雷达频率综合器的可靠性分析与设计获奖科研报告

雷达频率综合器的可靠性分析与设计获奖科研报告引言

随着频率合成技术的不断发展，各种新型频率综合器以及频率合成方式的不断出现，频率综合器已经广泛应用在通信、雷达、导航、干扰和抗干扰等无线电技术的各个领域，尤其在雷达领域得到了广泛应用[1]。频率综合器作为雷达系统的核心，其性能决定了雷达系统检测、跟踪目标的能力。频率综合器产生雷达系统所需的各种不同信号，这些信号之间均保持确定的相位关系，即相位相参，这种雷达系统统称为全相参系统。本文通过对影响雷达频率合成器可靠性的因素进行分析，采用直接频率合成技术，通过金属隔离条提高杂散抑制度，运用射频多层板技术减小体积，采用有效的信号串扰隔离屏蔽技术，优化腔体结构设计，以此提高频率综合器的电磁兼容性及可靠性。

1频率综合器总体设计

频率综合器由100MHz相参时钟信号、3000MHz的DDS工作时钟信号、1200MHz信处时钟信号、本振信号、上行信号等组成，相参时钟为FPGA提供时钟参考;DDS时钟为DDS提供工作参考时钟，产生输出信号;信处时钟为信号处理机提供采样频率，其采样高低决定了信处机的处理能力;本振信号提供雷达上变频发射、下变频接收回波信号;上行信号为发射机提供输入参考，产生雷达发射信号。本设计的雷达频率综合器以一个晶振作为基准源，运用功分器、倍频器、混频器、放大器、滤波器等器件，通过倍频、混频的方式产生不同输出频率的信号。在总体设计中，从开始的频率合成理论方法确定到器件电性能仿真、原理图设计、PCB总体走线布局、结构设计与优化、电磁兼容性等设计进行产品质量可靠性保证，以提高产品的稳定性、可靠性[2]。

2可靠性分析

从设计和工艺两个方面对影响频率综合器可靠性的因素进行分析，首先通过设计保证可靠性，目前射频电路板已经不再是传统的射频单层板拼接设计形式，该方式不仅调试难度大、周期时间长，最重要的是信号不稳定，杂散较大，可靠性差。随着射频技术的不斷发展，射频电路逐步向小型化、集成化、复杂化方向发展[3]。当前射频电路趋于射频多层板技术、LTCC技术、SIP技术等，相比于其他多层技术，射频多层板技术基于成熟PCB工艺，具有可靠的环境适应性、成本较低、技术成熟、可靠性较高，满足军工对电路高可靠性及小型化的需求，因此本设计采用高可靠性的射频多层板技术进行设计。其次通过加工工艺保证可靠性，主要包括印制板加工和结构腔体加工工艺的可靠性进行分析。射频印制板在加工过程中，对射频走线宽度以及屏蔽射频信号接地孔直径的加工精度要求比较高，这对信号的稳定性及电磁兼容性影响比较大，通过分析加工精度与电性能之间的影响关系，采取方法提高产品质量与可靠性。结构腔体和金属隔离压条的设计与加工，可以有效提高对杂波信号的抑制度，不仅提高了产品的性能指标，而且提高了产品质量可靠性。

2.1设计可靠性分析

采用射频多层板技术进行设计，可以有效利用空间，不仅可以实现小型化，还可以保证射频信号传输的可靠性，与传统的多个独立两层射频板拼接在一起，通过独立结构腔体隔离的方式相比较，射频多层板的每一层都包含地，供电电源单独一层，可以有效防止射频信号乱穿，提高了射频信号的稳定度。本频率综合器从指标、尺寸、性能、成本等方面进行考虑，最终选择了6层印制板工艺，其产生所有输出的射频信号，充分考虑了不同信号间的走线布局，保证了信号的完整性;供电电源单独一层，通过过孔方式给有源器件供电，电压供电稳定，保证了电源的完整性;由于该频率综合器产生的上行信号链路中，存在多个数控衰减器和可变增益放大器以及检波器等控制器件，导致控制信号线较多，故采用一层作为控制信号走线，控制线相邻两层全为接地层，保证了控制信号的稳定性，从而提高了产品的可靠性。

