【双波段线阵插件硬件模块电路设计与测试分析案例11000字】

双波段线阵插件硬件模块电路设计与测试分析案例 11.1T/R模块电路设计 11.1.1腔体谐振效应 21.1.2X波段T/R模块设计 21.1.2.1X波段T/R模块总体方案 31.1.2.2X波段T/R模块接收电路设计 51.1.2.3X波段T/R模块发射电路设计 81.1.2.4X波段T/R模块通道之间幅相一致性分析 1.1.2.5X波段T/R模块数据传输与调节分析 1.1.2.6X波段T/R模块供电及功耗特性分析 121.1.2.7X波段T/R模块关键技术及解决途径 1.1.3Ka波段T/R模块设计 1.1.3.1Ka波段T/R模块接收电路设计 1.1.3.2Ka波段T/R模块接收电路设计 1.1.3.3Ka波段T/R模块幅相匹配性研究分析 1.1.3.4Ka波段T/R模块数据传输与制分析 1.1.3.5Ka波段T/R模块供电及功耗特性分析 1.1.3.6Ka波段T/R模块关键技术及解决途径 1.2双波段线阵插件一体化结构设计 1.2.1双波段线阵插件工艺设计 21.2.2双波段线阵插件装配实施效果 1.3双波段线阵插件实测 1.3.1双波段线阵插件测试方法 1.3.2双波段线阵插件测试结果 1.1T/R模块电路设计腔体，如下示意图4-1所示bX波段T/R模块尺寸为70mm×24mm×6mm(双通道)和70mm×31.5mm+5V功率电源限幅器低噪放2+5V功率电源+28V功率电+5V控制电源微波信号T/R接口+28V+28V功率电个部分50-51]。其中功分网络用于实现输入的激励信号平等分为2(或者3)路信号以及将2(或者3)路由天线接收到的信号进行合成功能。数控移相衰减部分T/R对收发波控数据(各11位数据)进行实时切换。如图4-3所示为ASIC波控控数据切换通过专用ASIC即波控芯片实现，因此整个组件具备上下行快速切换2位伤存11位移位寄存器11位债存器11位数据输出单元逻段控制单元TR或PMOS考虑接收通道需要具有较大的抗烧毁能力以及防1)采用双级环行器保护前级器件，损耗为0.9dB;①增益平坦度及一致性指标：接收通道各功能部件的增益/损耗特性情况为：公共射频连接端传输损耗0.3dB,功分器传输损耗0.7dB,移相器插损8.5dB,衰减器插损2.5dB,两级低噪放分别为19dB和21dB,其中紧固衰减器用于调环行器插损0.9dB,天线连接端接口传输损耗0.3dB。典型器件的频响特性曲线如图4-5所示。插入损耗VS频率插入损耗插人损耗图4-5接收状态下，典型器件(数控移相器、数控衰减器、第二级放大器和第一级低噪放)的频响特性>8dBm;而选用的第二级低噪放的P-1dB较大典型值>19dBm,如图4-6所示。③噪声系数指标：模块的噪声系数主要受天线端口和环行器损耗、第1级低噪音放大设备的噪求，在低噪音放大设备的第1级选择低噪音参数、高增益放大设备。除此之外，后直接进行两级放大。结合器件参数和工程经验，第1级低噪音放大设备的噪音参数为1.4db,第2级低噪音放大设备的噪音参数为2.7db。结合其它无源器件的损耗特性，模块级联的噪声系数为3.1dB(如图4-7所示)。在高温下，噪声系数下降了0.5db左右，估计噪声系数可以降低<3.6分贝。考虑到数控衰减器的工作情况，在全衰减状态下(衰减15.5db),接收通道的总增益将降低，接收通道噪声系数20TM开关氟控衰做控瞽相功分GraphParameter(DoubleClickonGraphforOptDStage#9:数控衰减器GraphParameter(DoubleClickonG④抗烧毁分析抗烧毁按连续波输入0.5W(27dBm)设计，耐受时间应>120s,由于收发大值为：功放饱和输出功率(45dBm)-环行器隔离度(20dB),根据器件性能，该泄露功率最大为25dBm,限幅器可以耐最高功率10W连续波，限幅电平为13.7dBm,如图4-8所示，而低噪放的最大抗烧毁输入功率为18dBm。