雷達頻率綜合器的可靠性分析與設計

吳凌華 王晨

引言

隨著頻率合成技術的不斷發(fā)展，各種新型頻率綜合器以及頻率合成方式的不斷出現(xiàn)，頻率綜合器已經(jīng)廣泛應用在通信、雷達、導航、干擾和抗干擾等無線電技術的各個領域，尤其在雷達領域得到了廣泛應用[1]。頻率綜合器作為雷達系統(tǒng)的核心，其性能決定了雷達系統(tǒng)檢測、跟蹤目標的能力。頻率綜合器產(chǎn)生雷達系統(tǒng)所需的各種不同信號，這些信號之間均保持確定的相位關系，即相位相參，這種雷達系統(tǒng)統(tǒng)稱為全相參系統(tǒng)。本文通過對影響雷達頻率合成器可靠性的因素進行分析，采用直接頻率合成技術，通過金屬隔離條提高雜散抑制度，運用射頻多層板技術減小體積，采用有效的信號串擾隔離屏蔽技術，優(yōu)化腔體結(jié)構(gòu)設計，以此提高頻率綜合器的電磁兼容性及可靠性。

1 頻率綜合器總體設計

頻率綜合器由100MHz相參時鐘信號、3000MHz 的DDS工作時鐘信號、1200MHz信處時鐘信號、本振信號、上行信號等組成，相參時鐘為FPGA提供時鐘參考;DDS時鐘為DDS提供工作參考時鐘，產(chǎn)生輸出信號;信處時鐘為信號處理機提供采樣頻率，其采樣高低決定了信處機的處理能力;本振信號提供雷達上變頻發(fā)射、下變頻接收回波信號;上行信號為發(fā)射機提供輸入?yún)⒖迹a(chǎn)生雷達發(fā)射信號。本設計的雷達頻率綜合器以一個晶振作為基準源，運用功分器、倍頻器、混頻器、放大器、濾波器等器件，通過倍頻、混頻的方式產(chǎn)生不同輸出頻率的信號。在總體設計中，從開始的頻率合成理論方法確定到器件電性能仿真、原理圖設計、PCB總體走線布局、結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化、電磁兼容性等設計進行產(chǎn)品質(zhì)量可靠性保證，以提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性[2]。

2 可靠性分析

從設計和工藝兩個方面對影響頻率綜合器可靠性的因素進行分析，首先通過設計保證可靠性，目前射頻電路板已經(jīng)不再是傳統(tǒng)的射頻單層板拼接設計形式，該方式不僅調(diào)試難度大、周期時間長，最重要的是信號不穩(wěn)定，雜散較大，可靠性差。隨著射頻技術的不斷發(fā)展，射頻電路逐步向小型化、集成化、復雜化方向發(fā)展[3]。當前射頻電路趨于射頻多層板技術、LTCC技術、SIP技術等，相比于其他多層技術，射頻多層板技術基于成熟PCB工藝，具有可靠的環(huán)境適應性、成本較低、技術成熟、可靠性較高，滿足軍工對電路高可靠性及小型化的需求，因此本設計采用高可靠性的射頻多層板技術進行設計。其次通過加工工藝保證可靠性，主要包括印制板加工和結(jié)構(gòu)腔體加工工藝的可靠性進行分析。射頻印制板在加工過程中，對射頻走線寬度以及屏蔽射頻信號接地孔直徑的加工精度要求比較高，這對信號的穩(wěn)定性及電磁兼容性影響比較大，通過分析加工精度與電性能之間的影響關系，采取方法提高產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性。結(jié)構(gòu)腔體和金屬隔離壓條的設計與加工，可以有效提高對雜波信號的抑制度，不僅提高了產(chǎn)品的性能指標，而且提高了產(chǎn)品質(zhì)量可靠性。

2.1 設計可靠性分析

采用射頻多層板技術進行設計，可以有效利用空間，不僅可以實現(xiàn)小型化，還可以保證射頻信號傳輸?shù)目煽啃裕c傳統(tǒng)的多個獨立兩層射頻板拼接在一起，通過獨立結(jié)構(gòu)腔體隔離的方式相比較，射頻多層板的每一層都包含地，供電電源單獨一層，可以有效防止射頻信號亂穿，提高了射頻信號的穩(wěn)定度。本頻率綜合器從指標、尺寸、性能、成本等方面進行考慮，最終選擇了6層印制板工藝，其產(chǎn)生所有輸出的射頻信號，充分考慮了不同信號間的走線布局，保證了信號的完整性;供電電源單獨一層，通過過孔方式給有源器件供電，電壓供電穩(wěn)定，保證了電源的完整性;由于該頻率綜合器產(chǎn)生的上行信號鏈路中，存在多個數(shù)控衰減器和可變增益放大器以及檢波器等控制器件，導致控制信號線較多，故采用一層作為控制信號走線，控制線相鄰兩層全為接地層，保證了控制信號的穩(wěn)定性，從而提高了產(chǎn)品的可靠性。

運用一種有效的信號串擾隔離屏蔽技術進行設計，由于頻率綜合器產(chǎn)生多種不同信號，為了防止不同信號間的相互串擾，提高信號間隔離度，該技術不同于以前的腔體隔離屏蔽，而是根據(jù)射頻多層板內(nèi)部不同信號走線進行布局，將100MHz相參時鐘信號、采樣時鐘信號1200MHz、DDS時鐘工作信號3000MHz、第一本振信號、第二本振信號、上行信號等進行PCB布局時，要進行信號分割布局。這種將不同的信號用金屬隔墻分割的方式，基本保證每個分割腔中的信號單獨存在，并與射頻多層板通過螺釘牢牢壓在一起，保證良好接地性，不僅提高抗噪聲能力，更是提高了信號間的隔離度，提高了工作信號的穩(wěn)定、可靠性。通過實驗驗證，這種隔離屏蔽技術既簡單又高效，雜波信號抑制度達到50 dBc以上，隔離度達到70 dBc以上。

