基于多層微帶基板的收發(fā)變頻通道設計

祝加秀，劉魯軍，范鵬飛

基于多層微帶基板的收發(fā)變頻通道設計

祝加秀，劉魯軍，范鵬飛

（華東電子工程研究所，安徽合肥，230088）

為實現(xiàn)對S波段收發(fā)變頻通道中的直流傳輸、數(shù)字控制信號、射頻傳輸?shù)碾姶偶嫒萏匦詢?yōu)化設計，基于Protel軟件對收發(fā)變頻通道進行了PCB版圖級設計，并利用HFSS軟件對本振垂直過渡進行了仿真。基于多層微帶基板的微帶結構、帶狀線結構的本振傳輸設計，重點完成了變頻模塊的小型化設計，并對垂直互聯(lián)結構的電特性進行了仿真研究，給出了收發(fā)通道的測試結果。設計有效提升了電路組裝效率，降低了生產(chǎn)成本。

收發(fā)通道；變頻；SIP封裝；多層微帶基板；射頻垂直過渡；仿真分析

引言

作為數(shù)字陣列雷達的組成部分，收發(fā)變頻通道既要接收放大信號并將其變頻至中頻，又要將中頻波形變頻為所需要的射頻信號，起著承上啟下的關鍵作用。系統(tǒng)要求收發(fā)變頻通道體積小，并在實現(xiàn)上下變頻的基礎上，完成發(fā)射通道的濾波激勵放大功能，并輸出至末級放大器；接收通道將收到的信號進行限幅、放大以及濾波，既要保證噪聲系數(shù)較低，又要滿足接收機的幅度要求，同時要求接口簡單[1-4]。

1　電路設計

1.1電路原理圖設計

鑒于系統(tǒng)的要求，變頻通道完成雷達回波信號的放大、變頻和濾波，輸出中頻信號送A/D，如圖1所示；發(fā)射通道完成雷達波形信號的變頻、濾波和放大，輸出射頻信號送功率放大器，如圖1所示。在體制選擇上，采用超外差一次有源混頻體制予以實現(xiàn)。通道基本單元包括限幅低噪放、一次變頻電路、放大器、濾波器等。對于上變頻激勵通道，只要保證輸出功率能夠達到要求，同時能夠兼顧相位、雜散、寄生調(diào)制、對改善因子的限制等指標，對增益的分配就相對比較簡單；對于下變頻通道，主要兼顧到接收機的靈敏度和大信號時的增益分配。

1.2一次變頻模塊設計

為保證小型化，設計首先將S波段收發(fā)變頻通道的一次上變頻功能與一次下變頻功能進行融合設計，可以大大減少器件數(shù)量和成本。為此，特設計為上下變頻共用混頻器和濾波器，形成了一次變頻模塊，這樣既簡化了電路結構，又實現(xiàn)了系統(tǒng)的性能。一次變頻模塊采用MMIC集成的方式，最大限度節(jié)約了體積，提高了成品率。上下一次變頻通道電路框圖如圖2(a)、(b)所示。

圖1　接收、發(fā)射通道組成簡圖

圖2　上下一次變頻通道原理圖

S波段上下變頻器是一款集成了四個開關、兩個混頻器和兩個中頻放大器等多個微波單芯片的功能模塊電路，其中TTL1實現(xiàn)模塊收發(fā)控制，TTL2控制兩路輸入射頻的切換。另外，通過器件引腳IF1和IF2的外掛器件（濾波器和衰減器）可以較容易實現(xiàn)高指標的本振隔離和變頻器件的增益調(diào)整。

1.3基于PCB基板的本振垂直過渡設計

系統(tǒng)中的基板要求同時具有射頻和低頻（電源、控制信號）功分的功能。它的電路原理雖然簡單，但是電路布線中走線密度大、走線交叉多，射頻和低頻容易相互干擾，基板尺寸大、層數(shù)多，加工中容易翹曲變形，是多層微帶電路設計難點之一。本次設計中射頻收入輸出采用微帶線形式，而本振輸入采用微帶轉帶狀線再轉微帶線形式，跨層轉接部分采用垂直過渡的孔型結構。它們的板級結構如圖3(a)、(b)所示。

垂直過渡、表層走線的兩種類型射頻走線性能比較如表1所示。

設計中，本振頻率信號采用垂直過渡與同層微帶線轉帶狀走線相結合的形式，利用HFSS仿真軟件進行分析和優(yōu)化仿真。

圖3　兩種類型射頻走線結構圖

表1　兩種類型射頻走線優(yōu)缺點比較

本振頻率垂直過渡結構仿真模型如圖4所示。射頻基板采用CLTE微帶板?？倢訑?shù)為7層，其中上三層為微帶層，下四層為FR4，帶狀線兩邊的背孔為mid5層到bottom層，垂直過度孔為從表層到mid3 層。

圖4　垂直過渡結構模型

微帶線至帶狀線通過金屬化過孔垂直互連，過孔與周圍一圈屏蔽過孔構成近似同軸結構?；邈@孔直徑有0.3 mm、0.5 mm等幾種規(guī)格，本設計選擇孔徑較大的0.5 mm規(guī)格，以提高過孔可靠性?；鍩Y后孔徑會進一步收縮，成品孔徑d 約為0.46 mm。根據(jù)同軸線特征阻抗計算公式（1）：

