Ka頻段收發組件模塊化設計技術

成 彥

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

Ka頻段收發組件模塊化設計技術

成 彥

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

研究了Ka頻段收發組件模塊化設計技術,探索了具有通用化、小型化、系列化特性的Ka頻段收發組件高效設計開發模式。通過毫米波收發組件功能分析,完成了模塊體系規劃和標準模塊系列開發,并設計了新型模塊接口和連接件。采用標準模塊實現了收發組件模塊化設計,驗證了模塊體系的有效性和模塊化設計方法的可行性。研究表明,模塊化設計技術在毫米波收發組件高效率開發中具有廣泛應用前景。

Ka頻段;毫米波收發組件;模塊化設計

1 引 言

模塊化(也可叫組合化)是在對一定范圍內的不同產品進行功能分析和分解的基礎上,劃分并設計、生產出一系列通用模塊或標準模塊,然后從這些模塊中選取相應的模塊并補充新設計的專用模塊和零件一起進行相應的組合,以構成滿足各種不同需要的產品的一種標準化形式,是一種先進的系統科學技術滲透到標準化領域形成的標準化方法。模塊化設計方法是將模塊化引入設計,著重解決產品品種、規格與設計制造周期、成本之間制約關系的現代化設計方法[1-2]。

隨著毫米波技術廣泛應用于雷達、通信、電子戰等領域,不同系統對收發組件技術指標、接口、結構和安裝要求變化大。按傳統的一體化設計模式對每種型號單獨開發,存在研制時間長、成本高、調試困難、可靠性差等問題。采用模塊化技術進行組件設計可提高技術成熟度,縮短開發周期,節約成本。

本文對Ka頻段收發組件進行模塊化設計探討,以功能獨立性為主建立模塊體系,劃分標準模塊,進行模塊系列化開發,以及小型化接口和連接件設計。最后按模塊化方法快速研制出功能復雜的收發組件,驗證了模塊體系的有效性和模塊化設計方法的可行性。

2 Ka頻段收發組件模塊化體系

Ka頻段收發組件應用領域寬、平臺多,不同系統戰技術指標和體制均有較大差異;模塊體系劃分做到科學合理十分困難,需運用模塊化基本理論并融合Ka頻段組件自身特點進行。模塊化包含兩個基本過程:一是由產品分解并開發出通用模塊的分解過程;二是采用通用模塊組合成新產品的過程。模塊體系的建立可用圖1所示流程表示[3]。需求分析必須做到全面細致,劃分的模塊才具有通用性。功能分析和模塊劃分是建立模塊體系過程中最關鍵的環節,應以結構為載體,功能獨立性為主,模塊大小適中為原則進行劃分。設計系列化模塊時需考慮各種需求,對某些關鍵指標按一定數系進行劃分,形成一定系列。根據模塊互聯情況開發接口和專用連接件。模塊庫可供用戶選用開發新產品,最后根據用戶所反饋的使用情況,改進模塊性能。

圖1 模塊體系建立過程Fig.1 Foundation of module system

2.1 功能分析和模塊劃分

Ka頻段收發組件主要應用在雷達、導引頭、通信、電子戰等領域。不同領域系統對組件戰技指標、接口、結構、安裝和環境條件等均不同。要使模塊體系能滿足各種應用,需求分析必須翔實、全面。需求一部分來源于已經研制成功和正在研制的項目,另一部分來源于國內外其他單位的市場需求以及對未來發展趨勢的預測。

進行功能分析和結構分解時,為了提高模塊通用性,減少模塊種類,可借鑒武器裝備研制中基本型派生的思路[4]。收發組件處于系統射頻最前端,核心功能是上、下變頻。混頻器工作頻帶寬,通用性強,可劃為一類通用模塊。接收端主要功能是低噪聲放大,其本身具有功能獨立性、通用性和一定的市場需求,將低噪放也劃分為一類通用模塊。發射端主要功能是功率放大,也具有一定市場需求,還可作為大功放的前級驅動,劃為一類通用模塊。低噪放在射頻最前端,易受泄漏功率影響導致損壞,劃為獨立模塊也能方便維修更換。大功放市場需求旺盛,且由于功耗大,結構特殊,只能獨立設計,劃為一類通用模塊。最后形成接收低噪放模塊、發射驅動放大模塊、混頻模塊、功放模塊四大類通用模塊。在新研產品時只靠通用模塊組合無法完全滿足功能要求時,可根據情況補充設計專用模塊。

