雙通道微波收發(fā)組件的設(shè)計分析

侯寶森

摘 要：以雙通道的微波收發(fā)組件為研究對象，結(jié)合應(yīng)用環(huán)境對該組件所提出的要求，圍繞如何使不同通道信號無縫切換，確保通道信號可得到及時發(fā)射與接收展開了討論。首先概括性地介紹了系統(tǒng)設(shè)計方案，其次對電路設(shè)計要點進行了說明，最后詳細敘述了組件設(shè)計需要重點考慮的密封和電磁兼容設(shè)計，希望能使相關(guān)人員受到啟發(fā)，為日后研究工作的有序推進助力。

關(guān)鍵詞：微波收發(fā)組件;雙通道設(shè)計;收發(fā)隔離

中圖分類號：TN859 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）23-0016-03

Abstract： This paper discusses the two-channel microwave transmission components and the ability to switch different channel signals seamlessly to ensure that the channel signals can be timely transmitted and received. First of all， the system design scheme is introduced， the key points of circuit design are explained， and finally the sealing and electromagnetic compatibility design should be described in detail， hoping to inspire the relevant personnel to help the orderly advance of the future research work.

Keywords： microwave sending and receiving components;dual-channel design;sending and receiving isolation

收發(fā)組件通常處于整機系統(tǒng)前端，負責(zé)連接信號處理模塊與通信系統(tǒng)天線。目前，微波收發(fā)組件主要被用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、雷達以及電子對抗系統(tǒng)，其作用是快速選取有效信號并對其做放大變換處理，可對系統(tǒng)性能產(chǎn)生巨大影響，具有十分廣闊的應(yīng)用市場。由此可見，圍繞該組件展開討論很有必要，只有以市場需求為依據(jù)，對組件類型及功能進行升級，才能使其優(yōu)勢得到更加直觀的展示。

1 組件系統(tǒng)設(shè)計方案

在制定初期設(shè)計方案時，有關(guān)人員結(jié)合現(xiàn)有研究所取得的成果，對組件進行了整體規(guī)劃，以科學(xué)分配各項指標為前提，確保各功能電路均可得到深化設(shè)計。本文所研究組件的組成零件較多，包括但不限于中頻放大器、介質(zhì)振蕩器和發(fā)射開關(guān)，組件裝有一個發(fā)射通道、兩個接收通道。其中，發(fā)射通道所發(fā)射頻率在經(jīng)過調(diào)相器、放大器處理后，可轉(zhuǎn)變成發(fā)射信號并通過功率放大器得到發(fā)射[1]。而接收通道所接收信號，先要在限幅器的保護下經(jīng)過低噪聲放大處理，再經(jīng)由下變頻到達中頻，隨后方可被輸出。

對組件進行系統(tǒng)設(shè)計時，有關(guān)人員著重考慮了組件可靠性及安全性，確保各單元電路均滿足單獨調(diào)試的條件。在組件安裝完成后，利用弧形銀帶、金絲鍵合連接各電路，確保無論處于振動試驗還是高低溫試驗中，組件均能夠表現(xiàn)出理想的可靠性。另外，有關(guān)人員還對組件結(jié)構(gòu)進行了雙面設(shè)計，具體來說，就是在殼體兩側(cè)分別設(shè)置接收部分、發(fā)射部分，憑借物理隔離手段，對收發(fā)支路間存在的干擾進行抑制，盡量避免出現(xiàn)信號串?dāng)_或類似問題。

在電路結(jié)構(gòu)方面，有關(guān)人員同樣進行了相應(yīng)的設(shè)計。例如，密封組件殼體通過燒結(jié)的方式連接殼體與接頭，確保組件具備理想的防沖擊能力和防震能力。再如，對腔體無調(diào)諧盤加以應(yīng)用，保證即使長期處于振動狀態(tài)下，振蕩器對應(yīng)相位噪聲仍然不會發(fā)生明顯變化。在此基礎(chǔ)上，對組件蓋板做激光縫焊處理，確保組件的氣密性不會被外界因素影響，實物照片見圖1。

2 電路設(shè)計

該組件可分成發(fā)射支路、本振支路和接收支路。其中，發(fā)射支路的功能是脈沖功放及發(fā)射開關(guān);本振支路涵蓋本振放大器、介質(zhì)振搗器和調(diào)相器等部分;接收支路的組成相對復(fù)雜，既有混頻器與限幅器，又包括低噪放以及中頻放大器。在具體設(shè)計過程中，有關(guān)人員須重點考慮以下內(nèi)容。

其一，低相噪源負責(zé)向組件提供其所需的本振信號，可對組件性能產(chǎn)生直接影響。而低相噪源所使用的電路形式是介質(zhì)振蕩器，通過振蕩器對f0頻率進行輸出，將振蕩頻率的浮動范圍控制在±5 MHz。本文所研究的系統(tǒng)便安裝了振蕩器，配合源極輸出電路，確保振蕩器可發(fā)揮出應(yīng)有作用。

