寬帶高速電臺的低功耗小型化設計與研究﹡

彭 麟， 宋 滔

（中國電子科技集團公司第30研究所，四川 成都 610041）

0 引言

現(xiàn)在戰(zhàn)爭對無線電臺的需求已由傳統(tǒng)的模擬話音電臺轉(zhuǎn)向移動的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶拵Ц咚匐娕_(以下簡稱“寬帶電臺”)[1]。為了適應信息化對通信容量、組網(wǎng)能力等的更高要求，必須解決電臺小型化、擴展頻段，提高電臺的信息速率。但通常情況下，寬帶應用意味著需要更大的體積、重量和功耗來實現(xiàn)，縮小體積、減輕重量、降低功率消耗、提高可靠性和提高戰(zhàn)場使用環(huán)境的適應能力是戰(zhàn)術(shù)電臺不斷發(fā)展的方向。其中以縮小體積、減輕重量、降低功率消耗為標志的小型化尤為重要。它一直是電臺產(chǎn)品研究的課題，在移動背負式等應用中，小型化問題尤其突出[2]。

SWAP（Size Weight and Power dissipation）是電臺用戶始終關(guān)注的問題。在實際應用中，電臺必須長時間攜帶使用，甚至有時在炎熱的環(huán)境氣候下長期使用。供電的容量及電臺設備功耗將直接影響執(zhí)行任務的時間安排，在應急情況下，必須考慮攜帶一個備份充電器或者另一個大容量的電池，以保障執(zhí)行重要任務的有效完成。因此，小型化設計需要從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電源管理全面規(guī)劃，從對器件的低功耗特性及其端口控制特性等細節(jié)處進行把握。

1 主要性能要求

寬帶電臺要滿足優(yōu)于常規(guī)電臺的SWAP的情況下，首要的還是必須滿足寬帶電臺的關(guān)鍵性能參數(shù)，它是直接影響用戶的使用效果和要求的指標。這與SWAP的實現(xiàn)存在一定的沖突，因此在實現(xiàn)指標性能的前提下，需要對SWAP進行一定的平衡取舍。其首先需要保障寬帶電臺的要求包含如下：在給定的用戶工作頻率范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)速率、發(fā)射功率、接收靈敏度、抑制共址的能力、環(huán)境適應性及電磁兼容等基本要求。

1.1 電源功耗控制設計

為滿足低功耗化應用，電源需要一個全新的設計理念。它為功放提供一個可變的漏極控制電壓，同時根據(jù)電源消耗情況、過熱保護監(jiān)測、天線駐波比監(jiān)測、工作模式狀態(tài)、波形特點等進行動態(tài)配置調(diào)整[3]。

由于低噪聲替代方案的線性穩(wěn)壓器效率過低，高電壓高功率下將耗散過多的熱量，因此采用高效的開關(guān)模式電源來解決，同時必須在電源解決方案中增設電磁干擾（EMI，Electro Magnetic Interference）屏蔽，在金屬外殼內(nèi)包含一個EMI場，采取優(yōu)良的PCB布局方案，解決由此帶來的EMI抑制問題，在尺寸、輸出功率、效率和EMI輻射之間實現(xiàn)平衡。EMI符合性是電臺設計的一項必然要求。

對于不同頻段的功放漏極電壓，采用獨立的初級電感單端變換器 (SEPIC，Single-ended Primary Inductance Converter)，分別進行優(yōu)化，較好地實現(xiàn)軟開關(guān)功能，并降低了功率開關(guān)管的損耗。SEPIC的電源拓撲示意圖如圖1所示。

圖1 SEPIC拓撲結(jié)構(gòu)

1.2 結(jié)構(gòu)設計

結(jié)構(gòu)設計得益于以往很多前期的項目設計教訓，為滿足在指定空間下的電路功能、熱耗散及EMI性能的實現(xiàn)，需要克服很多困難。寬帶電臺主體結(jié)構(gòu)由前面板與腔體組成，腔體又分為相對密閉的上腔、下腔，這種結(jié)構(gòu)形式具有良好的屏蔽作用，實現(xiàn)了數(shù)字電路和模擬電路屏蔽隔離，干擾電路與被干擾電路的屏蔽隔離。同時，也與前面板電路完全隔離。