2.2 模塊結構設計

結構是實現模塊功能的載體,設計不合理,會導致模塊間不易組合。結構設計時應考慮模塊機械特性和結構布局、連接、安裝等空間關系,注重通用化、小型化。保證模塊外部接口統一,功能傳遞準確,性能可靠,模塊間配合自如。為了提高模塊通用性和擴展性,還應預留部分冗余設計的空間和接口。

模塊布局時通常正面走高頻電路,背面布低頻印制板。在滿足電路排版要求的情況下,模塊外形尺寸和接口須盡量統一。最后模塊尺寸統一為40 cm×25 mm(或其倍數)×11 mm。

2.3 接口設計

模塊化產生的顯著問題是接口數量增多,連接損耗增加,高頻段尤其顯著。射頻接口采用BJ320波導,這種方式連接可靠,能有效濾除各種低頻雜波干擾。為了降低連接損耗,需研究低損耗接口電路,采用微帶波導過渡結構。過渡探針最后測試結果為插損小于0.2 dB,駐波小于1.5。

本振和中頻等18GHz以下頻率接口采用絕緣子焊接方式。模塊間互連時可直接搭接,單獨使用時在絕緣子上加SMA接頭即可。

模塊低頻接口采用微矩形連接器,此種連接器體積小,插拔方便,自帶防插錯功能。

3 系列化模塊開發

系列化是從產品使用要求和發展規律出發,將同一功能產品的主要參數或規格按一定的數系或要求作合理規劃,并對其形式和結構進行簡化和統一,使產品有序發展并形成一定的系列,以滿足用戶廣泛需求的一種標準化形式[3]。下面根據4類模塊各自特點和應用出發來開發系列化產品。

接收低噪放模塊工作頻帶一般可覆蓋整個Ka頻段,不同系統對低噪放指標要求不同的一般是噪聲系數和增益,因此按這兩個指標的不同來劃分系列。分析各系統對這兩項指標的要求,找出其分布規律,按合適的數系進行系列化。數系有4種:等差級數、等比級數和優先數系、E數系、模數制數系[3]。某些系統存在射頻泄漏損壞低噪放的情況,此時需要在接收端加保護開關。有時還有溫度補償和增益控制等功能要求。為了提高模塊通用性,簡化模塊種類,對模塊做一定程度的冗余設計,加入這些輔助功能,使用時可根據實際情況保留部分輔助功能。

發射驅動放大模塊主要指標有工作頻率、P1dB、飽和輸出功率、小信號增益等。各系統一般對工作頻率、P1 dB、增益的要求不同。劃分模塊系列時先按工作頻率不同進行分段,再根據1 dB壓縮點和增益的不同進行分檔和系列化,以滿足用戶的各種需求。

發射驅動放大模塊還有溫度補償、耦合、檢波等輔助功能要求,為了提高其通用性,也需要做冗余設計。

混頻模塊主要實現窄帶的雙向混頻、RF帶通濾波、中頻低通濾波和本振倍頻放大等功能。收發組件混頻路數常見的有單通道、雙通道和三通道,按通道數目可劃分為這三類通用混頻模塊。特殊應用時比如輻射計也有用到十通道的情況,這種多路數的情況可通過多個單通道混頻模塊結合專用本振多路功分模塊來實現。按本振和射頻頻率關系不同又可劃分為基波混頻、二次諧波混頻、四次諧波混頻4個系列。對幾種通道情況分別開發基波和各次諧波混頻模塊。就形成了完整的系列,能基本滿足應用需求。

上述3類模塊結構類似,具有很好的通用性和組合性。

功放模塊主要指標有工作頻率、增益、飽和輸出功率、功耗等。功放功耗大,發熱量高,因此和另3種模塊結構區別很大。功率要求大于10W時,由多個功放單元合成得到更大功率輸出。

4 連接件開發

連接件用于模塊間、模塊和外部接口的連接。連接件設計準則是小型化、可靠、拆裝方便。考慮模塊間各種組合可能,設計了兩類連接件:一類是標準連接件,用于模塊單獨使用;另一類是非標連接件,用于模塊間互聯。

5 收發組件模塊化設計實例

模塊化設計流程見圖2。按模塊化方法對組件技術指標進行分解,確定各模塊的指標和結構,根據模塊間互連情況選擇連接件、低頻插座,根據結構要求進行組件整體殼體設計和低頻母版設計。各模塊裝配調試完成后,對各模塊進行組裝并測試組件整體技術指標。

