綜合背板與線束在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用

張成剛，張德斌

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

陣面綜合布線是雷達(dá)系統(tǒng)中的重要組成部分，它的作用是實(shí)現(xiàn)微波信號、控制信號、電信號、光信號的正常傳輸。傳統(tǒng)的雷達(dá)綜合布線大多只采用線纜互連方式，陣面走線復(fù)雜，交織穿插，故障率高，抗電磁干擾性差，排故困難。

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，對陣面綜合布線的要求越來越高，現(xiàn)代雷達(dá)產(chǎn)品電子設(shè)備量大、集成度高、兼容性強(qiáng)、高頻箱走線空間狹小、設(shè)備以及走線之間的信號干擾強(qiáng)烈，各類電源電纜、控制電纜、射頻電纜種類繁多。為使綜合布線線路清晰、抗電磁干擾能力強(qiáng)，本文討論了綜合背板與綜合線束相結(jié)合，對雷達(dá)陣面系統(tǒng)進(jìn)行一體化集中式設(shè)計(jì)，使得雷達(dá)陣面體系脈路分明，抗電磁干擾能力強(qiáng)［1］，大幅度增強(qiáng)陣面的可維護(hù)性，并利用EDA軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化［2］，使得設(shè)計(jì)一步到位，保證雷達(dá)系統(tǒng)的高可靠性。

1 設(shè)計(jì)原理

現(xiàn)以雷達(dá)綜合布線為例，陣面由若干機(jī)柜組成，機(jī)柜內(nèi)含有T/R組件、數(shù)字單元、二級開關(guān)、發(fā)射電源、接收電源、濾波器、除濕機(jī)等電子設(shè)備，機(jī)柜背板與高頻箱體之間的間距狹小，綜合布線要在此夾層中完成?？刂齐娎|分為五種:T/R控制電纜、發(fā)射電源監(jiān)控電纜、接收電源監(jiān)控電纜、二級開關(guān)控制電纜、一分九開關(guān)控制電纜。電源電纜分為八種:T/R接收電源供電電纜、T/R發(fā)射電源電纜、數(shù)字單元供電電纜、濾波器交流電輸入電纜與輸出電纜、接收電源交流電輸入電纜、二級開關(guān)供電電纜、一分九開關(guān)供電電纜、除濕機(jī)供電電纜。

1)主要電源信號流向如圖1所示。

圖1 電源供電示意圖

接收電源將5 V模擬電與數(shù)字電送入綜合走線背板，然后，經(jīng)過綜合走線背板分配給10組T/R組件、數(shù)字單元、二次行饋組件、二級開關(guān)、一分九開關(guān)等。

2)主要控制信號流向如圖2所示。

圖2 控制信號流向示意圖

T/R控制信號、發(fā)射電源監(jiān)控信號、接收電源監(jiān)控信號、二級開關(guān)控制信號、一分九開關(guān)控制信號經(jīng)機(jī)柜轉(zhuǎn)接板送入綜合走線背板，然后，由綜合走線背板對相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行控制。

2 綜合走線設(shè)計(jì)規(guī)則

2.1 電磁兼容

電磁兼容(EMC)［3］問題是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，并且貫穿設(shè)計(jì)流程的各個(gè)階段，綜合布線要考慮EMC，綜合背板與綜合線束的設(shè)計(jì)要符合EMC的要求。安全地、信號地、電源地要區(qū)分開來，否則，容易發(fā)生電磁干擾。

系統(tǒng)及各設(shè)備布線要求如下:(1)電線電纜布線設(shè)計(jì)，必須盡可能減少耦合;(2)對各種信號走線進(jìn)行合理布局，對輸入的強(qiáng)弱信號要隔離;(3)盡量縮短各種引線，以減少干擾;(4)接地線，尤其是高頻電路接地線要短。

2.2 仿真技術(shù)

在設(shè)計(jì)綜合背板時(shí)，引入仿真技術(shù)，在設(shè)計(jì)前期對印制電路板(PCB)綜合板進(jìn)行模擬分析，有針對性地加以改進(jìn)，將很多的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)扼殺在萌芽狀態(tài)，從而能大大縮短設(shè)計(jì)周期和節(jié)省設(shè)計(jì)成本。

2.3 綜合線束的設(shè)計(jì)

1)控制電纜線束外面要套防波套，防波套要與連接器尾夾充分接觸，尾夾要接地且盡量選用扁平線纜接地。

2)如果控制電纜線束中含有干擾性強(qiáng)的信號導(dǎo)線，那么每條信號導(dǎo)線都需要外套防波套，線束里的每根導(dǎo)線屏蔽網(wǎng)最后引到一起接安全地?，F(xiàn)在廠家會有現(xiàn)成的單根屏蔽線、雙絞屏蔽線可選。

