姚 曄，鐘劍鋒，2

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039； 2. 天線與微波技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210039)

高密度多功能綜合網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)*

姚 曄1，鐘劍鋒1，2

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039； 2. 天線與微波技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210039)

隨著大型有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的發(fā)展，陣面功能的集成度及結(jié)構(gòu)輕薄化要求將越來越高。單純依靠增加分立網(wǎng)絡(luò)模塊集成難以滿足型號研制的需求，因此文中提出了一種新的多功能綜合網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)(MFSS)概念。文中介紹了綜合網(wǎng)絡(luò)層的原理及組成，詳細(xì)闡述了MFSS是機(jī)、電、熱一體化的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，提出了在設(shè)計過程中需要重點(diǎn)研究的幾個關(guān)鍵問題。

有源相控陣?yán)走_(dá)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；多功能綜合網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)(MFSS)；微波多層板；匯流條

引 言

多功能綜合網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)(MFSS)技術(shù)已成為有源相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)和保證雷達(dá)整機(jī)性能的關(guān)鍵所在。

傳統(tǒng)綜合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要功能是支撐、三防、傳遞力等，而MFSS則具備2個或多個功能。該結(jié)構(gòu)設(shè)計是以微電子技術(shù)、超大規(guī)模集成電路、高密度互聯(lián)(HDI)、表面安裝技術(shù)(SMT)、微波板層壓技術(shù)等新工藝為基礎(chǔ)，將各類網(wǎng)絡(luò)及其支架、外殼、電連接器、傳輸電纜、結(jié)構(gòu)封裝、熱控等輔助部件集成為一體，進(jìn)行最大限度結(jié)構(gòu)集成，并使傳輸網(wǎng)絡(luò)與結(jié)構(gòu)零件一體化的新型綜合網(wǎng)絡(luò)層。實(shí)現(xiàn)了如結(jié)構(gòu)安裝、熱傳導(dǎo)、微波傳輸、信號驅(qū)動傳輸、電源傳輸?shù)裙δ堋?/p>

MFSS技術(shù)開發(fā)的最終目的是使綜合網(wǎng)絡(luò)基本功能件對總體的體積比最大，MFSS淘汰了傳統(tǒng)電子設(shè)備的殼體及其連接電纜，實(shí)現(xiàn)了綜合網(wǎng)絡(luò)的體積、重量和成本的全面縮減，它是雷達(dá)設(shè)備機(jī)、電、熱一體化耦合的系統(tǒng)工程。

1 MFSS原理與組成

MFSS主要由高頻信號網(wǎng)絡(luò)與低頻信號網(wǎng)絡(luò)有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成，從圖1的原理框圖可以看出，MFSS主要包含微波信號通道、波控信號通道、電源通道3大通道。微波信號通道是饋線網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，主要完成收/發(fā)微波信號的傳輸、收/發(fā)轉(zhuǎn)換、配合雷達(dá)進(jìn)行收/發(fā)通道的幅相校準(zhǔn)等功能。波控信號通道是波控分系統(tǒng)的組成部分，主要完成波控信號的傳輸、分配，配合雷達(dá)進(jìn)行幅度加權(quán)、相位控制以及雷達(dá)監(jiān)測信號的回傳等功能。電源通道是電源傳輸?shù)慕M成部分，主要完成收/發(fā)電源的傳輸、分配等功能。

圖1 MFSS原理框圖

2 MFSS集成電訊、結(jié)構(gòu)、熱功能

根據(jù)MFSS電訊要求和電路原理框圖，為了減小MFSS的體積、重量，提高M(jìn)FSS的工作效率，實(shí)現(xiàn)MFSS的各項功能，同時使高功率傳輸與低功率傳輸分離，以減小高信號對低功率元件的干擾，典型的MFSS采用上、中、下3個疊層安裝的方式，如圖2所示。

圖2 MFSS結(jié)構(gòu)圖

第1層為復(fù)合材料保護(hù)面板。面板為聚合物基體鍍金屬膜復(fù)合而成，基體材料采用導(dǎo)熱絕緣聚合物復(fù)合材料一體成型制造，然后在基體表面電鍍高電導(dǎo)率、高磁導(dǎo)率的銅、鐵等金屬薄膜，以達(dá)到對電子設(shè)備進(jìn)行整體電磁屏蔽的目的。

第2層為柔性電路與電源傳輸板。其中柔性電路板(FPC)是以聚酰亞胺樹脂和銅為基材，經(jīng)過必要的裁剪、沖壓制成多層布線板，通過3D-MCM結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高密度疊裝和互連。同時柔性電路板上所選用的芯片盡量采用表貼封裝和基于厚膜集成技術(shù)的多芯片模塊(MCM)。所謂多芯片模塊是指將多個芯片去除芯片外部封裝，直接將芯片的裸片封裝成多芯片組件，從而實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)集成度的最大化。電源傳輸板一般采用銅板等導(dǎo)電性比較好的金屬材料，中間采用環(huán)氧板等絕緣材料。