圖2 模塊化設計流程圖Fig.2 Flowchart of modularization design

為了驗證Ka頻段模塊體系的有效性,以一個功能復雜的三通道收發組件為例,按模塊化流程進行設計。組件主要指標如下:頻率35 GHz,帶寬1.5GHz,發射功率大于等于1 W,和差通道噪聲系數小于等于4.5 dB,和差通道總增益大于等于30 dB,和差通道隔離度不小于35 dB,三通道鏡頻抑制不小于20 dBc。

首先根據指標要求確定電路框圖,選擇器件,論證指標,然后根據模塊化方法將框圖分解成數個標準模塊,并確定各模塊技術指標和結構。模塊劃分情況見圖3。研制各標準模塊和低頻母板等,最后用連接件將模塊組成完整的收發組件,其結構見圖4。

圖3 組件1模塊化框圖Fig.3 Frame of module 1

圖4 模塊化三通道收發組件結構圖Fig.4 Configuration of three-channel module

為了驗證模塊體系能適應多種需求,再以某客戶定制的模塊化雙通道收發組件為例進行說明。組件指標如下:射頻36 GHz,本振8.5GHz,中頻2GHz,本振功率不小于12 dBm,中頻輸入功率不小于0 dBm,上、下變頻增益不小于20 dB,接收噪聲系數不大于3 dB,發射輸出功率不小于20 dBm。組件模塊化框圖見圖5,模塊化收發組件實物如圖6所示。

圖5 組件2模塊化框圖Fig.5 Frame of module 2

圖6 模塊化雙通道收發組件結構圖Fig.6 Configuration of two-channel module

模塊化組件具有很強的靈活性,各模塊拆卸后裝配標準連接件可單獨使用。當需要擴展或更改功能時,不需要從頭設計,通過更換其中部分模塊或增加專用模塊實現。增加發射功率,可在發射模塊后加功放模塊實現。增加通道數量,將混頻模塊更換成多通道模塊,同時增加接收或發射模塊就可實現。

6 結 論

本文通過研究,建立起了有效的Ka頻段收發組件模塊體系,開發了系列標準模塊和小型化連接件,實現了針對雷達、電子戰、導引頭、測控通信等應用領域不同用戶需求的毫米波收發組件高效率模塊化開發,支持各應用領域用戶采用標準模塊產品進行自主開發。采用模塊化技術進行組件設計,提高了技術成熟度,縮短了產品開發周期,節約了成本。模塊無需調試,研制成本降低40%以上,開發周期從4個月以上縮短到2個月以內,大幅度提高了產品競爭力,具有廣闊的應用前景。

由于模塊體系是開放的,可以根據用戶反饋的使用情況進行模塊的性能改進和結構的進一步小型化。隨著新產品的不斷研制成功,模塊庫也會不斷充實。在不久的將來,模塊化設計必將成為毫米波收發組件的主流設計模式。

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ZHANG Wen-qian.The Application of Modern Designing Methods in Structural Design of Military Electronic Equipment[J].T elecommunication Engineering,2002,42(4):64-66.(in Chinese)

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QIU Yong-hong,ZHU Qin.Research on Modular Design of Radio Communication Equipment[J].Telecommunication Engineering,2003,43(5):107-112.(in Chinese)

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JIN Lie-yuan universalization,serialization,combination weapon equipment[M].Beijing:National Defense Industry Press,2008.(in Chinese)

[4]潘麗娟.模塊化頻率源的研制與發展[J].火控雷達技術,2002,31(2):1-6.

PAN Li-juan.Study and Development of Modular Frequency Synthesizer[J].Fire Control Radar Technology,2002,31(2):1-6.(in Chinese)

CHENG Yan was born in Zhongxian,Chongqing,in 1976.She received the B.S.degree in 2000.She is now an engineer.Her research concerns R&D of millimeter wave module.

Email:free-bird3@163.com

Modularization Technique for Ka-band Transceiver

CHENGYan
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

The modularization design technique for Ka-band transceiver is studied.And a high efficient design pattern for universal,small-scaled Ka-band transceiver is discussed.Through analysing the functionsof millimeter wave(MMW)transceiver,a systematic rule is created and standard module is developed.Small-scaled interface of the module and a new connector are designed,too.The modularization design for transceiver is realized by adopting standard modules,which verifies the effectivenessof systematic rule and the feasibility of modularization design.All this resarches prove that modularization design can be widely used in high efficient exploration of MMW transceiver modules.

Ka-band;millimeter wave transceiver module;modularization design

TN802

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.026

1001-893X(2012)06-0960-04

2012-01-20;

2012-05-23

成 彥(1976-),女,重慶忠縣人,2000年于電子科技大學獲學士學位,現為工程師,主要從事毫米波組件的研究開發工作。