运用一种有效的信号串扰隔离屏蔽技术进行设计，由于频率综合器产生多种不同信号，为了防止不同信号间的相互串扰，提高信号间隔离度，该技术不同于以前的腔体隔离屏蔽，而是根据射频多层板内部不同信号走线进行布局，将100MHz相参时钟信号、采样时钟信号1200MHz、DDS时钟工作信号3000MHz、第一本振信号、第二本振信号、上行信号等进行PCB布局时，要进行信号分割布局。这种将不同的信号用金属隔墙分割的方式，基本保证每个分割腔中的信号单独存在，并与射频多层板通过螺钉牢牢压在一起，保证良好接地性，不仅提高抗噪声能力，更是提高了信号间的隔离度，提高了工作信号的稳定、可靠性。通过实验验证，这种隔离屏蔽技术既简单又高效，杂波信号抑制度达到50dBc以上，隔离度达到70dBc以上。

2.2工艺可靠性分析

印制板加工工艺保证产品质量可靠性。印制板加工过程中对接地通孔要求比较高，这种接地通孔可以更好地起到电磁屏蔽的作用，其孔径、孔间距依据以下经验公式进行计算：

式中，L为接地孔之间的距离，d为孔径，为介质波长。目前印制板射频信号线的屏蔽接地过孔加工精度可达到0.1mm，但是由于其加工难度较大，成本较高，加工可靠性较差，极少数厂家会采用该工艺。当前0.2mm以上的接地过孔技术比较成熟，加工工艺稳定可靠。通过咨询加工厂家得知射频信号线的屏蔽接地过孔，90%的加工厂家均采用0.2mm的接地过孔，屏蔽效果较好。本文接地过孔直径均采用d=0.2mm，板材为RO4350B，本设计最大射频信号约为10GHz，其介质波长约为15mm，由式可得接地孔的孔间距采用0.8mm。射频信号走线两边需要大面积接地孔，可以屏蔽串扰信号，大量接地过孔可以保证电路板有效散热，使电路性能稳定可靠。

射频信号在传输链路中需要满足射频工程中通用的传输线50Ω特征阻抗，根据传输线的阻抗特性理论，使用ADS射频电路仿真软件对50Ω传输线的线宽进行仿真，本设计的射频印制板基板材料采用RO4350B，其介电常数为3.66，微带线厚度为35um，其微带线50Ω特征阻抗的线宽约为0.52mm。通过详细仿真可知，影响微带线线宽变化较大的主要因素是基板的介电常数和厚度，当基板的介电常数和厚度确定时，微带线的线宽基本确定，微带线的线宽在0.50mm时，特征阻抗约为51.4Ω;线宽在0.54mm时，特征阻抗约为49.1Ω，当前微带线线宽加工工艺精度最高为±0.01mm，但是工艺精度±0.01mm可靠性较差，稳定性不高，而±0.02mm加工精度可以有效保证，可靠性较高，故本设计采用±0.02mm加工精度。仿真结果可知，微带线宽度从0.50mm到0.52mm，特征阻抗变化只有1.4Ω，从0.52mm到0.54mm，特征阻抗变化只有0.9Ω。0.52±0.02mm加工精度引起的阻抗变化仅为2.3Ω，该加工精度与仿真值在实际中基本没有影响，因此本设计选用微带线加工宽度为0.52mm，±0.02mm加工精度，从而保证加工工艺的可靠性。

3电磁兼容性

电磁兼容性主要是产品内部和外部电磁兼容性，外部电磁是通过结构腔体进行屏蔽的，内部是通过金属隔离压条形式隔离内部电磁，防止相互干扰，从而提高电磁兼容性。但是射频多层板电路在减小体积的同时，集成度和功率密度随之提高，电磁环境则更加复杂，保证其在复杂的电磁环境中正常工作，需要对射频电路进行良好的电磁兼容设计，其主要采取措施为：（1）合理设计射频链路阻抗匹配，减少能量的辐射;（2）射频多层印制板的各个平面金属地层良好连接，使各地层之间阻抗一致;（3）对不同辐射信号进行屏蔽处理;（4）滤波;（5）接地。通过以上措施可以有效提高电磁兼容性。

4结束语

本文以雷达频率综合器为研究依托，结合对产品质量可靠性的要求，从工艺和设计两个方面对频率综合器的可靠性进行分析，设计过程中从仿真、原理图设计、PCB