其二，根據(jù)接收支路情況對限幅器進行選擇，嚴格控制射頻信號輸入值，以免出現(xiàn)后續(xù)電路被燒毀的情況。在此基礎(chǔ)上，對元件進行科學(xué)選用，確保增益動態(tài)范圍可滿足相關(guān)要求，通過調(diào)整電平分配的方式，有效解決信號提前飽和等問題。低噪聲放大器所選用單片增益以20 dB為宜，噪聲系數(shù)應(yīng)被控制在2 dB左右，這樣設(shè)計的優(yōu)點有兩個：一是能夠精簡電路結(jié)構(gòu)，二是可確保電路性能更加穩(wěn)定。

其三，利用發(fā)射開關(guān)對脈沖調(diào)制信號進行控制。設(shè)計組件發(fā)射開關(guān)面臨的難點主要是如何保證發(fā)射開關(guān)具有理想的開關(guān)速度及隔離度。其中，開關(guān)速度往往由開關(guān)器件類型所決定，本系統(tǒng)計劃選用砷化鎵二極管，其優(yōu)勢主要是速度快、電流小，可降低后續(xù)制作驅(qū)動器的難度。在隔離度設(shè)計方面，有關(guān)人員提出將開關(guān)外觀更改為細長的腔體，并在輸出端及輸入端分別安裝隔離器。

其四，確保所選用的驅(qū)動器、功放管適配組件放大器，由此達到快速調(diào)制和輸出功率的目的。對組件進行設(shè)計時，有關(guān)人員應(yīng)將工藝可靠性以及結(jié)構(gòu)可靠性作為落腳點，使電路滿足易實現(xiàn)和高可靠性的要求。關(guān)于功放設(shè)計，本系統(tǒng)計劃采取柵調(diào)制的方案，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在時延小以及速度快等方面，既能夠使時序要求得到滿足，又可以為功放所輸出波形對應(yīng)前后延提供保證。

3 密封設(shè)計

3.1 設(shè)計理念

在電子系統(tǒng)及整機性能持續(xù)提高的背景下，社會各界對電子產(chǎn)品的可靠性、安全性提出了更高的要求，在設(shè)計和安裝電子組件期間，最應(yīng)重視的環(huán)節(jié)為氣密性封裝。對微波模塊而言，密封設(shè)計的作用主要是切斷殼體內(nèi)部互連引線、裸露芯片接觸外界空氣的途徑，避免空氣所含雜質(zhì)及水汽對芯片造成負面影響，保證組件性能和使用壽命[2]。現(xiàn)階段，對電子模塊進行氣密性封裝所使用的方法包括錫封焊接、平行縫焊以及激光縫焊。其中，錫封焊接適用于處理對氣密性要求較低的模塊，其他模塊則需要酌情選用平行縫焊以及激光縫焊。

3.2 具體方案

先通過燒結(jié)的方式，將絕緣子、多芯接頭和組件接頭固定在殼體的指定區(qū)域，用螺絲加固內(nèi)蓋板。等到調(diào)試工作告一段落，對殼體、組件做激光縫焊處理。另外，考慮到高頻微波模塊存在電導(dǎo)率高和表面電阻較低的特點，工作人員最終決定將鋁合金零件鍍銀，在可伐合金、銅表面鍍金，對于鋁制屏蔽盒及其他類似零件，預(yù)處理方法以化學(xué)導(dǎo)電氧化為主，這樣做可使電偶腐蝕速度得到有力控制[3]。本項目所選用組件均采取表面導(dǎo)電氧化+內(nèi)腔鍍銀的預(yù)處理方法，旨在使工藝的穩(wěn)定性、可靠性得到保證。焊縫材料性能見表1。

4 電磁兼容設(shè)計

4.1 設(shè)計理念

對組件進行電磁兼容設(shè)計，通常要考慮以下內(nèi)容：一是對無用電磁發(fā)射進行抑制，確保組件不會對環(huán)境產(chǎn)生劇烈電磁干擾;二是具備對外界干擾進行抵抗的能力，可在特定電磁環(huán)境中長期、穩(wěn)定運行。