在內(nèi)部電路板上，對于來自射頻的時鐘電路、開關(guān)電源以及高速數(shù)據(jù)信號線相互進行了可靠的屏蔽隔離。將溫度傳感器安裝在功放板上進行熱耗散監(jiān)控，通過仿真建模和實際測試，當對應的溫度檢測超過 100℃時，對功放功率進行回退控制。當環(huán)境溫度為 25℃時，即可維持結(jié)構(gòu)外殼溫度不超過75℃，滿足環(huán)境適應性的設計應用要求。

1.3 電調(diào)濾波器設計

在寬帶電臺中，需要切換天線模式和切換不同濾波頻率的濾波器，但是通常設計中，往往沒有連續(xù)的調(diào)諧范圍，體積也比較大，所以一個有著寬帶電壓調(diào)諧頻段以及頻率捷變元件的濾波器來替代一組固定濾波器來減小電臺體積顯得尤為重要。跳頻電調(diào)濾波器作為接收機的關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)，大大地縮小了寬帶電臺收發(fā)信機的體積，同時也保障了技術(shù)特性滿足指標要求。圖2是跳頻電調(diào)濾波器原理示意圖[4]。

圖2 電調(diào)部件示意

2 相關(guān)技術(shù)應用

2.1 FPGA 技術(shù)趨勢

FPGA的發(fā)展趨勢，對基帶設計的成本、體積的控制有顯著的意義。FPGA每2～3年就實現(xiàn)一次同樣體積雙倍資源和能力，是摩爾定律的最佳體現(xiàn)。

FPGA的發(fā)展主要得益于制造工藝的進步，從130納米到65納米，再到45納米，如今28納米的FPGA產(chǎn)品也出現(xiàn)了。Virtex-7和Artix-7及Kintex-7是目前 Xilinx公司出品的最新基于 28 nm技術(shù)的FPGA產(chǎn)品，目標定位是正是應用于電信、雷達、衛(wèi)星通信等高速信號處理。

這種工藝發(fā)展帶來的好處是：體積更小、功耗更低、單位資源更便宜，異構(gòu)處理器的容納能力更強。這種工藝國內(nèi)已經(jīng)比較成熟[5]。

Altera也將采用Intel 14 nm三柵極晶體管技術(shù)制造下一代 FPGA。這些產(chǎn)品主要面向軍事、固網(wǎng)通信、云網(wǎng)絡，將突破“目前其他技術(shù)無法解決的性能和功效瓶頸問題”。

2.2 組裝工藝

剛撓印制板（Rigid-Flex Printed Board），又稱為剛?cè)峤Y(jié)合板，它指一塊印刷電路板上包含一個或多個剛性區(qū)和柔性區(qū)，由剛性板和柔性板層壓在一起組成。剛撓性結(jié)合板可以向三維空間擴展，提高了電路設計和機械結(jié)構(gòu)設計的自由度。剛撓結(jié)合工藝的發(fā)展，改變原來生產(chǎn)多個單板，然后通過連接線纜連接的裝配形式。寬帶電臺采用先進的剛?cè)嵝赃B接工藝，將前面板的多個單板和連接線一次生產(chǎn)，既提高連接可靠性，又能顯著降低成本（至少節(jié)省多次開模費用），節(jié)約時間，簡化整機組裝工藝，剛?cè)嵊≈瓢迨疽鈭D如圖3所示。

圖3 剛?cè)嵊≈瓢?/p>

3 技術(shù)發(fā)展展望

3.1 基帶技術(shù)演進

采用65納米工藝甚至更高工藝的FPGA，有足夠能力一體化實現(xiàn)UHF、Link 16等基帶應用設計，可用FPGA內(nèi)嵌雙核power PC去取代原DSP(Digital Signal Processor)和 GPP(General Purpose Processor)，未來的目標是集成更多的硬件、固件。

