一種層疊式寬帶多功能一體化收發(fā)組件設計

張金良,楊 柳,劉朋朋,李 謙

(中國船舶集團公司第七二四研究所,江蘇 南京 211153)

0 引言

目前,國內(nèi)外主流艦船信息系統(tǒng)仍以雷達、通信、電子戰(zhàn)等分立功能設備拼盤式集成的設計研制模式為主,系統(tǒng)層面上仍然處于“結(jié)構(gòu)與形態(tài)上組合、功能與數(shù)據(jù)上綜合”這一初級形態(tài),多個信息系統(tǒng)分立集成所帶來的電磁干擾嚴重、艦船隱身性能差、防護維修困難等問題越來越突出。為了解決這一難題,國內(nèi)外科研單位均投入大量精力研究集“探-偵-干-通”等多種功能于一體的綜合射頻系統(tǒng)[1-2],經(jīng)過多年的發(fā)展,綜合射頻技術已日趨成熟,并逐步進入工程化應用階段。

收發(fā)組件作為綜合射頻系統(tǒng)的核心部件,其收發(fā)信道的功能和性能直接決定了綜合射頻系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力[3]。“探-偵-干-通”等功能對收發(fā)信道的需求是有所不同的,例如雷達探測功能要求收發(fā)信道具有更大的脈沖發(fā)射功率和更高的靈敏度;電子偵察功能要求收發(fā)信道具有更大的工作帶寬、瞬時帶寬和接收動態(tài)范圍;電子干擾功能要求發(fā)射信道具備連續(xù)波、寬帶信號的發(fā)射能力;通信功能要求收發(fā)信道具備線性發(fā)射能力等。要同時滿足上述功能需求,收發(fā)組件的設計將非常復雜,利用傳統(tǒng)技術手段難以實現(xiàn)功能、性能和小型化的兼容設計。

本文設計了一種基于射頻直采、微波3D異構(gòu)集成芯片、層疊式垂直互聯(lián)、高效散熱等技術的超寬帶多功能一體化數(shù)字收發(fā)組件。射頻直采技術能夠有效降低寬帶變頻系統(tǒng)的復雜度,進而提升收發(fā)組件的數(shù)字化程度;微波3D異構(gòu)集成技術能夠?qū)柡凸Ψ拧⒕€性功放、寬帶移相等多種不同功能的微波元件高密度集成,有效縮小微波收發(fā)通道的體積;層疊式垂直互聯(lián)設計能夠充分利用空間,有效降低收發(fā)組件深度,實現(xiàn)綜合射頻系統(tǒng)輕薄化設計;高效散熱技術為高集成收發(fā)前端提供穩(wěn)定、良好的工作環(huán)境。

本文設計的多功能收發(fā)組件實現(xiàn)了64個寬帶收發(fā)和數(shù)字化處理的一體化集成,具有體積小、重量輕、功能多、功率/動態(tài)范圍/瞬時帶寬參數(shù)在線配置等特點,能夠同時滿足雷達、通信、電子戰(zhàn)等功能對收發(fā)信道的不同需求。

1 多功能一體化收發(fā)組件原理與組成

本文設計的層疊式多功能一體化收發(fā)組件工作于寬C頻段,綜合成本、體積重量、功能需求等多方面因素考慮,采用子陣數(shù)字化方案,即多通道模擬收發(fā)合成后再進行數(shù)字化處理。為了滿足“偵-干-探-通”不同應用對發(fā)射功率、瞬時帶寬、線性度、動態(tài)范圍的需求,充分借鑒軟件無線電設計理念,通過射頻直采、數(shù)字化前移的方式盡量減少模擬器件帶來的非線性、雜散、溫漂等失真影響,并有效降低微波變頻電路的復雜程度,提高整體集成度。同時,通過極化開關、多模式功率放大、3D微波多功能異構(gòu)集成等技術的應用,實現(xiàn)多功能一體化收發(fā)組件在線可配置、可重構(gòu)的能力。

多功能一體化收發(fā)組件主要完成微波信號收發(fā)、濾波、極化控制、模擬幅相控制、數(shù)字移相控制、數(shù)字信號收發(fā)、接收波束合成以及高速電光轉(zhuǎn)換等功能,原理如圖1所示。

圖1 層疊式多功能一體化收發(fā)組件原理

發(fā)射狀態(tài)時,FPGA將基帶數(shù)字信號進行預處理,由DAC直接產(chǎn)生射頻信號,經(jīng)功分、濾波、模擬移相、功率放大后送至天線單元向外輻射;接收狀態(tài)時,將天線單元接收到的微小射頻信號經(jīng)低噪聲放大、幅度/相位控制、濾波、放大、ADC轉(zhuǎn)換、數(shù)字下變頻等處理,變成基帶IQ數(shù)據(jù)后再經(jīng)濾波、波束合成、電光轉(zhuǎn)換等預處理后送至后端系統(tǒng)。