其中，CLTE基板相對介電常數(shù)εr=2.94?？梢杂嬎愕玫剑浩帘芜^孔所圍圈直徑為D=1.454 mm。仿真中經(jīng)過優(yōu)化，外圈直徑實際選取1.46 mm。垂直過渡背靠背模型和仿真結果如圖5所示。仿真模型尺寸20 mm×10 mm×4 mm，在2.5～3.3 GHz頻率范圍內(nèi)，垂直過渡背靠背結構回波損耗大于20 dB，插入損耗小于0.48 dB。

圖5　垂直過渡與微帶轉帶狀線結合結構仿真結果

2　版圖設計

電磁兼容設計在單元數(shù)字化通道的研制過程中非常重要。數(shù)字化接收通道是集成度高的復雜電子設備，既有微波信號，又有數(shù)字信號。電磁兼容設計不僅要解決低噪聲接收通道高增益鏈路的互耦合、串擾，還要解決高頻信號與數(shù)字信號間的隔離，同時還必須考慮數(shù)字化接收通道和雷達系統(tǒng)的相互干擾與影響。因此，布板過程中要采取必要措施，充分考慮以上因素。

采取的措施主要包括：

（a）限幅低噪聲放大器采用BGA形式裝配，焊接到基板上，存在數(shù)字信號和時鐘對模擬中頻的串擾問題，在放大模塊四周底部充分布接地通孔，采用深井隔離方式弱化數(shù)字信號對模擬信號的干擾；

（b）收發(fā)鏈路分腔設計，接收通道單通道增益高達55 dB，通過鏈路中加金屬腔過渡，隔離有源器件間的相互耦合干擾，降低腔體效應；

（c）電源線盡可能靠近地線，以減小差模輻射的環(huán)面積，降低干擾對系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。

PCB版圖如圖6所示，完成該PCB所包含的電磁特性和直流特性仿真。完成發(fā)射（T）、接收（R）和本振饋入三個主要功能，發(fā)射通道主要完成射頻激勵信號的放大，并輸出至饋線網(wǎng)絡；接收通道將天線接收的回波信號放大，并保證較低的噪聲系數(shù)，同時又要滿足接收機的幅度要求；組件的收發(fā)開關切換及相位、衰減的控制由外部驅(qū)動送入的控制信號完成。

圖6　PCB版圖

3　測試結果

基于多層微帶基板的收發(fā)變頻通道設計，射頻頻率為S波段，低本振，中頻為P波段。每組8路，每路均相同。實物如圖7所示，測試數(shù)據(jù)如圖8(a)、(b)所示。

圖7　實物圖

圖8　測試結果圖

4　結束語

伴隨著元器件發(fā)展和雷達技術需求不斷提高，雷達收發(fā)變頻通道小型化需求也在日益擴大。研制了通用小型化的基于多層微帶基板的收發(fā)變頻通道，尤其重點研究了本振信號垂直過渡、低成本微波電路封裝方式、版圖設計及小型化的實現(xiàn)。通過對微波信號的仿真和微波電路的熱設計，設計了適合批量化的多層微帶板圖，極大幅度提升了電路組裝效率，降低了生產(chǎn)成本。

[1]弋穩(wěn). 雷達接收機[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2008.

[2]王小謨. 監(jiān)視雷達技術[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2008.

[3]吳均, 王輝, 周佳永. Cadence印刷電路板設計: Allegro PCB Editor設計指南[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012.

[4]鮮飛. 高密度封裝技術的發(fā)展[J]. 半導體技術, 2002, 27(5): 9-11.

Design on T/R Frequency Conversion Channel based on Multilayer Microstrip Substrate

ZHU Jia-xiu, LIU Lu-jun, FAN Peng-fei
(East China Research Institute of Electronic Engineering, Hefei, Anhui, 230088, China)

In order to carry out optimum design for electromagnetic compatibility of direct current transmission, digital control signal and radio frequency transmission in S-band transmission and receive (T/ R) frequency conversion channel, layout design of PCB is carried out for it based on the Protel software, and local oscillator vertical transition is simulated based on the HFSS software. Also, based on the local oscillator design for microstrip/strip structures of multilayer microstrip substrate, the miniaturization design of frequency conversion module is completed, and the electrical characteristics of the vertical interconnection structure are simulated. The test results of T/R frequency conversion effectively imply that the assembly efficiency of circuit is improved, and the production cost is reduced.

T/R Channel; Frequency Conversion; SIP Packaging; Multilayer Microstrip Substrate; RF Vertical Transition; Simulation Analysis

TN952

A

2095-8412 (2016) 05-956-04工業(yè)技術創(chuàng)新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.034

祝加秀(1977-)，女，山東臨沂人，高級工程師。主要研究方向：微波收發(fā)系統(tǒng)電路。

劉魯軍(1970-)，男，山東威海人，高級工程師。主要研究方向：機械結構與設計。

范鵬飛(1981-)，男，安徽阜陽人，高級工程師。主要研究方向：微波收發(fā)系統(tǒng)電路。