因此不会限幅电平输入功率(dBm)发射通道各功能部件的增益/损耗及功率特性损耗0.3dB,功分器功分损耗5.5dB,移相器插入损耗8.5dB,衰减器插入损耗0.3dB,最终输出>44dBm。典型器件的频响曲线，图4-91111.211.411.611.81212212412612.81313.2131111211.411.611812122124126128131增益&回波损耗频率(GHz)增益&回波损耗出PEB(d8(出PEB(d8(完善改进的工作电路综合设计与非常严格的生产工艺标准规范主要保障了1)通过对通道增益的分布，保证通道内部稳定；2)对元器件择优选择，尽量使用一致性较好的元器件；3)引入振幅和相位补偿电路；1)在产品研发和生产过程中，采用了中电13所先进成熟的MCM多芯片混合T/R模块传输数据格式为：传输数据帧长度：26位；电平类型：TTL电平；数据端口将转换为输出I/O状态；其他数据时为正常帧，数据端□(DATA)为输入I/O状态。第三位和第四位，Bit2和Bit3,是通道工作状态调整。当Bit2处于高上述两个数据分别与发射调节信号T和接收调节信号R在逻辑上和操作上相关联，应发射移相和衰减状态，Bit15~Bit25对表4-1波控数据说明00发射待机高电平工作接收待机高电平工作发射衰减状态有效有效低电平低电平低电平发射移相状态效低电平有效低电平有效效低电平有效不起作用.通道调节，如图4-11所示T/R调节信号用于收发器开关和收发器移相衰减调节位的切换。当电平较辑门电路),射频放大器(包括低噪声放大器、最1)发射通道：末级功放工作电压为28V,电流为1.4A;两级驱动放大器工作电压为5V,电流为190mA;2)接收通道：两级放大器采用5V供电，则需要电流为100mA;3)驱放以及功放需要提供栅极偏置电压，即-5V电压电流需求为5mA;+28±0.5V功率电+5.0±0.2V功率电射支路驱动功放电流(占空比40%);+5.0±0.3V调节电专用MMIC以及译码器和负压逻辑保护电路-5±0.10V功放栅压供电以及专用集成电路芯片1)电路稳定性设计(腔体设计)。本方案中，为了减少收发链路的复杂性，将有源放大器件直接放置到通道内部，公共部分为收接收通道的链路为直接两级放大，发射通道的链路为三级放大，前级增益较头、环行器、开关、数控移相衰减器以及功分器损耗，则三级放大器增益需要达到55dB,方案中选用的三款放大器小信号增益超过60dB,对于该模块发射工作状态的稳定性设计是一大挑战。因此本模块中的发射通道的结构设计尤为重要，主要考虑前后级级联的稳定性。腔体设计时，发射支路内通过分腔设计，将三级放大器放置在不同的两个腔体内，从而增强前后级的有效2)功放散热设计方面，要求发射通道输出功率达到20W以上，则末级功率放大器输出需要达到30W,整个模块中末级功放的热耗最高，因此在电路设计时一定要考虑模块的良好散热要求。为了增强末级功放的散热效果，将末级功放通过金锡焊料直接烧结到盒体上，这样才能保证器件最佳散热。同时还需要考虑整个模块的散热措施，即盒体如何达到最佳散热。整个系统散热，上下两层共用中间保温板。模块的热量首先需要传递到浸泡板上，热量通过浸泡板排出。因此，模块与浸泡板需要达到良好和充分的接触，采取措施，在另一个为Ka频率段，如果X频率段模块输出的谐波分量较高的话就会有影响Ka频率段TR模块的正常工作，因此在末级功放设计时需要着重考虑二、三次谐波的分量的抑制，此为一个关键因素。经测试后选用的末级功率放大器，二、三次谐波能够达到40dB以上。此外功放输出后经过环行器才能输求输入输出接□(包括射频以及电源调节端□)形式比较特殊，电源调节以及射保护功能，如图4-12所示电PI开关接收通道各功能部件的增益/损耗特性情况为：普通射频连接的传输损耗为0.3dB,功分器的传输损耗为0.7db,移相衰减多功能芯片的插入损耗为14dB,接收状态下双向放大器的增益为24dB,调整信道一致性的紧固衰减器为0.5-2.5db,低噪声放大器增益18db,接收状态开关(小信号)损耗0.7db,天线连接端接口传输损耗0.3dB。在不考虑功率分配器理论损耗的情况下，模块接收状计范围为22-25dB。