在物理組成上,多功能一體化收發(fā)組件主要分為射頻收發(fā)通道、合成放大、數(shù)字收發(fā)及電源/控制分配4個組成部分,如圖2所示。

圖2 層疊式多功能一體化收發(fā)組件組成

射頻收發(fā)通道主要完成射頻信號限幅低噪聲放大、功率放大、濾波、極化切換、收發(fā)切換等功能,內(nèi)部由極化開關、收發(fā)開關、雙模功放、預選濾波器、幅相控制、接收限幅器、低噪放等部分組成。

合成放大主要完成射頻信號濾波、放大及子陣級模擬合成等功能,內(nèi)部由濾波器、模擬合成網(wǎng)絡、雙向放大、開關矩陣等組成。

電源/控制分配電路主要完成供電分配、電源變換、控制信號轉(zhuǎn)換及分配等功能,為射頻收發(fā)通道提供電源、控制信號,并進行必要的監(jiān)測和保護。

數(shù)字收發(fā)單元主要完成寬帶射頻信號的直發(fā)/直采、數(shù)字變頻、數(shù)字濾波、幅相修正、數(shù)字延時、波束合成及光電轉(zhuǎn)換功能,是多功能一體化收發(fā)組件的控制和處理核心。數(shù)字收發(fā)模塊采用FPGA加多通道高速AD/DA的構(gòu)架,通過高速電路仿真設計,實現(xiàn)寬帶射頻信號直接產(chǎn)生和接收采樣的能力。

2 關鍵技術研究

2.1 層疊式結(jié)構(gòu)布局設計

作為相控陣天線陣面的核心部件,收發(fā)組件的小型化、輕薄化程度直接決定了天線陣面的體積重量。為了盡可能實現(xiàn)多功能一體化收發(fā)組件的輕薄化設計,本文主要采取了以下幾種措施:

(1)射頻收發(fā)通道芯片化設計。

摒棄傳統(tǒng)收發(fā)通道微組裝工藝模塊器件平面布局、模塊間連接器互聯(lián)的實現(xiàn)方式,采用微波多功能單片、3D異構(gòu)集成、MCM封裝等先進工藝技術,實現(xiàn)射頻收發(fā)通道高密度集成。采用先進工藝集成的收發(fā)通道體積僅有傳統(tǒng)收發(fā)通道的1/5～1/10,且具有成本低、易生產(chǎn)、使用方便等特點。

(2)去掉寬帶微波變頻電路。

采用寬帶射頻直發(fā)直采技術實現(xiàn)射頻數(shù)字收發(fā)功能。傳統(tǒng)寬帶射頻系統(tǒng)的微波變頻電路相對復雜,為了實現(xiàn)較好的頻譜特性,通常采用二次變頻方案,射頻電路級數(shù)非常多,且需要多級濾波,即使采用最新的工藝技術方案,也很難實現(xiàn)變頻電路的小型化設計,阻礙了收發(fā)通道輕薄化設計。

(3)采用層疊式結(jié)構(gòu)設計。

采用小尺寸、高密度、高性能垂直互聯(lián)技術,將收發(fā)組件內(nèi)部各單元由傳統(tǒng)的平面布局升級為立體布局,充分利用收發(fā)組件內(nèi)部空間,有效減小收發(fā)組件深度。

多功能一體化收發(fā)組件結(jié)構(gòu)布局如圖3所示,采用層疊式設計方案,多層電路模塊分布在液冷板正反兩面,多層液冷板采用無接頭直接互聯(lián)方式對接。收發(fā)組件內(nèi)部多層電路模塊之間采用盲插互聯(lián)設計,綜合應用射頻SMP、彈簧針、毛紐扣、表帶觸指、印制板垂直穿孔等多種互聯(lián)手段,實現(xiàn)收發(fā)組件內(nèi)控制信號、電源、微波信號的垂直互通互連。

圖3 層疊式多功能一體化收發(fā)組件結(jié)構(gòu)布局

由于多功能一體化收發(fā)組件單通道功率大且通道數(shù)量較多,組件整體熱量非常高,這對收發(fā)組件的散熱設計提出了更高要求。

采用層疊式結(jié)構(gòu)設計后,單層水道的面積是有所減小的,且多層電路熱傳導的跨度較大,散熱效果較差。因此,本文采用多層水道設計方案,并根據(jù)實際負載熱量分布情況,優(yōu)化水道內(nèi)和多層水道之間的流量分配,實現(xiàn)散熱能力與流量最佳兼容。從圖4所示仿真可知,組件內(nèi)最高溫度可被較好地控制,滿足使用需求。