對于基帶應用的不同實現(xiàn)架構(gòu)的專題研究需要關(guān)注及跟蹤以下三種架構(gòu)：采用內(nèi)嵌雙核 PPC的FPGA架構(gòu)；內(nèi)置雙核處理器、存貯器的Package-on-Package (POP) 的芯片架構(gòu)；保留FPGA做純處理器件的架構(gòu)。

3.2 印制板工藝

器件內(nèi)嵌工藝的發(fā)展，使得PCB板層內(nèi)嵌無源器件（如電阻、電容）已經(jīng)成為現(xiàn)實，這種工藝的發(fā)展，必將大大減小PCB板的尺寸，提高單板可用空間。用PCB多層板板內(nèi)置阻容，可以極大減少面積足。目前，咱們國內(nèi)很多印制板生產(chǎn)廠家均可實現(xiàn)，但價格還比較昂貴。表貼和內(nèi)嵌電阻散熱比較示意圖如圖4所示。

圖4 表貼與內(nèi)嵌電阻散熱性能比較

同時這種工藝，對射頻設計有很好的保障性，可將無源濾波器內(nèi)置在板層中，既減小體積，又能保證分布參數(shù)的范圍。

3.3 MEMS技術(shù)

微機電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical Systems)采用微機械加工技術(shù)制造的集微型傳感器、微型機構(gòu)、微型執(zhí)行器以及信號處理可控制電路、接口、通訊等于一體的微型器件或微型系統(tǒng)。它將電子技術(shù)與機械集成化相集合，在電臺的電子通信領(lǐng)域主要研究低損耗的射頻濾波器、高Q值電感技術(shù)、可變電容、振蕩器、電子開關(guān)等，將極大地帶來電臺設備體積的大幅縮小、重量的大幅減輕[6]。

4 結(jié)語

文中采用從系統(tǒng)分析考慮，從研究細節(jié)著手，結(jié)合新技術(shù)的應用，將低功耗小型化設計理論落實到產(chǎn)品設計中，針對寬帶高速電臺的系統(tǒng)架構(gòu)，確定了電源管理及結(jié)構(gòu)設計要點，最終在樣機的測試中，所有主要技術(shù)指標達到或者優(yōu)于國內(nèi)同類電臺指標，其體積和重量均同比降低30%左右，功耗更低，達到國際同類設計水平。目前，隨著用戶的需求不斷提高，新技術(shù)的不斷發(fā)展，針對未來的變革，確定將采用了一系列優(yōu)化設計的技術(shù)方向，電臺低功耗小型化的研究也將面臨更高的挑戰(zhàn)[7-8]。

[1] 蘇旸,劉強,叢鍵.新型寬帶網(wǎng)絡電臺的分析與設計[J].通信技術(shù),2008,41(05):7-9.

[2] 彭麟,蘇旸,袁鳳國.寬帶高速電臺發(fā)射機系統(tǒng)的保護設計應用[J].通信技術(shù),2013,46(05):16-18.

[3] 楊建,任香凝,牛桂兵.戰(zhàn)術(shù)電臺多波形技術(shù)分析[J].通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡技術(shù),2011,37(06):11-13,46.

[4] 彭麟,李風光,蘇旸.寬帶高速電臺接收機的接收鏈路設計應用[J].通信技術(shù),2012,45(12):48-50.

[5] 肖遷,羅旗舞,毛建旭.管網(wǎng)智能終端產(chǎn)品中超低功耗設計與實現(xiàn)[J].計算機系統(tǒng)應用, 2011,20(09):182-184,251.

[6] 劉全環(huán),李眾立.一種數(shù)字話音通信系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].通信技術(shù),2011,44(09):30-32.

[7] 員麗瓊,景占榮.基于DSP的紅外數(shù)字通信技術(shù)研究[J].信息安全與通信保密,2010(02):82-84.

[8] 李菊林,張捷.LTE中SC-FDMA系統(tǒng)實現(xiàn)及性能分析[J].信息安全與通信保密,2010(02):75-76.