一種高集成超小型收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦穎

（中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所 江蘇省南京市 210000）

數(shù)字陣?yán)走_(dá)由于波束掃描靈活，抗干擾能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大動態(tài)等優(yōu)勢，被越來越多的應(yīng)用到各領(lǐng)域的軍用電子設(shè)備中[1]。數(shù)字陣?yán)走_(dá)為了實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)檢測跟蹤、多波束形成等要求，通常有很多路收發(fā)通道。

傳統(tǒng)多通道收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式上是一個(gè)機(jī)箱，包含時(shí)鐘本振源、多通道前端接收、數(shù)字信號產(chǎn)生、上變頻發(fā)射、定時(shí)控制等多個(gè)組件。此設(shè)計(jì)方法功能劃分清晰，結(jié)構(gòu)獨(dú)立，電磁兼容性好，但體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電路繁瑣。因此我們迫切的需要一種設(shè)計(jì)方法，在滿足現(xiàn)代雷達(dá)高探測能力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)多通道收發(fā)單元小型化、集成化、低成本。

1 原理設(shè)計(jì)

本文介紹的這種高集成超小型收發(fā)系統(tǒng)就是把傳統(tǒng)收發(fā)單元內(nèi)所有功能集成在同一塊印制板上，體積僅為原先一個(gè)組件的大小。

工作時(shí)，雷達(dá)控制系統(tǒng)通過光傳控制信號將工作模式發(fā)送至板上光口，通過FPGA解析該光控制信號，并分發(fā)送出此系統(tǒng)用的所有定時(shí)信號和天線陣面所需控制。雷達(dá)發(fā)射時(shí)，數(shù)字信號產(chǎn)生電路在定時(shí)控制下產(chǎn)生低波段中頻工作波形，功分多路送至對應(yīng)的射頻SIP。同時(shí)，頻率源受控分別產(chǎn)生相應(yīng)工作頻點(diǎn)的本振信號，中頻信號與本振信號在SIP中通過變頻、放大、濾波等一系統(tǒng)處理后合成激勵(lì)信號，送至陣面對應(yīng)子陣。

雷達(dá)接收時(shí)，同時(shí)接收天線陣面送來的多路子陣回波信號。每路子陣回波信號經(jīng)過相同的處理：低噪聲放大、抗干擾濾波、通道增益控制、下變頻后形成中頻信號，再經(jīng)ADC數(shù)字化采樣形成數(shù)字基帶信號，多路基帶信號通過一定的協(xié)議打包后由光纖傳輸給信號處理分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)DBF[2]。如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)原理框圖

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 印制板疊層設(shè)計(jì)

多層印制板疊層合理布局是實(shí)現(xiàn)良好信號傳輸性能的關(guān)鍵因素，影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能、穩(wěn)定性以及加工成本。多層復(fù)雜電路印制板設(shè)計(jì)必須科學(xué)考慮層數(shù)和各層布局，有效調(diào)節(jié)各層阻抗的連續(xù)性，保證信號、電源、地的完整性，有助于屏蔽和抑制電磁干擾。因此，疊層設(shè)計(jì)必須同時(shí)滿足加工要求、信號完整性、EMI的要求[3]。

此系統(tǒng)功能復(fù)雜，器件繁多，高頻電路與數(shù)字電路并存。各種類型的器件如FPGA、DA、AD、射頻SIP、微型鎖相環(huán)頻率源芯片要布局于同一印制板上。射頻信號與、中頻信號、低頻時(shí)鐘信號；以及射頻信號、數(shù)字信號、寬度信號、高速信號等不同頻段不同類型的信號在同一載體上傳輸，電磁環(huán)境異常復(fù)雜。

其中，大量的低頻數(shù)字信號翻轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生噪聲，噪聲信號會不斷疊加到附近的射頻信號上。要模擬信號能被正確解調(diào)，就得保證模擬信號在調(diào)制、放大、傳輸?shù)纫幌盗羞^程中的信噪比。因此，要達(dá)到好的傳輸性能，必須盡可能的使信號相互隔離，減小板內(nèi)耦合干擾。這就需要對元器件合理布局，選擇合適印制板板材和科學(xué)設(shè)計(jì)印制板疊層。

如圖2所示，綜合考慮PCB板厚和成本，本例中印制板設(shè)計(jì)為24層，從頂層至底層依次為L1,L2……L24，L1至L14層用普通FR-4板材，L15至L24層用高頻板材CLTEXT。首先考慮從物理上對數(shù)字信號和模擬信號進(jìn)行隔離。將數(shù)字器件（如FPGA,DA,AD,接口芯片）布局在L1層，模擬器件（如鎖相環(huán)源芯片,射頻SIP,放大器）布局在L24層。數(shù)字器件之間的走線及數(shù)字地盡量使用L1至L14層的盲孔互聯(lián)，模擬器件之間的走線及模擬地均使用L24至L15層的盲孔互聯(lián)，僅少量射頻部分的控制信號和中頻信號傳輸通過表層至底層的通孔互聯(lián)。通過混合板材層壓設(shè)計(jì)，數(shù)字模擬用不同種類的盲孔，實(shí)現(xiàn)上下數(shù)模功能分區(qū)、信號邏輯分區(qū)。即保證了模擬信號傳輸質(zhì)量，減小干擾、布線難度，又能盡量減低印制板厚度，降低印制板生產(chǎn)難度，降低成本。即保證了多功能集成，又使各部分有清晰的區(qū)域劃分，相對獨(dú)立的信號傳輸空間。

