成 彥

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

Ka頻段收發(fā)組件模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)

成 彥

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

研究了Ka頻段收發(fā)組件模塊化設(shè)計(jì)技術(shù),探索了具有通用化、小型化、系列化特性的Ka頻段收發(fā)組件高效設(shè)計(jì)開發(fā)模式。通過毫米波收發(fā)組件功能分析,完成了模塊體系規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)模塊系列開發(fā),并設(shè)計(jì)了新型模塊接口和連接件。采用標(biāo)準(zhǔn)模塊實(shí)現(xiàn)了收發(fā)組件模塊化設(shè)計(jì),驗(yàn)證了模塊體系的有效性和模塊化設(shè)計(jì)方法的可行性。研究表明,模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)在毫米波收發(fā)組件高效率開發(fā)中具有廣泛應(yīng)用前景。

Ka頻段;毫米波收發(fā)組件;模塊化設(shè)計(jì)

1 引 言

模塊化(也可叫組合化)是在對(duì)一定范圍內(nèi)的不同產(chǎn)品進(jìn)行功能分析和分解的基礎(chǔ)上,劃分并設(shè)計(jì)、生產(chǎn)出一系列通用模塊或標(biāo)準(zhǔn)模塊,然后從這些模塊中選取相應(yīng)的模塊并補(bǔ)充新設(shè)計(jì)的專用模塊和零件一起進(jìn)行相應(yīng)的組合,以構(gòu)成滿足各種不同需要的產(chǎn)品的一種標(biāo)準(zhǔn)化形式,是一種先進(jìn)的系統(tǒng)科學(xué)技術(shù)滲透到標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域形成的標(biāo)準(zhǔn)化方法。模塊化設(shè)計(jì)方法是將模塊化引入設(shè)計(jì),著重解決產(chǎn)品品種、規(guī)格與設(shè)計(jì)制造周期、成本之間制約關(guān)系的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法[1-2]。

隨著毫米波技術(shù)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等領(lǐng)域,不同系統(tǒng)對(duì)收發(fā)組件技術(shù)指標(biāo)、接口、結(jié)構(gòu)和安裝要求變化大。按傳統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)模式對(duì)每種型號(hào)單獨(dú)開發(fā),存在研制時(shí)間長、成本高、調(diào)試?yán)щy、可靠性差等問題。采用模塊化技術(shù)進(jìn)行組件設(shè)計(jì)可提高技術(shù)成熟度,縮短開發(fā)周期,節(jié)約成本。

本文對(duì)Ka頻段收發(fā)組件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)探討,以功能獨(dú)立性為主建立模塊體系,劃分標(biāo)準(zhǔn)模塊,進(jìn)行模塊系列化開發(fā),以及小型化接口和連接件設(shè)計(jì)。最后按模塊化方法快速研制出功能復(fù)雜的收發(fā)組件,驗(yàn)證了模塊體系的有效性和模塊化設(shè)計(jì)方法的可行性。

2 Ka頻段收發(fā)組件模塊化體系

Ka頻段收發(fā)組件應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?、平臺(tái)多,不同系統(tǒng)戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)和體制均有較大差異;模塊體系劃分做到科學(xué)合理十分困難,需運(yùn)用模塊化基本理論并融合Ka頻段組件自身特點(diǎn)進(jìn)行。模塊化包含兩個(gè)基本過程:一是由產(chǎn)品分解并開發(fā)出通用模塊的分解過程;二是采用通用模塊組合成新產(chǎn)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(xì)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(guān)鍵的環(huán)節(jié),應(yīng)以結(jié)構(gòu)為載體,功能獨(dú)立性為主,模塊大小適中為原則進(jìn)行劃分。設(shè)計(jì)系列化模塊時(shí)需考慮各種需求,對(duì)某些關(guān)鍵指標(biāo)按一定數(shù)系進(jìn)行劃分,形成一定系列。根據(jù)模塊互聯(lián)情況開發(fā)接口和專用連接件。模塊庫可供用戶選用開發(fā)新產(chǎn)品,最后根據(jù)用戶所反饋的使用情況,改進(jìn)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(fā)組件主要應(yīng)用在雷達(dá)、導(dǎo)引頭、通信、電子戰(zhàn)等領(lǐng)域。不同領(lǐng)域系統(tǒng)對(duì)組件戰(zhàn)技指標(biāo)、接口、結(jié)構(gòu)、安裝和環(huán)境條件等均不同。要使模塊體系能滿足各種應(yīng)用,需求分析必須翔實(shí)、全面。需求一部分來源于已經(jīng)研制成功和正在研制的項(xiàng)目,另一部分來源于國內(nèi)外其他單位的市場(chǎng)需求以及對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。