圖4 層疊式多功能一體化收發(fā)組件主冷板仿真

2.2 射頻收發(fā)通道設計

射頻收發(fā)通道主要完成接收射頻信號的低噪聲放大和發(fā)射射頻信號的功率放大,采用表貼封裝器件的無殼體印制板設計,結(jié)合SIP、MCM等多功能芯片封裝技術,完成收發(fā)鏈路的全部功能。

針對多功能一體化綜合射頻系統(tǒng)對功率放大鏈路的不同應用需求,本文設計并開發(fā)了寬帶多模式功率放大器。該功率放大器具有脈沖大功率輸出模式和連續(xù)波低功率輸出模式。在脈沖大功率輸出模式下以追求輸出功率和效率為主,在連續(xù)波低功率輸出模式下,以提升線性指標為主。原理如圖5所示。

圖5 雙模功放原理

2.3 寬帶數(shù)字收發(fā)設計

寬帶數(shù)字收發(fā)模塊主要實現(xiàn)多通道射頻信號的數(shù)字收發(fā)功能,采用FPGA+高速AD/DA的構(gòu)架實現(xiàn)芯片化、寬帶化射頻直采直發(fā)設計,如圖6所示。寬帶數(shù)字收發(fā)模塊摒棄包含混頻器、本振電路、中頻放大器和濾波器等器件的傳統(tǒng)二次變頻鏈路,將射頻ADC、DAC等模數(shù)變換器件前移至射頻前端,直接進行寬帶數(shù)字處理和信息提取,滿足偵察、干擾、探測及通信等系統(tǒng)任務對瞬時帶寬、線性度、動態(tài)范圍等技術指標的快速響應需求,有力地支撐射頻口徑功能動態(tài)規(guī)劃、規(guī)模靈活擴展及系統(tǒng)功能重構(gòu)。

圖6 射頻直采直發(fā)

2.4 電磁兼容設計

層疊式多功能一體化收發(fā)組件的發(fā)射功率大、集成密度高、功能復雜,導致在狹小空間內(nèi)同時存在大電流信號、微波信號、數(shù)字信號等多類信號,內(nèi)部功能電路間的電磁兼容問題比較突出,必須以電磁、空間等多維度仿真設計為基礎,在干擾源、干擾路徑、受干擾端多方面同時采取措施,才能有效控制干擾信號的相互串擾和影響。可采取的具體措施如下:

(1)合理分配收發(fā)鏈路增益,合理規(guī)劃集成芯片內(nèi)部布局,防止高增益電路工作時形成環(huán)路,造成電路自激。

(2)收發(fā)前端模塊電路合理布局,不同通道間采取必要的隔離措施,防止通道間大功率信號相互串擾。

(3)SIP、MCM等微波模塊均采用BGA封裝,電路板微波信號傳輸均采用帶狀線形式,防止大功率微波信號通過管腳和傳輸線相互輻射干擾。

(4)對外接口與印制板之間全部采用表貼或彈壓式連接器,在保證電性能的前提下,盡可能地減少穿孔和連接器管腳的對外輻射。

(5)數(shù)字電路的時鐘、電源等功能單元需進行區(qū)域隔離。

(6)多層功能單元電路之間要設計相對獨立的結(jié)構(gòu)空間進行電磁屏蔽。

3 測試驗證

本文設計的層疊式多功能一體化收發(fā)組件有6個性能指標。

(1)工作頻率:寬C頻段;

(2)收發(fā)組件通道數(shù)量:64通道;

(3)信號瞬時帶寬:1 000 MHz調(diào);

(4)單通道射頻信號輸出峰值功率:≥30 W(飽和)、≥4 W(飽和)、≥1 W(線性);

(5)飽和脈沖最大占空比:25%;

(6)單通道噪聲系數(shù):≤5.0 dB。

4 結(jié)語

本文針對艦載平臺雷達、通信、電子戰(zhàn)等多種功能綜合射頻系統(tǒng)對收發(fā)組件信道不同的需求,設計了一款基于射頻直采、3D異構(gòu)、垂直互聯(lián)、高效冷卻等技術的64通道雙極化層疊式多功能寬帶一體化收發(fā)組件,介紹了具體設計和實現(xiàn)方法,并進行了實物測試驗證。該收發(fā)組件具備功率、動態(tài)范圍、帶寬等重要參數(shù)的編程配置能力,且實現(xiàn)了層疊超薄設計,既能滿足多種任務功能對收發(fā)通道的不同需求,又滿足綜合射頻系統(tǒng)輕薄化設計需求,為艦載綜合一體化射頻系統(tǒng)的技術發(fā)展和工程應用提供很好的技術支撐。