圖2：印制板疊層參數(shù)

2.2 射頻SIP在集成化系統(tǒng)中的應(yīng)用

射頻SIP是將各種射頻芯片、數(shù)模混合芯片、電源芯片等通過高密度轉(zhuǎn)接基板集成封裝在一起微系統(tǒng)技術(shù)。傳統(tǒng)的模擬通道設(shè)計(jì)都用繁瑣復(fù)雜的分立器件實(shí)現(xiàn)，電路復(fù)雜，體積龐大。應(yīng)用射頻SIP后能突破系統(tǒng)體積重量的瓶頸，是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)高性能小型化的核心優(yōu)勢。

本例中每通道模擬部分用一只收發(fā)SIP實(shí)現(xiàn)模擬處理電路。接收時(shí)，天線陣面接收到的回波信號經(jīng)過SIP進(jìn)行混頻、濾波、放大等，處理成中頻信號送至AD；發(fā)射時(shí)每通道的DDS產(chǎn)生的中頻信號通過SIP，處理為激勵(lì)信號送至天線。

如圖3所示，單通道SIP采用基于HTCC基板的三維堆疊技術(shù)，上層主要布局無源器件（濾波器組），下層挖腔分腔體布局各功能塊有源電路，上下基板用微型焊點(diǎn)連接支撐，上層基板通過可伐圍框蓋板實(shí)現(xiàn)氣密封裝；下層基板通過過孔將對外接口信號引至底層BGA焊盤。最終在底層BGA上植球或植柱裝配至印制板。

圖3：射頻收發(fā)SIP實(shí)物圖

如圖4所示，使用射頻SIP，能替代組件中混頻器、濾波器、衰減器、放大器、開關(guān)、及大量的阻容器件等原模擬收發(fā)通道中幾乎所有的元器件。不僅利用裸芯片集中再封裝能有效縮小體積。還充分利用了高度上的空間，雙層堆疊后，面積更加減小。采用多層基板挖腔隔墻設(shè)計(jì)，保證不同功能電路間的隔離屏蔽。應(yīng)用SIP金屬殼氣密封裝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)板上通道間的隔離度的同時(shí)，減少金屬隔墻的使用，簡化了組件結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)，減輕了組件重量。

圖4：射頻收發(fā)SIP結(jié)構(gòu)圖

2.3 集成化布局及信號傳輸

根據(jù)上述的疊層設(shè)計(jì)，還要對器件進(jìn)行合理布局，科學(xué)的規(guī)劃信號傳輸路徑，才能實(shí)現(xiàn)信號的高效高質(zhì)量傳輸?？紤]將數(shù)字器件均布局在印制板頂層，且盡量集中在印制板上方，這樣少量數(shù)字信號和數(shù)字部分電源互聯(lián)的通孔也距高頻信號也有足夠的板間和空間隔離。多個(gè)模擬收發(fā)通道在印制板下方規(guī)律分布。各通道的布局走線完全一致，每路中頻輸出至AD的走線也設(shè)置5mil內(nèi)等長，從硬件上首先保證各通道信號的一致性。本振、時(shí)鐘電路也屬于模擬電路，也布局在下方靠中間部分，設(shè)計(jì)獨(dú)立隔墻結(jié)構(gòu)件避免信號串?dāng)_。當(dāng)通道數(shù)過多時(shí)，提供變頻的本振與某些通道距離較遠(yuǎn)，可先功分兩路用電纜分別傳輸至左右兩側(cè)通道的中間位置，再四功分后用等長帶狀線送至各SIP。盡量選擇用低損耗高屏蔽性的射頻電纜代替印制板走線，降低信號傳輸路徑中的損耗和串?dāng)_。

系統(tǒng)的與天線單元的接口即為射頻收發(fā)SIP的輸入輸出，選用SMP盲插型連接器轉(zhuǎn)接，采用同軸-帶狀線-同軸互連形式，同時(shí)，從連接器焊盤到印制板走線信號傳輸路徑結(jié)構(gòu)變化，造成的阻抗不匹配，需要進(jìn)行特殊匹配以滿足高頻信號的傳輸[4]。由于此處頻率可能較高，為了降低信號傳輸損耗，最好的方法是連接走線盡可能短和寬，過孔短和粗。此例中，設(shè)計(jì)信號從L24層連接器焊盤處通過單層盲孔至L23層，L23層走線周圍鋪地，鏡像對消作用，且在屏蔽地上設(shè)置一定間隔的地過孔，參考地平面為L24和L21層。如圖5和圖6所示，