進(jìn)行功能分析和結(jié)構(gòu)分解時(shí),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(fā)組件處于系統(tǒng)射頻最前端,核心功能是上、下變頻?；祛l器工作頻帶寬,通用性強(qiáng),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(dú)立性、通用性和一定的市場(chǎng)需求,將低噪放也劃分為一類通用模塊。發(fā)射端主要功能是功率放大,也具有一定市場(chǎng)需求,還可作為大功放的前級(jí)驅(qū)動(dòng),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(dǎo)致?lián)p壞,劃為獨(dú)立模塊也能方便維修更換。大功放市場(chǎng)需求旺盛,且由于功耗大,結(jié)構(gòu)特殊,只能獨(dú)立設(shè)計(jì),劃為一類通用模塊。最后形成接收低噪放模塊、發(fā)射驅(qū)動(dòng)放大模塊、混頻模塊、功放模塊四大類通用模塊。在新研產(chǎn)品時(shí)只靠通用模塊組合無法完全滿足功能要求時(shí),可根據(jù)情況補(bǔ)充設(shè)計(jì)專用模塊。

2.2 模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)模塊功能的載體,設(shè)計(jì)不合理,會(huì)導(dǎo)致模塊間不易組合。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮模塊機(jī)械特性和結(jié)構(gòu)布局、連接、安裝等空間關(guān)系,注重通用化、小型化。保證模塊外部接口統(tǒng)一,功能傳遞準(zhǔn)確,性能可靠,模塊間配合自如。為了提高模塊通用性和擴(kuò)展性,還應(yīng)預(yù)留部分冗余設(shè)計(jì)的空間和接口。

模塊布局時(shí)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(tǒng)一。最后模塊尺寸統(tǒng)一為40 cm×25 mm(或其倍數(shù))×11 mm。

2.3 接口設(shè)計(jì)

模塊化產(chǎn)生的顯著問題是接口數(shù)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(dǎo),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(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)。過渡探針最后測(cè)試結(jié)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(shí)可直接搭接,單獨(dú)使用時(shí)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(cuò)功能。

3 系列化模塊開發(fā)

系列化是從產(chǎn)品使用要求和發(fā)展規(guī)律出發(fā),將同一功能產(chǎn)品的主要參數(shù)或規(guī)格按一定的數(shù)系或要求作合理規(guī)劃,并對(duì)其形式和結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化和統(tǒng)一,使產(chǎn)品有序發(fā)展并形成一定的系列,以滿足用戶廣泛需求的一種標(biāo)準(zhǔn)化形式[3]。下面根據(jù)4類模塊各自特點(diǎn)和應(yīng)用出發(fā)來開發(fā)系列化產(chǎn)品。

接收低噪放模塊工作頻帶一般可覆蓋整個(gè)Ka頻段,不同系統(tǒng)對(duì)低噪放指標(biāo)要求不同的一般是噪聲系數(shù)和增益,因此按這兩個(gè)指標(biāo)的不同來劃分系列。分析各系統(tǒng)對(duì)這兩項(xiàng)指標(biāo)的要求,找出其分布規(guī)律,按合適的數(shù)系進(jìn)行系列化。數(shù)系有4種:等差級(jí)數(shù)、等比級(jí)數(shù)和優(yōu)先數(shù)系、E數(shù)系、模數(shù)制數(shù)系[3]。某些系統(tǒng)存在射頻泄漏損壞低噪放的情況,此時(shí)需要在接收端加保護(hù)開關(guān)。有時(shí)還有溫度補(bǔ)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(duì)模塊做一定程度的冗余設(shè)計(jì),加入這些輔助功能,使用時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況保留部分輔助功能。

發(fā)射驅(qū)動(dòng)放大模塊主要指標(biāo)有工作頻率、P1dB、飽和輸出功率、小信號(hào)增益等。各系統(tǒng)一般對(duì)工作頻率、P1 dB、增益的要求不同。劃分模塊系列時(shí)先按工作頻率不同進(jìn)行分段,再根據(jù)1 dB壓縮點(diǎn)和增益的不同進(jìn)行分檔和系列化,以滿足用戶的各種需求。

發(fā)射驅(qū)動(dòng)放大模塊還有溫度補(bǔ)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(shè)計(jì)。

混頻模塊主要實(shí)現(xiàn)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(fā)組件混頻路數(shù)常見的有單通道、雙通道和三通道,按通道數(shù)目可劃分為這三類通用混頻模塊。特殊應(yīng)用時(shí)比如輻射計(jì)也有用到十通道的情況,這種多路數(shù)的情況可通過多個(gè)單通道混頻模塊結(jié)合專用本振多路功分模塊來實(shí)現(xiàn)。按本振和射頻頻率關(guān)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(gè)系列。對(duì)幾種通道情況分別開發(fā)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(yīng)用需求。