3)控制電纜與電源電纜要分開走，防止發(fā)生干擾。電源電纜如果是由多根導(dǎo)線組成的線束，要考慮以下三點(diǎn):線束中導(dǎo)線的根數(shù)、外界的溫度、所處的海拔高度。此三大因素會影響導(dǎo)線的載流量，線束里導(dǎo)線根數(shù)越多，外界溫度越高，海拔越高，導(dǎo)線的衰減系數(shù)越小，耐電流能力越小。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 綜合走線背板的設(shè)計(jì)

綜合走線背板長約1 m，寬6 cm，厚5.5 mm，該綜合板包含控制信號與電源供電信號［4］。L7、L8、L9、L10、L11、L12、L13 為信號層，TOP、BOTTOM、L6、L14層為安全地，L19 層為信號地，L2、L3、L4、L5、L15、L16、L17、L18 為電源層，銅皮厚度為0.2 mm。

機(jī)柜內(nèi)電子設(shè)備需要數(shù)字電源和模擬電源，數(shù)字電源與模擬電源分開供給，以防止相互干擾，電源可分成四類:5 V/20 A(數(shù)字)，5 V/30 A(數(shù)字)，5 V/10 A(模擬)，5 V/20 A(模擬)。電源層由于承載電流較大，銅層采用厚銅，厚為0.2 mm。

從EMC方面考慮:(1)信號層與電源層分別布在不同層中，減少相互之間干擾;(2)為防止外界與綜合走線板間的干擾，在背板四周均打上屏蔽孔，屏蔽孔與TOP、BOTTOM層的安全地連在一起，背板四周做側(cè)壁金屬化處理;(3)背板上電連接器結(jié)構(gòu)固定孔金屬化，孔阻焊層要大于連接器固定螺釘帽，使得螺釘帽與TOP、BOTTOM層安全地充分接觸，從而與背板對插的控制信號電纜上的干擾信號通過防波套經(jīng)電連接器殼體、背板安全地，最后經(jīng)綜合走線背板流入機(jī)架安全地［5-6］。

從結(jié)構(gòu)方面考慮，由于背板較長，電源層銅皮較厚，信號層、地層相對較薄，在安排疊層結(jié)構(gòu)的時(shí)候，要注意電源層從上至下應(yīng)對稱排布，以防止背板加工后由于張力原因發(fā)生翹曲。

3.2 綜合走線背板上控制信號分析與仿真驗(yàn)證

隨著數(shù)字電路時(shí)鐘速度的提高，信號完整性(SI)已成為越來越關(guān)心的問題。當(dāng)電路中信號能以要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度到達(dá)負(fù)載時(shí)，該電路就有很好的信號完整性。當(dāng)信號不能正常響應(yīng)時(shí)，就出現(xiàn)了信號完整性問題。誤觸發(fā)、阻尼振蕩、過沖、欠沖等信號完整性問題會造成時(shí)鐘間歇振蕩和數(shù)據(jù)出錯(cuò)。在實(shí)際的PCB板上的導(dǎo)線具有電阻、電容和電感等電氣特性，驅(qū)動器的輸出阻抗通常小于PCB互聯(lián)信號線的特征阻抗，而PCB互聯(lián)信號線的特征阻抗一般來說也小于接收器的輸入阻抗。這種阻抗的不連續(xù)性就會導(dǎo)致設(shè)計(jì)系統(tǒng)中信號反射的出現(xiàn)。在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，PCB板線路上的電容和電感會使導(dǎo)線等效于一條傳輸線。傳輸線上的阻抗會使信號達(dá)不到規(guī)定的電壓幅度，線路阻抗與外接負(fù)載不匹配會產(chǎn)生信號反射現(xiàn)象，這些都會引起信號完整性問題。

一般來說，減少信號完整性問題的常用方法是在傳輸線上增加端接元件。端接元件是一些無源元件，如電阻和電容。終端匹配技術(shù)就是利用這些元件在傳輸線和負(fù)載間實(shí)現(xiàn)阻抗匹配從而防止產(chǎn)生SI問題［2］。電阻可以用來匹配傳輸線阻抗與接收器的阻抗，而電容則可以用來限制電壓的變化從而削弱阻尼信號的能量。

綜合走線背板在布控制信號時(shí)需要考慮SI［7］，在終端位置加載匹配電阻。采用軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，得到最佳匹配電阻值。本設(shè)計(jì)使用CST PCB STUDIO對綜合走線背板控制信號進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

下面對綜合走線背板的一對差分對信號進(jìn)行仿真分析，當(dāng)終端不加匹配電阻時(shí)，負(fù)載信號波形如圖3所示。終端接匹配電阻，并對電阻值進(jìn)行優(yōu)化仿真，最后，選取最佳值100 Ω，負(fù)載信號波形最佳，如圖4所示。