圖5：高頻信號傳輸仿真模型

圖6：高頻信號傳輸仿真結(jié)果

對于SIP與印制板的連接，收發(fā)SIP與印制板互聯(lián)時(shí)傳輸路徑過長會惡化信號質(zhì)量。綜合考慮工藝可靠性和互聯(lián)模型仿真結(jié)果，SIP與印制板用直徑0.5mm焊球連接。如圖7所示。

圖7：SIP與印制板互聯(lián)仿真模型

2.4 寬度數(shù)字收發(fā)技術(shù)

2.4.1 中頻信號產(chǎn)生

如圖8所示，中頻信號產(chǎn)生功能采用參數(shù)化波形的方式，產(chǎn)生的波形信號完全由數(shù)據(jù)處理進(jìn)行控制，給予波形參數(shù)設(shè)計(jì)最大的自由度。當(dāng)雷達(dá)工作時(shí)，數(shù)據(jù)處理通過光路發(fā)送包頭控制信息至定時(shí)功能電路，F(xiàn)PGA在包頭信息中解出波形模式字以及相應(yīng)的參數(shù)化波形參數(shù)，包括起始頻率，截止頻率，頻率步進(jìn)以及脈寬等，并在幀起始時(shí)刻將參數(shù)更新到DAC芯片內(nèi)，從而產(chǎn)生出相應(yīng)的波形。

圖8：中頻信號產(chǎn)生功能電路的原理框圖

設(shè)計(jì)采用高性能射頻14bit 2.5GSPS的DAC，可以直接產(chǎn)生DC 到3GHz的信號。其DAC內(nèi)核采用四相開關(guān)結(jié)構(gòu)，從而能提供優(yōu)越的低失真性能以及業(yè)界領(lǐng)先的直接射頻輸出能力。芯片工作在基帶模式時(shí)，能在第一奈奎斯特頻率內(nèi)產(chǎn)生的多載波寬帶信號；工作在混頻模式時(shí)，能在第二、三奈奎斯特區(qū)域內(nèi)輸出多載波信號。

根據(jù)系統(tǒng)最大信號帶寬360MHz的要求，我們選擇2.4G的時(shí)鐘，在第二奈奎斯特區(qū)產(chǎn)生中心頻率1.8GHz的中頻信號。如圖9所示。

圖9：中頻信號實(shí)測圖

2.4.2 數(shù)字接收設(shè)計(jì)

接收信號經(jīng)過模擬通道處理為中頻信號后，經(jīng)ADC 完成采樣和量化，并與數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的同相分量和正交分量分別相乘，進(jìn)行濾波處理后形成所需的基帶I、Q 數(shù)據(jù)[5]。如圖10所示。

圖10：基帶信號I、Q數(shù)據(jù)

根據(jù)雷達(dá)設(shè)計(jì)要求，此系統(tǒng)共8通道采樣，選用4片雙通道14位ADC即可實(shí)現(xiàn)。收發(fā)中頻采用同一頻率，可降低系統(tǒng)復(fù)雜度，簡化模擬濾波電路。因此，中頻頻率1.8GHz，最大采樣帶寬為360MHz，選擇采樣時(shí)鐘為800MHz。采用JESD204B接口與FPGA互聯(lián)，線速率為5Gbps，簡化了系統(tǒng)布線設(shè)計(jì)，并可實(shí)現(xiàn)片間的同步功能。

經(jīng)過數(shù)字下變頻后的采樣數(shù)據(jù)，需按照格式打包下傳至DBF、信號處理模塊。

共8通道數(shù)據(jù)需下傳，根據(jù)窄帶采樣帶寬數(shù)據(jù)率的計(jì)算，最大的I、Q采樣數(shù)據(jù)率為360MHz，數(shù)據(jù)位數(shù)為16位，光纖傳輸中需進(jìn)行8b/10b編碼。每個(gè)通道的數(shù)據(jù)率為360MHz*16bit*2*10/8=14Gbps。因此8根10Gbps光纖可滿足數(shù)據(jù)率為360MHz的模式單通道采樣，但8通道采樣時(shí)，總的數(shù)據(jù)率為112Gbps，大于80Gbps的傳輸能力，需要進(jìn)行軟件開窗處理，留足數(shù)據(jù)下傳時(shí)間。

3 結(jié)論

本文介紹了一種高集成超小型收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，創(chuàng)新的將頻率源、數(shù)字收發(fā)、多通道模擬收發(fā)等多種功能集成一體。應(yīng)用此設(shè)計(jì)方法完成的八通道數(shù)字收發(fā)單元系統(tǒng)尺寸為290*165*15mm，對比上一版本采用傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)的單元，體積縮小到原來的1/20，重量減輕至1/15，功耗減小至1/2。實(shí)際測試組件發(fā)射雜散小于70dBm；接收動態(tài)大于65dB；噪聲系數(shù)小于6dB；通道隔離度大于45dB。性能良好，滿足設(shè)計(jì)要求，具有積極的工程實(shí)踐意義，為雷達(dá)系統(tǒng)提供了先進(jìn)的設(shè)計(jì)思路。