基于先進工藝的低功耗小型化采編測控數傳一體化設計與實現

盧 丹，付海燕，紀春國

（山東航天電子技術研究所 山東 煙臺 264003）

基于先進工藝的低功耗小型化采編測控數傳一體化設計與實現

盧 丹，付海燕，紀春國

（山東航天電子技術研究所 山東 煙臺 264003）

本文針對飛行器執行任務要求低功耗、小型化，采用了先進的工藝設計方法，通過先進工藝指導射頻、基帶模塊的設計，工程實現了低功耗、小型化采編測控數傳一體化，解決了系統散熱、大功率器件的熱設計、射頻、基帶電路板的焊裝、結構設計等工程實現中的難點，實現了低功耗小型化，設計合理可行。

工藝；采編；測控；一體化

目前飛行器執行任務的飛行時間越來越長，這就需要對飛行器進行測控、軌道機動等一系列的控制，再加上飛行器需要低功耗、小型化設計［1］，本文提出了一種基于Xilinx低功耗FPGA XQ7A200T，對設備采用先進工藝設計，在低功耗、小型化下實現了遙測采集、編碼、組幀、遙控、測距、測速、數傳等功能［2］。

2 硬件設計

1 方案設計

1.1 主要功能

功能如下：

1）接收地面發射的上行測量信號，對接收到的射頻信號放大、下變頻、解調、解擴，在下行幀同步時刻提取測量信息；

2）采集多路模擬量，接收其他設備送來的數字量，并對數據做緩存處理；按設定的幀格式進行數據的編幀；

3）將遙測信息和測量信息進行組幀、編碼、加擾、成型濾波、調制、上變頻、放大濾波后由天線向地面發送。

1.2 組 成

主要由電源變換模塊、射頻收/發模塊、基帶信號處理模塊3個模塊組成。

2.1 射頻通道設計

2.1.1 接收通道原理設計

天線送來的射頻輸入信號進入接收通道，經低噪聲放大單元濾波放大后進行下變頻處理下變頻產生的中頻信號經中頻濾波放大后送基帶信號處理模塊［3］。

2.1.2 發射通道原理設計

發射通道包括兩級上變頻、帶通濾波、前置信號放大器、四級功率放大、發射本振電路等部分［4］。

2.1.3 射頻通道工藝設計

為了實現射頻的小型化設計，射頻通道元器件選型上，采用微波芯片，整個通道由幾個芯片組成，芯片/電路采用二次封裝形式，采用氣密封裝、激光封焊的工藝；電路連接采用微組裝工藝，用金絲壓接方式進行器件間連接，微帶與連接器的連接采用金帶鍵合的方式，消除機械應力對微波性能的影響［5］。

2.2 基帶模塊設計

2.2.1 基帶模塊原理設計

測控數傳一體化設備基帶信號處理模塊功能框圖如圖1所示。

圖1 基帶信號處理模塊功能框圖Fig.1 The radicle takes a letter the number processing mold piece function frame diagram

基帶處理電路以一片FPGA為核心，外圍電路包括A/D轉換電路、D/A轉換電路，基帶信號處理FPGA程序配置及防單粒子翻轉配置刷新電路、數據存儲電路、上行擴頻碼組與幀格式等配置電路、模擬遙測采集電路、數據加解密處理電路、數據輸入與數據輸入接口電路等。

2.2.2 基帶模塊工藝設計

1）熱設計

熱設計目標是將元器件的熱耗有效的傳給設備底板和設備殼體，確保元器件的溫度在允許的設計范圍內。采取的熱設計措施如下：①增強印制板的導熱

印制板制作選用了廣泛使用的環氧層壓玻璃布板。由于該類印制板熱導率較低，綜合考慮印制板布線和元器件熱設計的實際需求，在相應的印制板上設置內電層，內電層中有一層大面積地層，銅箔厚度為35 μm。元器件可以通過管腳直接將大部分熱量傳導至內電層，并通過內電層散熱。