通過仿真驗(yàn)證，由圖3、圖4比較可以發(fā)現(xiàn):終端匹配電阻對信號輸出波形起的作用極大，未加匹配電阻時(shí)，信號波形振蕩劇烈，信號反射現(xiàn)象嚴(yán)重;當(dāng)加100 Ω匹配電阻時(shí)如圖4所示，信號平坦。

圖3 終端未接匹配電阻時(shí)負(fù)載端信號波形

圖4 終端接100 Ω匹配電阻時(shí)負(fù)載端信號波形

3.3 綜合走線背板上電源層分析與仿真驗(yàn)證

背板電源層走大電流時(shí)，經(jīng)過理論計(jì)算電源層可走50 A的電流，輸入電流經(jīng)過背板中部兩個(gè)J30J-66ZKN8P17-J電連接器進(jìn)入背板電源層。在電流集中處需要進(jìn)行分流處理，在J30J-66ZKN8P17-J電連接器旁邊打一些電流過孔，電流過孔一方面與電連接器對應(yīng)管腳相連，另一方面與電源層相連，增加電流過孔目的是防止背板上對應(yīng)的電連接器過孔由于電流過大而燒斷。最后，采用CST EM STUDIO軟件進(jìn)行電流仿真驗(yàn)證，觀察電流分布。J30J-66ZKN8P17-J電連接器輸入電流管腳排布未經(jīng)優(yōu)化時(shí)如圖5所示，對綜合走線背板進(jìn)行仿真，該連接器附近電流密度分布如圖6所示;優(yōu)化后的電連接器管腳排布如圖7所示，對綜合走線背板仿真分析，該連接器附近電流密度如圖8所示。

圖5 優(yōu)化前連接器管腳排布

圖6 優(yōu)化前連接器電流密度分布

圖7 優(yōu)化后連接器管腳排布

圖8 優(yōu)化后連接器電流密度分布

由圖7可知，連接器上部電流密度很大，接近7.5×106A/m2。由圖8可知，優(yōu)化后的連接器附近電流密度明顯下降，電流密度最大不超過4×106A/m2。

4 復(fù)雜饋線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備小型化、輕型化，微波高頻PTFE板和低頻FR4板混合而成的PCB多層板開始成為一種新的發(fā)展潮流，在微波高低頻混合PCB多層板設(shè)計(jì)中，過孔的設(shè)計(jì)已成為影響高速PCB板信號完整性的一大關(guān)鍵性因素［7］。

傳統(tǒng)的PCB多層板是由相同材料壓合而成，多選用FR4材料，高低頻信號均走在這類材料中。當(dāng)信號在不同層間過渡時(shí)，由于是在相同材料中打過孔，信號受到的影響不大，產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)效應(yīng)較小。高頻、低頻板混壓而成的PCB多層板，由于各層材料的不一致性，過孔在每層的阻抗都會發(fā)生突變，信號的完整性受到很大影響，產(chǎn)生較大的EMI［8］，過孔的設(shè)計(jì)就顯得特別重要，它會影響整個(gè)系統(tǒng)的電性能。

混合PCB多層板結(jié)構(gòu)為:一至四層為微波板，材料為PTFE;五至八層為低頻版，材料為FR4;九至十二層為微波板，材料為PTFE。過孔為L1層傳輸線到L11層傳輸線之間的過渡，中間依次經(jīng)過2塊PTFE微波板、2塊FR4低頻板、1塊PTFE微波板。如圖9所示。

圖9 混合PCB板層結(jié)構(gòu)圖

三維微波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一就是設(shè)計(jì)出適用于該波段的垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)。我們設(shè)計(jì)了一種垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用帶狀線-共面波導(dǎo)的垂直過渡形式，將射頻連接器和輸入輸出帶線一體化精確建模，如圖10所示。

圖10 過孔三維模型圖

在7 GHz～13 GHz頻帶內(nèi)對信號的反射、傳輸特性進(jìn)行研究，信號由L1層傳輸線經(jīng)過孔到達(dá)L11層的傳輸線。過孔優(yōu)化前信號的反射特性很差，如圖11所示。

圖11 過孔沒有優(yōu)化時(shí)的反射特性

對過孔模型進(jìn)行優(yōu)化，改變過孔輸入輸出導(dǎo)帶線寬﹑孔徑大小，過孔隔離區(qū)。從而改變信號的反射特性，得出最優(yōu)反射特性，如圖12所示。

圖12 過孔優(yōu)化后的傳輸線反射特性

5 結(jié)束語

本文探討了雷達(dá)陣面綜合布線的設(shè)計(jì)流程和關(guān)鍵方法，復(fù)雜饋線系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將綜合背板與綜合線束相結(jié)合，應(yīng)用到雷達(dá)陣面綜合布線中，使得雷達(dá)陣面體系脈路分明、整潔，可維護(hù)性強(qiáng)、抗電磁干擾能力強(qiáng)。

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