基于平面埋阻工艺的Wilkinson功分网络设计

李鹏程

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

0 引言

功分网络是相控阵天线中的重要组成部件，近年来，Wilkinson功分器由于具备其输出各端口之间可以在保证匹配前提下同样具备高隔离度的显著优势而用途广泛[1-3]，随着毫米波瓦式相控阵天线小型化、易集成的要求提出，低剖面、低损耗且高集成度的Wilkinson功分网络等逐渐成为国内外科研机构和学者的研究热点[4-5]。

传统的Wilkinson功分网络由于集总元件电阻的引入[6-8]，其结构必须在高度上为电阻元件的焊接预留充足的空间，故而往往难以实现低剖面且易于集成的要求。虽然利用LTCC工艺方式可实现集总元件的埋置，但是材料烧结后有15%的收缩率，无法适用于对加工精度要求较高的毫米频段[8]；此外，基于薄膜电路工艺的Wilkinson功分器虽可适应加工精度的要求，但是其功率容量偏低，也无法适用于相控阵天线[9-10]。

本文旨在设计一款基于平面埋阻工艺的1分16路，可工作于K频段的Wilkinson功分网络，要求幅相均方根误差分别控制在0.5 dB和5°以内，插入损耗(含网络分配损耗)优于15 dB；该网络与其他模块的连接方式采用射频垂直互联。此外，为便于此类功分网络测试，还设计了一款集成了毛纽扣同轴射频连接器的测试工装。通过弹性压接及精准装配定位的方式，功分网络的射频接口与毛纽扣射频可实现垂直互联[11-12]。经过测试，验证了该方案的工程可实现性。

1 埋阻Wilkinson功分器单元仿真

目前，埋入式电阻板较为成熟的方案是蚀刻金属薄膜电阻技术，该技术采用的材料为Ohmega公司生产的镍磷(Ni-P，即Ohmega-Ply)薄层电阻材料；此材料的厚度大多控制在0.1～0.4 μm之间，且该材料有铜层保护，蚀刻技术的目的就是通过化学方法腐蚀铜层，故而该电阻材料也可与其他介质材料和铜箔通过热压接技术形成埋阻双面覆铜印制板[11]。

理论上，不论使用何种材料，电阻值大小均可由如下经典公式推算出：

(1)

式中，R表示材料电阻值；ρ表示材料的电阻率；L表示材料在电流方向上的长度；S表示材料在电流方向上的横截面积。由公式(1)可知，当电阻材料厚度固定后，电阻值只与使用材料的长度和宽度相关，故而，该公式可变换为：

(2)

式中，L不变；R′表示方阻率；W表示材料垂直电流方向的长度。本设计中采用R′为100 Ω的Ohemga-Ply材料，通过调整L与W的比值即可控制阻值大小[12，16]。

针对带状线Wilkinson功分器仿真建立模型如 图1所示，图1(a)中，深色部分即为Ni-P电阻材料层，上下两层介质板厚度h1为20 mil(0.508 mm)，采用Taconic公司TLY-5材料，相对介电常数为2.2，介质板之间采用PP材料压合，厚度h2为3.5 mil(0.089 mm)，覆铜层厚度h3为0.018 mm；如图1(b)所示，在仿真模型中设定为W=L，即电阻值大小为100 Ω。

图1 带状线Wilkinson功分器仿真模型

基于上述分析，建立1分2的单元Wilkinson功分器仿真模型。该模型由2部分结构组成：带状线的Wilkinson功分器；带状线转同轴馈电过渡结构。利用三维仿真软件ANSYS HFSS 15.0对上述2部分结构模型进行全波仿真分析。

带状线仿真结果如图2(a)所示，在20.5±1 GHz频段范围内，1端口驻波可以保证在1.05以下，2，3端口驻波可保证在1.15以下；如图2(b)和图2(c)所示，其副相一致性均可保证在0.07 dB和0.16°之内。

图2 带状线Wilkinson功分器仿真结果

根据Ohmega公司给定的数据，针对方阻率为100 Ω的材料，其阻值误差可控制在±3%以内[11，16]，故而，调整仿真模型中电阻阻值，考察其变化对端口驻波影响程度，得到的仿真结果如图3所示，在仿真实验中分别设定Ni-P电阻值R分别为90，100，110 Ω，Port1和Port2驻波仍可分别控制在1.05和1.175以内，即材料的固有误差对于本方来说可接受。

图3 VSWR随电阻值R变化仿真曲线图

针对带状线转同轴馈电过渡结构，也建立仿真模型，如图4所示。图4(a)中h1、h2和h3均与图1的参数设置保持一致，图4(a)中，带状线下层介质板通过直径为D1金属化柱体与外部射频同轴连接，其中D1为0.4 mm；与之互联的外部射频同轴内导体直径D2为0.3 mm，外部射频同轴内外导体间填充介质为聚四氟乙烯(相对介电常数为4)，为实现50 ohm的特性阻抗，可计算出射频同轴外导体直径D3为 1.6 mm。