为了保证良好的信道一致性，在实以内，如图4-13所示插入损耗VS频率接收增益VS频率移相插入损耗(参考衰减态)低噪放频带内P-1dB典型值>10dBm;双向放大器的P-1dB典型值>12dBm,如图6所示。按系统方案相关增益链路计算，设计模块输入的P-1dB为-28dBm,结合设备器件系数与项目工程实践经验，低噪音放大设备的噪音参数低于2.0db,双向放大设备的噪音参数低于5dB,结合其他无源器件的损耗特性进行图4-15接收噪声系数分析⑤抗烧毁分析抗烧毁按连续波输入0.5W(27dBm)设计，耐受时间应>120s,由于收发值为：功放饱和输出功率(30dBm)-开关隔离度(24dB,如图4-16所示),根据器件性能，该泄露功率最大为6dBm,而低噪放的最大抗烧毁输入功率为发射通道各功能部件的增益/损耗及功率特性情况为：公共射频连接端传输损耗0.3dB,功分器功分损耗3.7dB,移相衰减多功能芯片插入损耗14dB,双向放大器发射状态下饱和增益约为30dB(小信号增益约为32dB),输出能力>15dBm;末级功放饱和增益17dB,输出能力>28.5dBm;开关工作于发射状态时(大信号)损耗1dB,天线连接端接口传输损耗0.3dB。典型器件的频响特性，图4-179b上下放大器增益、输出能力曲线1)通过对通道增益的分布，保证通道内部稳定；2)对元器件进行筛选，尽量使用一致性较好的元器件；3)引入振幅和相位补偿电路；4)采用对称电路，保证通道电路一致；1)在产品研发和生产过程中，采用了13种先进成熟的MCM多芯片混合集成Ka波段T/R模块传输数据格式：传输数据帧长度：26位；电平类型：TTL26位传输数据说明：先行接收到的数据为Bit0,最后接收到的数据为Bit25。为输入I/O状态。第三位和第四位，Bit2和Bit3,是通道工作状态调整。当Bit2处于高电平时，信道传输可以正常工作，当Bit2处于低电平时，信在逻辑上，上述两个数据分别与发射调节信号T和接收调节信号R在逻辑常的发送和接收过程中，当芯片选择信号CS处于低电平时，保证数据和时钟工T/R调节信号用于收发器开关和收发器移相衰减调节位表4-3Ka波段T/R模块工作电压和电流+5.0±0.2V功率电发射功率电，接收功率电，驱动器+5.0±0.3V调节电数字逻辑电、译码器供电、(ASIC)芯片供电-5±0.10V调节电功放栅压供电ASIC负电PIN开关供电电路稳定性设计(腔体设计)对于发射通道前级增益较高，小信号增益接近50dB,对于Ka频率段模块工作的稳定性设计是一大挑战。此外由于模块尺寸上非LTCC板材电路的布局和互联(穿墙设计)。为了降低模块成本，以及工艺装配的复杂性，方案设计采用非LTCC板材电路，这在模块结设计呈管壳式盒体设计，目前在Ka频率段管壳产品较少，需要进行专门研究开率段模块“背靠背”安装的结构形式，即一面为Ka波段线阵，另一面为X波段线阵。根据阵面布局要求，X波段模块分为2通道和3通道两种，Ka波段模块为2通道一种。低插件整体高度，如图4-18所示。波导入口线阵插入框背面的x波段线阵首先通过波导-同轴-微带转换，然后通好。低频电路板调节和电源信号通过金线键合的方式连接到Ka波段收发模块的低频端口；通过焊接的方式与X波段T/R模块低频端口相连。采用J63A31芯和37芯连接器。接螺钉拧紧后，按限定的力矩要求使用力矩扳手，所式，直接与背热冷却板接触，如图4-19所示。a)用220℃焊膏烧结射频绝缘子，在Ka面用工装垫块，烧结后清洗，如图4-20与盖板接触平台最窄要大于1mm,如图4-22所示。图示尺寸是最低要求尺面做一个面板，面板安装后与插件最高面在一个平面上(考虑2.62绝缘子的让位)。面板区域如下图4-23所示c)用导电胶粘Ka面射频板和输出带线，用专用压块压紧。然具压紧压块。位置如图4-24所示：块能放到射频腔里，高度比最高平面高2mm,数量：1个。 压紧压块。粘结完后手工焊接射频板与绝缘子连接处，清洗。如图4-25所示。图4-25X波段射频板粘接X面射频板专用压块制作要求：尺寸比Ka射频板每边缩小0.1mm,保证压块能放到射频腔里，高度比最高平面高2mm,且对应