上述3類模塊結(jié)構(gòu)類似,具有很好的通用性和組合性。

功放模塊主要指標(biāo)有工作頻率、增益、飽和輸出功率、功耗等。功放功耗大,發(fā)熱量高,因此和另3種模塊結(jié)構(gòu)區(qū)別很大。功率要求大于10W時(shí),由多個(gè)功放單元合成得到更大功率輸出。

4 連接件開發(fā)

連接件用于模塊間、模塊和外部接口的連接。連接件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是小型化、可靠、拆裝方便?？紤]模塊間各種組合可能,設(shè)計(jì)了兩類連接件:一類是標(biāo)準(zhǔn)連接件,用于模塊單獨(dú)使用;另一類是非標(biāo)連接件,用于模塊間互聯(lián)。

5 收發(fā)組件模塊化設(shè)計(jì)實(shí)例

模塊化設(shè)計(jì)流程見圖2。按模塊化方法對(duì)組件技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分解,確定各模塊的指標(biāo)和結(jié)構(gòu),根據(jù)模塊間互連情況選擇連接件、低頻插座,根據(jù)結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行組件整體殼體設(shè)計(jì)和低頻母版設(shè)計(jì)。各模塊裝配調(diào)試完成后,對(duì)各模塊進(jìn)行組裝并測(cè)試組件整體技術(shù)指標(biāo)。

圖2 模塊化設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Flowchart of modularization design

為了驗(yàn)證Ka頻段模塊體系的有效性,以一個(gè)功能復(fù)雜的三通道收發(fā)組件為例,按模塊化流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。組件主要指標(biāo)如下:頻率35 GHz,帶寬1.5GHz,發(fā)射功率大于等于1 W,和差通道噪聲系數(shù)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(jù)指標(biāo)要求確定電路框圖,選擇器件,論證指標(biāo),然后根據(jù)模塊化方法將框圖分解成數(shù)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊,并確定各模塊技術(shù)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)。模塊劃分情況見圖3。研制各標(biāo)準(zhǔn)模塊和低頻母板等,最后用連接件將模塊組成完整的收發(fā)組件,其結(jié)構(gòu)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(fā)組件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Configuration of three-channel module

為了驗(yàn)證模塊體系能適應(yīng)多種需求,再以某客戶定制的模塊化雙通道收發(fā)組件為例進(jìn)行說明。組件指標(biāo)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(shù)不大于3 dB,發(fā)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(fā)組件實(shí)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(fā)組件結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Configuration of two-channel module

模塊化組件具有很強(qiáng)的靈活性,各模塊拆卸后裝配標(biāo)準(zhǔn)連接件可單獨(dú)使用。當(dāng)需要擴(kuò)展或更改功能時(shí),不需要從頭設(shè)計(jì),通過更換其中部分模塊或增加專用模塊實(shí)現(xiàn)。增加發(fā)射功率,可在發(fā)射模塊后加功放模塊實(shí)現(xiàn)。增加通道數(shù)量,將混頻模塊更換成多通道模塊,同時(shí)增加接收或發(fā)射模塊就可實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié) 論

本文通過研究,建立起了有效的Ka頻段收發(fā)組件模塊體系,開發(fā)了系列標(biāo)準(zhǔn)模塊和小型化連接件,實(shí)現(xiàn)了針對(duì)雷達(dá)、電子戰(zhàn)、導(dǎo)引頭、測(cè)控通信等應(yīng)用領(lǐng)域不同用戶需求的毫米波收發(fā)組件高效率模塊化開發(fā),支持各應(yīng)用領(lǐng)域用戶采用標(biāo)準(zhǔn)模塊產(chǎn)品進(jìn)行自主開發(fā)。采用模塊化技術(shù)進(jìn)行組件設(shè)計(jì),提高了技術(shù)成熟度,縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期,節(jié)約了成本。模塊無需調(diào)試,研制成本降低40%以上,開發(fā)周期從4個(gè)月以上縮短到2個(gè)月以內(nèi),大幅度提高了產(chǎn)品競(jìng)爭力,具有廣闊的應(yīng)用前景。

由于模塊體系是開放的,可以根據(jù)用戶反饋的使用情況進(jìn)行模塊的性能改進(jìn)和結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步小型化。隨著新產(chǎn)品的不斷研制成功,模塊庫也會(huì)不斷充實(shí)。在不久的將來,模塊化設(shè)計(jì)必將成為毫米波收發(fā)組件的主流設(shè)計(jì)模式。

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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(xué)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為工程師,主要從事毫米波組件的研究開發(fā)工作。