0.4 mm，延迟线总长度L=22 mm。介质为Arlon-CLTE，厚度为0.508 mm，制版面积为20 mm×15 mm。为对比蛇形线性能，同时，设计了同等面积下，布局普通带状线(TL)以及周期加载带状线(PSL)。同等面积下，普通走线只能转弯一次，结构如图8所示。(考虑实物测试方便，实物设计的TL及PSL走线为直线，计算延时效率时乘以2)。

图8 同等面积内TL、MDL、PSL结构

在X波段，分别对TL， MDL以及PSL进行仿真，对比结果如图9～图11所示。通带内，端口反射系数性能良好，均小于-20 dB。在中心频率处，蛇形线的群延时约为0.55ns，而PSL约为0.16ns，TL约为0.14 ns。同等面积下，蛇形线延时效率约是普通传输线的2倍。而在带内相位线性度指标上，蛇形线在X波段带内相位起伏2.5°，在工程上具有较强实用价值。

图9 延时量变化对比图

图10 带内相位线性度对比图

图11 端口反射系数S11对比图

4 实物及测试结果

使用Agilent E5238A 矢量网络分析仪对蛇形慢波延迟线实物进行实测，如图12～图15分别给出了实物图和实测值与仿真值对比图。由图可知，群延时实测结果比仿真理论值偏大，分析原因为实测加入射频连接器以及加工误差导致实际走线稍大于仿真值。而蛇形线实测的相位线性度在X波段带内起伏约为8°，与仿真结果偏差较大。分析原因为制版材料介电常数的不均匀以及工艺水平的限制导致相位起伏偏离仿真值；端口反射系数比仿真结果稍差，约为-20 dB，分析原因为实物测试时焊接处焊锡不均匀引起的阻抗不匹配以及射频连接器转换带来的信号反射。

图12 MDL、PSL和TL实物图

图13 群延时仿真与实测对比图

图14 相位线性度仿真与实测对比图

5 结束语

在X波段设计并实现了蛇形慢波延迟线，优化蛇形结构参数，分析线间耦合对性能的影响。最终得到2倍于传统传输线的延时效率，同时保证较小的带内损耗和端口驻波。实物测试结果显示，X波段带内相位起伏比仿真值偏大，约为8°。因此，宽带内蛇形线相位起伏问题仍需进一步研究，通过改进参数设计及工艺水平，优化相位线性度指标以更好适应工程应用。

[1] 张金平，任 波. 宽带相控阵天线子阵延时随机配置优化研究[J]. 现代雷达，2014，36(11)：14-17. Zhang Jinpin，Ren Bo. A study on randomizing time-delaying of sub-array in wideband phased arrays[J]. Modern Radar，2014，36(11)：14-17.

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[4] Takbiri M, Masoumi N, Ghadirian A, et al. Improving response of serpentine delay lines using open-loop resonators[C]// The 22nd Iranian Conference on Electrical Engineering. Tehran: IEEE Press, 2014: 1771-1779.

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[8] 殷连生. 相控阵雷达馈线技术[M]. 北京：国防工业出版社，2007. Yin Liansheng. Phased array radar feed line technology[M].Bei Jing：National Defence Industry Press, 2007

王 辉 男，1992年生，硕士。研究方向为微波电路，延迟线设计。

Design of X-band Broadband Slow-wave Delay Line

WANG Hui1，YANG Ge2，ZHANG Hualin1，WANG Qi1， LI Shuliang1

(1. Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China) (2. The Unit 95899 of PLA, Beijing 100085, China)

A design of broadband slow-wave delay line performed in X-band is presented. Basic concepts of the slow-wave delay line are introduced. The layout of the branch length, branch spacing distance, branch width and bend shape are optimized by using electromagnetic simulate software. Miniaturization structure is realized and broadband performance is enhanced. Simulation and experimentation prove that meander line can achieve high delay efficiency up to 200%, low port reflect coefficient less than -25 dB and phase linearity in band less than 8°, in contrast to conventional trace forms.

meander line；slow wave；delay line；delay efficiency

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.10.014

总装备部预研课题资助项目(51321030302)

王辉 Email：shyjn003@163.com

2015-06-05

2015-09-22

TN812

A

1004-7859(2015)10-0056-04