雙通道微波收發組件的設計分析

侯寶森

摘 要：以雙通道的微波收發組件為研究對象，結合應用環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射與接收展開了討論。首先概括性地介紹了系統設計方案，其次對電路設計要點進行了說明，最后詳細敘述了組件設計需要重點考慮的密封和電磁兼容設計，希望能使相關人員受到啟發，為日后研究工作的有序推進助力。

關鍵詞：微波收發組件;雙通道設計;收發隔離

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

收發組件通常處于整機系統前端，負責連接信號處理模塊與通信系統天線。目前，微波收發組件主要被用于導彈制導、雷達以及電子對抗系統，其作用是快速選取有效信號并對其做放大變換處理，可對系統性能產生巨大影響，具有十分廣闊的應用市場。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，對組件類型及功能進行升級，才能使其優勢得到更加直觀的展示。

1 組件系統設計方案

在制定初期設計方案時，有關人員結合現有研究所取得的成果，對組件進行了整體規劃，以科學分配各項指標為前提，確保各功能電路均可得到深化設計。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、介質振蕩器和發射開關，組件裝有一個發射通道、兩個接收通道。其中，發射通道所發射頻率在經過調相器、放大器處理后，可轉變成發射信號并通過功率放大器得到發射[1]。而接收通道所接收信號，先要在限幅器的保護下經過低噪聲放大處理，再經由下變頻到達中頻，隨后方可被輸出。

對組件進行系統設計時，有關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，組件均能夠表現出理想的可靠性。另外，有關人員還對組件結構進行了雙面設計，具體來說，就是在殼體兩側分別設置接收部分、發射部分，憑借物理隔離手段，對收發支路間存在的干擾進行抑制，盡量避免出現信號串擾或類似問題。

在電路結構方面，有關人員同樣進行了相應的設計。例如，密封組件殼體通過燒結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，對腔體無調諧盤加以應用，保證即使長期處于振動狀態下，振蕩器對應相位噪聲仍然不會發生明顯變化。在此基礎上，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 電路設計

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

其一，低相噪源負責向組件提供其所需的本振信號，可對組件性能產生直接影響。而低相噪源所使用的電路形式是介質振蕩器，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。本文所研究的系統便安裝了振蕩器，配合源極輸出電路，確保振蕩器可發揮出應有作用。

其二，根據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，以免出現后續電路被燒毀的情況。在此基礎上，對元件進行科學選用，確保增益動態范圍可滿足相關要求，通過調整電平分配的方式，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，噪聲系數應被控制在2 dB左右，這樣設計的優點有兩個：一是能夠精簡電路結構，二是可確保電路性能更加穩定。

其三，利用發射開關對脈沖調制信號進行控制。設計組件發射開關面臨的難點主要是如何保證發射開關具有理想的開關速度及隔離度。其中，開關速度往往由開關器件類型所決定，本系統計劃選用砷化鎵二極管，其優勢主要是速度快、電流小，可降低后續制作驅動器的難度。在隔離度設計方面，有關人員提出將開關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，確保所選用的驅動器、功放管適配組件放大器，由此達到快速調制和輸出功率的目的。對組件進行設計時，有關人員應將工藝可靠性以及結構可靠性作為落腳點，使電路滿足易實現和高可靠性的要求。關于功放設計，本系統計劃采取柵調制的方案，其優勢主要體現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前后延提供保證。

3 密封設計

3.1 設計理念

在電子系統及整機性能持續提高的背景下，社會各界對電子產品的可靠性、安全性提出了更高的要求，在設計和安裝電子組件期間，最應重視的環節為氣密性封裝。對微波模塊而言，密封設計的作用主要是切斷殼體內部互連引線、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域，用螺絲加固內蓋板。等到調試工作告一段落，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，預處理方法以化學導電氧化為主，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電氧化+內腔鍍銀的預處理方法，旨在使工藝的穩定性、可靠性得到保證。焊縫材料性能見表1。

4 電磁兼容設計

4.1 設計理念

對組件進行電磁兼容設計，通常要考慮以下內容：一是對無用電磁發射進行抑制，確保組件不會對環境產生劇烈電磁干擾;二是具備對外界干擾進行抵抗的能力，可在特定電磁環境中長期、穩定運行。

現將設計原則歸納如下：在選擇元器件時，優先選用可抑制電磁干擾、減小噪聲的元器件，相較于數字電路，振蕩模擬電路往往更加安靜。在確保布局方案時，以信號特性為依據進行分區，最大程度上避免出現交叉干擾的問題。優化控制電路板布局，對環路面積加以控制。在進行接地設計時，有3方面內容需要引起重視，分別是射頻信號、電源信號和模擬信號，如果條件允許，有關人員可對電路板進行多層設計，這樣做可有效降低電磁干擾（EMI）問題出現的概率。在設計濾波和隔離時，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，在屏蔽設計環節優先選擇鋁導體或銅導體，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，則更適合應用鋼導體，場的類型通常會對反射損耗產生影響，但不會影響吸收損耗。有關人員應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的屏蔽功能。

對組件內部進行電磁兼容設計時，有4方面內容需要重點考慮：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，再次是根據電磁特性對元器件進行科學分區，最后是對公共抗耦合加以應用。在確定接地區域和鋪設地線時，嚴格控制地環路的實際面積。

4.2 具體方案

在接地設計環節，有關人員考慮到電感對低頻電路產生影響極小，為解決多點接地帶來的環流干擾問題，提出以下設計方案：若工作頻率未達到1 MHz，優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。嚴格區分模擬電路和數字電路，分別將二者與電源端地線相連。由于導體長度和電感的關系為正相關、導體直徑和電感的關系為負相關，有關人員指出應優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]。數字電路所對應接地線應形成閉環，這樣設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。

對印制板進行設計時，有關人員應最大程度上縮短元件之間的距離，嚴格控制分布參數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致短路問題出現的概率。元件與電路板邊緣的距離應在2 mm及以上，以免因板材邊緣形變而導致元件出現故障。雙面布線的關鍵是保證雙面導線處于斜交或是相互垂直的位置關系，以此來解決寄生耦合問題。另外，電路輸出端和輸入端對應印制導線，同樣不得采用平行走線設計，如果條件允許，有關人員可以在各導線間新增接地線，確保各導線均具備長期、穩定運行的條件[5]。

5 結語

近年來，隨著雷達、通信系統朝著微小型、多樣化方向發展，收發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計的要點，一方面是對驅動開關電路進行串聯，通過對檢波信號加以控制的方式，使信號具備快速調制的功能;另一方面，以實際應用環境為落腳點，對組件進行高可靠性設計，確保組件可為工程應用提供有力支撐。未來研究的重點應落在提高設計靈活性、優化電路布局、升級電路互聯形式等方面，確保組件可最大程度上滿足用戶需求。

參考文獻：

[1]李鵬亮，吳歡，張大為，等.基于GaAs pHEMT工藝的Ka頻段雙通道開關濾波器芯片[J].微波學報，2020（2）：14-17.

[2]鄭宏斌，張恒晨，耿同賀.寬帶微波微系統自動測試系統的設計與實現[J].半導體技術，2019（10）：82-86.

[3]張楠，常君磊，李慶林，等.雙通道離軸遙感相機高穩定性光機結構設計[J].紅外與激光工程，2019（4）：199-207.

[4]彭祥飛，江浩，鄧林.基于GaN技術的大功率T/R組件可靠性設計與分析[J].裝備環境工程，2020（12）：123-126.

[5]李琿.微波組件自動測試系統的構成要素及實現路徑[J].電子技術與軟件工程，2019（6）：99.