2.2 工藝可靠性分析

印制板加工工藝保證產(chǎn)品質(zhì)量可靠性。印制板加工過程中對接地通孔要求比較高，這種接地通孔可以更好地起到電磁屏蔽的作用，其孔徑、孔間距依據(jù)以下經(jīng)驗公式進行計算：

式中，L為接地孔之間的距離，d為孔徑， 為介質(zhì)波長。目前印制板射頻信號線的屏蔽接地過孔加工精度可達到0.1mm，但是由于其加工難度較大，成本較高，加工可靠性較差，極少數(shù)廠家會采用該工藝。當前0.2mm以上的接地過孔技術比較成熟，加工工藝穩(wěn)定可靠。通過咨詢加工廠家得知射頻信號線的屏蔽接地過孔，90%的加工廠家均采用0.2mm的接地過孔，屏蔽效果較好。本文接地過孔直徑均采用d=0.2mm，板材為RO4350B，本設計最大射頻信號約為10GHz，其介質(zhì)波長約為15mm，由式可得接地孔的孔間距采用0.8mm。射頻信號走線兩邊需要大面積接地孔，可以屏蔽串擾信號，大量接地過孔可以保證電路板有效散熱，使電路性能穩(wěn)定可靠。

射頻信號在傳輸鏈路中需要滿足射頻工程中通用的傳輸線50Ω特征阻抗，根據(jù)傳輸線的阻抗特性理論，使用ADS射頻電路仿真軟件對50Ω傳輸線的線寬進行仿真，本設計的射頻印制板基板材料采用RO4350B，其介電常數(shù)為3.66，微帶線厚度為35um，其微帶線50Ω特征阻抗的線寬約為0.52mm。通過詳細仿真可知，影響微帶線線寬變化較大的主要因素是基板的介電常數(shù)和厚度，當基板的介電常數(shù)和厚度確定時，微帶線的線寬基本確定，微帶線的線寬在0.50mm時，特征阻抗約為51.4Ω;線寬在0.54mm時，特征阻抗約為49.1Ω，當前微帶線線寬加工工藝精度最高為±0.01mm，但是工藝精度±0.01mm可靠性較差，穩(wěn)定性不高，而±0.02mm加工精度可以有效保證，可靠性較高，故本設計采用±0.02mm加工精度。仿真結(jié)果可知，微帶線寬度從0.50mm到0.52mm，特征阻抗變化只有1.4Ω，從0.52mm到0.54mm，特征阻抗變化只有0.9Ω。0.52±0.02mm加工精度引起的阻抗變化僅為2.3Ω，該加工精度與仿真值在實際中基本沒有影響，因此本設計選用微帶線加工寬度為0.52mm，±0.02mm加工精度，從而保證加工工藝的可靠性。

3 電磁兼容性

電磁兼容性主要是產(chǎn)品內(nèi)部和外部電磁兼容性，外部電磁是通過結(jié)構(gòu)腔體進行屏蔽的，內(nèi)部是通過金屬隔離壓條形式隔離內(nèi)部電磁，防止相互干擾，從而提高電磁兼容性。但是射頻多層板電路在減小體積的同時，集成度和功率密度隨之提高，電磁環(huán)境則更加復雜，保證其在復雜的電磁環(huán)境中正常工作，需要對射頻電路進行良好的電磁兼容設計，其主要采取措施為：（1）合理設計射頻鏈路阻抗匹配，減少能量的輻射;（2）射頻多層印制板的各個平面金屬地層良好連接，使各地層之間阻抗一致;（3）對不同輻射信號進行屏蔽處理;（4）濾波;（5）接地。通過以上措施可以有效提高電磁兼容性。

4 結(jié)束語

本文以雷達頻率綜合器為研究依托，結(jié)合對產(chǎn)品質(zhì)量可靠性的要求，從工藝和設計兩個方面對頻率綜合器的可靠性進行分析，設計過程中從仿真、原理圖設計、PCB總體走線布局、結(jié)構(gòu)設計、電磁兼容性等設計方法進行質(zhì)量可靠性保證。通過使用射頻多層板技術、金屬隔離壓條屏蔽技術進行設計可靠性保障;通過對印制板加工和結(jié)構(gòu)加工進行工藝可靠性保障。通過實驗驗證，頻率綜合器輸出信號間的隔離度達到70dB以上，雜波抑制度達到50dB以上，輸出信號穩(wěn)定可靠，較好地滿足設計指標，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。

參考文獻：

[1]楊遠望. 高性能頻率合成技術研究與應用[D].成都：電子科技大學，2011.10-34.

[2]張娜.微波功能單元的可靠性設計思路[J].質(zhì)量與可靠性，2018（5）：21-23.

[3]杜江坤. 基于多層印制板的微波信號高密度傳輸與控制技術[D].成都：電子科技大學，2018.6-16.

[4]沈瑋，張理正等.一種多通道高隔離度毫米波發(fā)射組件的設計[J].上海航天，2018，35（6）：117-121.

作者簡介：

吳凌華，男，福建仙游，1978年6月，漢，碩士研究生，工程師，海軍裝備部，電子方向。

王晨，男，陜西漢中，1988年12月，漢，碩士研究生，工程師，海軍裝備部，電子方向。