为了抑制互耦影响，同时也为了提升同轴转带状线过渡的匹配效果，介质板内部直径D1金属化柱体外设定了一圈屏蔽柱；除此之外，为了保证整个功分网络与外部的射频连接的可靠性，在下层介质板金属化柱体终端处需增加半径略大于D1的射频压接盘，如图4(b)所示。直径D1的金属柱体通过此射频压接盘与外部射频同轴内导体连接。从工程可靠性角度考虑，该射频压接盘直径越大，则与外部射频同轴直径为D2的内导体的连接越可靠；然而，由于射频压接盘的引入等效于在50 ohm传输线中加载了一部分电容，故而，金属盘直径D4会明显影响射频同轴与带状线转接的匹配性能。为了考察D4对射频互联的影响程度，D4分别取值为0.4，0.5，0.6 mm。如图5所示，随着D4的数值减小，驻波也随之增大，证明其匹配效果越来越好。因此，综合考虑互联可靠性、匹配效果及加工装配误差3方面因素，加工中D4取值为0.5 mm时，可兼顾匹配性能以及加工装配的可靠性。

图4 带状线Wilkinson功分器仿真模型

图5 射频同轴端口VWSR随D4变化仿真结果

将上述2部分仿真模型级联起来，构成完整的仿真模型图，如图6所示，输出端口间距为45 mm。仿真得到的各端口驻波曲线如图7所示，端口1驻波控制在1.05以内，端口2和端口3的驻波也可控制在1.2以内。基于此Wilkinson功分单元器，进行1分16路的功分网络模块模型仿真，其拓扑结构如图8所示，其输出端口横向和纵向间距均为45 mm。

图6 级联仿真模型

图7 级联后仿真驻波曲线

图8 1分16路Wilkinson功分网络拓扑示意图

2 功分网络测试

加工成型的印制板如图9所示，17个端口均设置在正面一侧，印制板厚度为1.1 mm。

图9 1分16路Wilkinson功分网络实物图

针对此类垂直互联结构的功分网络测试，传统的SMA，SMP甚至是SSMP射频接头形式已经无法适用，因为上述一系列连接方式均要求射频内导体必须与被测端口内导体焊接才能实现可靠的电连接。故而，在本方案的测试中采用毛纽扣射频集成连接方案，此方案的射频集成方式具有匹配效果好，弹性接触可靠，体积尺寸小，易装配等优点，如图10所示，测试夹具在17端口的对应位置处集成了毛纽扣射频连接器，其中，毛纽扣内导体直径Din为0.3 mm，该部分具有10%的长度伸缩性，外部采用聚四氟乙烯介质填充，外导体直径Dout为1.6 mm。

图10 测试工装实物图

测试方式如图11所示，利用安捷伦矢量网络分析仪(型号：PNA-X Network Analyzer N5244A，测试频率范围：10 MHz～43.5 GHz)进行测试。测试功分网络时，除去被测端口外，其他端口均接入50 Ω匹配负载(SSMP接口形式)。

图11 测试现场图

测试结果如图12所示，图12(a)所示为图11测试状态时，输入端口Port1与输出端口Port2耦合系数，即网络的插入损耗(含分配损耗)测试结果，在19.5～21.5 GHz频率范围内，网络插损优于15.7 dB；但是，测试过程中，SSMP的转接头以及测试夹具内部毛纽扣转SSMP的转接段将会引入一部分额外误差，且测试夹具生产方给出的20～30 GHz测试频率条件下，此部分的插损之和为1.5 dB，故而网络的实际插损优于图12(a)所示结果1.5 dB，即该网络的真实插损均可保证在14 dB以内。

图12 测试结果图

端口驻波测试结果如图12(b)所示，输入端口Port1的VSWR在所需频段内可保证在1.55以内，输出端口Port2可保证在1.8以内；而测试所有端口结果之后，统计计算得到所有端口幅相误差均方根分别在0.3 dB和3.5°以内，符合指标要求。

3 结束语

设计了一款基于平面埋阻工艺的Wilkinson功分网络，采用Ni-P埋阻材料，取代了传统的电阻焊接方式，提升了功分网络集成度；此外，为了测试其性能，还设计了一套集成了毛纽扣的弹性压接垂直互联测试方案；经测试验证，既证明平面埋阻工艺有效，也证明了毛纽扣弹性压接垂直互联的可靠性，该方案为类似的瓦式相控阵功分网络模块设计及测试提供了指导。