印制板內層大面積覆銅導致焊接時散熱過快，焊點透錫不好，針對此問題，制定了專門的工藝方案，采用預熱印制板、大功率烙鐵焊接等工藝方法［6］。

接口模塊和基帶處理模塊在印制板邊緣設置不覆阻焊膜的銅層邊框，并在銅層邊框和設備殼體接觸處涂導熱脂，從而達到減小熱阻的目的。

射頻發射和接收模塊將印制板大面積與盒體底面直接接觸，用螺釘緊固連接，盡量提高盒體內底面的機加工精度，表面鍍銀。

②增強元器件與印制板的導熱

在元器件和印制板之間填充導熱填料和覆設導熱銅層。如在元器件下方涂導熱脂、覆設延伸至印制板邊框導熱銅層。同時，對于熱功耗較大的元器件，不集中放置，盡量放在印制板邊緣或設備殼體上。

③機箱殼體的熱設計

為保證印制板模塊與機型殼體之間有良好的熱連接，在印制板邊框覆銅，并適當涂抹導熱脂等導熱填料以增大接觸面積，減小熱阻。

設備中使用的熱功耗在300 mW以上的大功率元器件進行了如下設計：

①電源模塊的熱設計

熱設計時將電源模塊安裝在機箱殼體上。同時，為了減小接觸熱阻，在DC/DC電源模塊和安裝面間涂導熱硅脂，以增加導熱接觸面積。

②A/D轉換器的熱設計

芯片下面設大面積地層，增強導熱，器件殼體與印制板間涂導熱硅脂使熱量傳導至印制板，印制板邊框與機殼間涂抹導熱硅膠減小導熱電阻。

③FPGA芯片的熱設計

將芯片放置在印制板邊緣靠近邊框處，頂部加散熱片，散熱片與印制板邊框相連，散熱片與芯片之間涂導熱硅脂。

④直流電源穩壓芯片的熱設計

放置于印制板邊緣靠近邊框處，其外殼散熱片與鋁制邊框間加絕緣墊，且涂導熱硅脂。

⑤射頻接收與發射模塊大功耗元器件的熱設計

射頻收發通道電源變換電路使用的大熱耗濾波電感、功率變壓器采用銅卡及螺釘固定的雙重方式固定在機殼上，加大了散熱面積減小了熱傳導電阻。

2）結構設計

結構設計中還遵循以下抗力學環境設計的原則：

①提高結構強度和剛度，減少應力集中。

②增大結構阻尼

在印制板板面敷以彈性固封材料以增大結構阻尼。

③印制板合理分板及元器件在印制板上合理布局

3 結 論

本文設計的測控數傳一體化設備方案采用先進的工藝設計指導硬件電設計，通過在設計過程中就引入工藝設計，使得工藝、電設計緊密結合，尤其在熱設計、機構設計中采用先進的工藝思想，使得設備可靠性、功能性滿足要求，設計方案合理可行。

［1］樊昌信，張甫翊，徐炳祥，等.通信原理［M］.北京：國防工業出版社，2001.

［2］胡廣書.數字信號處理理論、算法與實現［M］.北京：清華大學出版社，2006.

［3］蘇濤，何學輝，呂林夏.實時信號處理系統設計［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2006.

［4］張欣.擴頻通信數字基帶信號處理算法及其VLSI實現［M］北京：科學出版社，2004.

［5］王建平，張寶劍，王軍濤.通信原理［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［6］尚育如.航天工藝基礎知識培訓教材［M］.北京.中國宇航出版社，2005.

Design and realization of the integral whole turns of adopt plait to control number low achievement and small scaled based on advanced craft

LU Dan，FU Hai-yan，JI Chun-guo
（Shandong Aerospace Electro-technology Institute，Yantai 264003，China）

This text aims at an aircraft performance the task ask low achievement to consume，small scaled method for turn，adopting the forerunner's technological design，pass the design that the advanced craft instruction radio frequency，radicle takes a mold piece，the engineering carried out low achievement consume，small scaled turn to adopt plait to measure to control number to spread integral whole to turn，solved the Han that the hot design，radio frequency and radicle of system heat elimination，big power spare part takes circuit board to pack，the structure design an etc.crux within engineering realization and carried out low achievement consume small scaled turn，design reasonable can go.

craft；adopt a plait；measure to control；the integral whole turns

TN92

A

1674－6236（2016）04-0062-02

2015-03-01 稿件編號：201503004

盧 丹（1980—），女，山東日照人，碩士，工程師。研究方向：航天電子產品工藝設計及應用。