現(xiàn)將設(shè)計原則歸納如下：在選擇元器件時，優(yōu)先選用可抑制電磁干擾、減小噪聲的元器件，相較于數(shù)字電路，振蕩模擬電路往往更加安靜。在確保布局方案時，以信號特性為依據(jù)進行分區(qū)，最大程度上避免出現(xiàn)交叉干擾的問題。優(yōu)化控制電路板布局，對環(huán)路面積加以控制。在進行接地設(shè)計時，有3方面內(nèi)容需要引起重視，分別是射頻信號、電源信號和模擬信號，如果條件允許，有關(guān)人員可對電路板進行多層設(shè)計，這樣做可有效降低電磁干擾（EMI）問題出現(xiàn)的概率。在設(shè)計濾波和隔離時，先要明確其抑制作用與屏蔽相近，除特殊情況外，均可采取反射或吸收噪聲的方法降低電磁干擾。現(xiàn)階段，EMI濾波所適用元器件包括穿心電容器、鐵氧體磁芯以及三端電容器，有關(guān)人員可酌情選用。屏蔽的作用是對無用電磁能量進行阻擋并吸收，在屏蔽設(shè)計環(huán)節(jié)優(yōu)先選擇鋁導(dǎo)體或銅導(dǎo)體，通過增加反射損耗的方式，對500 kHz以上高頻磁場進行屏蔽，500 kHz以下低頻磁場，則更適合應(yīng)用鋼導(dǎo)體，場的類型通常會對反射損耗產(chǎn)生影響，但不會影響吸收損耗。有關(guān)人員應(yīng)保證屏蔽材料厚度理想，只有這樣才能保證屏蔽材料為全頻段提供相應(yīng)的屏蔽功能。

對組件內(nèi)部進行電磁兼容設(shè)計時，有4方面內(nèi)容需要重點考慮：首先是保證所選用元器件可抑制電磁干擾及噪聲的產(chǎn)生，其次是分別對電路板所需電源線與信號線進行布局，再次是根據(jù)電磁特性對元器件進行科學(xué)分區(qū)，最后是對公共抗耦合加以應(yīng)用。在確定接地區(qū)域和鋪設(shè)地線時，嚴格控制地環(huán)路的實際面積。

4.2 具體方案

在接地設(shè)計環(huán)節(jié)，有關(guān)人員考慮到電感對低頻電路產(chǎn)生影響極小，為解決多點接地帶來的環(huán)流干擾問題，提出以下設(shè)計方案：若工作頻率未達到1 MHz，優(yōu)先選擇單點接地方法;對電感影響較大的高頻電路，如果工作頻率達到或超過10 MHz，則可以改用就近多點接地，盡量增加地線直徑并對其長度加以控制，以此來達到降低地線阻抗的目的。嚴格區(qū)分模擬電路和數(shù)字電路，分別將二者與電源端地線相連。由于導(dǎo)體長度和電感的關(guān)系為正相關(guān)、導(dǎo)體直徑和電感的關(guān)系為負相關(guān)，有關(guān)人員指出應(yīng)優(yōu)先選擇粗且短的接地線，確保接地線所通過電流可達到印制線路板額定電流的3倍，為抗噪效果提供保證[4]。數(shù)字電路所對應(yīng)接地線應(yīng)形成閉環(huán)，這樣設(shè)計可減小耗電量對電位差值的影響，抗噪能力也可得到一定程度的提高。

對印制板進行設(shè)計時，有關(guān)人員應(yīng)最大程度上縮短元件之間的距離，嚴格控制分布參數(shù)并保證電磁干擾可得到有效抑制。增加線纜輸出接口與輸入接口的距離、信號接口與電源的距離，避免接口附近出現(xiàn)干擾。若元件電位差較高，可酌情增加各元件的距離，這樣做能夠降低放電導(dǎo)致短路問題出現(xiàn)的概率。元件與電路板邊緣的距離應(yīng)在2 mm及以上，以免因板材邊緣形變而導(dǎo)致元件出現(xiàn)故障。雙面布線的關(guān)鍵是保證雙面導(dǎo)線處于斜交或是相互垂直的位置關(guān)系，以此來解決寄生耦合問題。另外，電路輸出端和輸入端對應(yīng)印制導(dǎo)線，同樣不得采用平行走線設(shè)計，如果條件允許，有關(guān)人員可以在各導(dǎo)線間新增接地線，確保各導(dǎo)線均具備長期、穩(wěn)定運行的條件[5]。

5 結(jié)語

近年來，隨著雷達、通信系統(tǒng)朝著微小型、多樣化方向發(fā)展，收發(fā)組件也逐漸向高可靠性以及小型化靠攏。本文著重討論了雙通道組件設(shè)計的要點，一方面是對驅(qū)動開關(guān)電路進行串聯(lián)，通過對檢波信號加以控制的方式，使信號具備快速調(diào)制的功能;另一方面，以實際應(yīng)用環(huán)境為落腳點，對組件進行高可靠性設(shè)計，確保組件可為工程應(yīng)用提供有力支撐。未來研究的重點應(yīng)落在提高設(shè)計靈活性、優(yōu)化電路布局、升級電路互聯(lián)形式等方面，確保組件可最大程度上滿足用戶需求。

參考文獻：

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