第3層為熱控制底板，是MFSS中關(guān)鍵的組成部分之一。底板為結(jié)構(gòu)支撐件和有熱輻射作用的一體化性能件。底板的框架選用合金材料，用以支持整個設(shè)備。散熱主體材料選用導(dǎo)熱性強(qiáng)的泡沫銅，以提高電子設(shè)備的散熱性能和抗沖擊性能。底板與電路板之間的導(dǎo)熱絕緣材料為導(dǎo)熱硅脂，使用時先在底板上鋪一層導(dǎo)熱硅脂后再裝上電路面板。

基于MFSS的3層結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，為了實(shí)現(xiàn)整個結(jié)構(gòu)的組裝靈活性，電路板與底板、多功能結(jié)構(gòu)之間采用可拆卸連接元件如螺釘?shù)冗M(jìn)行組裝。

2.1 MFSS系統(tǒng)特點(diǎn)

在有源相控陣?yán)走_(dá)布局設(shè)計中，MFSS把電源連接、低頻信號連接、射頻信號連接集成在一起，實(shí)現(xiàn)了與陣面T/R組件的無引線連接，其特點(diǎn)是：層數(shù)多，厚度厚，層間絕緣要求高，高低頻電路層采用了多層壓合工藝進(jìn)行制造，層間圖形的相對位置精度要求高，層間圖形互連孔金屬化要求高，制造難度大；電源層通過的電流大，板層厚，每層電源層有數(shù)百個焊點(diǎn)，接線柱尺寸大，熱容量大，焊接難度大，易引起冷焊等缺陷。

在有源相控陣?yán)走_(dá)布局設(shè)計中，MFSS把各種分散獨(dú)立設(shè)計的微波、波控、電源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一體化設(shè)計，高度集成在一起，3種信號和諧共處、互不干擾。大大簡化了陣面的復(fù)雜互聯(lián)關(guān)系，提高了系統(tǒng)可靠性。

2.2 電磁兼容(EMC)設(shè)計

MFSS將高頻微波電路、高速數(shù)字電路及大電流分配電路等多個電路一體化設(shè)計(如圖3所示)，存在大小信號之間、高低頻信號之間、數(shù)字信號與模擬信號之間、信號與電源之間的相互干擾；另外，在雷達(dá)系統(tǒng)中MFSS也會受到其他有源電路的干擾[1]。因此，必須充分考慮電磁兼容問題。

圖3 MFSS屏蔽設(shè)計圖

2.2.1 干擾源屏蔽設(shè)計

綜合分析整個MFSS，可能存在的干擾源主要有：1)大功率射頻信號干擾；2)直流傳輸電路、波控電路與模擬電路相互干擾；3)MFSS外部電磁信號干擾。

針對上述干擾源所采取的解決辦法為：1)對大功率傳輸?shù)入娐凡扇为?dú)密封使電磁泄漏減少；射頻前端功放輸出接口直接用插座，盡量減少微帶線的橋接。2)加強(qiáng)各品種電源電路之間的隔離，在電源上加屏蔽電路及選用磁屏蔽的電感，減小漏磁，有條件的MFSS加電容濾波等。3)數(shù)字電路和模擬電路不共地，同時將數(shù)字電路和模擬電路的電源相互隔離。4)對外的接口選擇滿足電磁屏蔽要求的接插件，接觸部分安裝導(dǎo)電橡膠密封條。

2.2.2 縫隙效應(yīng)設(shè)計

一般情況下，MFSS的各層電路和印制板的電連接點(diǎn)不可能完全接觸，只能通過金屬化孔并構(gòu)成一個孔洞陣列，保證各層印制電路相互可靠連通。但孔與孔之間的縫隙是造成屏蔽效能降級的主要原因之一。在實(shí)際工程中，常常用縫隙的阻抗來衡量縫隙的屏蔽效能?？p隙的阻抗越小，則電磁泄漏越小，屏蔽效能越高。MFSS金屬化孔如圖4所示。

圖4 MFSS金屬化孔圖

從縫隙的示意圖中可以看出，縫隙的阻抗可以用電阻和電容并聯(lián)來等效，因?yàn)榻佑|的點(diǎn)相當(dāng)于一個電阻，沒有接觸的點(diǎn)相當(dāng)于一個電容，整個縫隙就是許多電阻和電容的并聯(lián)。低頻時，電阻分量起主要作用；高頻時，電容分量起主要作用。由于電容的容抗隨著頻率的升高而降低，因此如果縫隙是主要泄漏源，則屏蔽機(jī)箱的屏蔽效能有時隨著頻率的升高而增加。但是，如果縫隙的尺寸較大，高頻泄漏也是縫隙泄漏的主要現(xiàn)象。

2.3 熱設(shè)計技術(shù)研究

MFSS是一個高功率一體化結(jié)構(gòu)技術(shù)，其高度集成結(jié)構(gòu)大大簡化了陣面的復(fù)雜互連，減小了陣面的體積和重量，卻使熱耗進(jìn)一步集中，散熱成為MFSS設(shè)計需要關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)之一，特別是實(shí)現(xiàn)大電流分配的匯流條結(jié)構(gòu)的散熱問題[2]。

電源傳輸板由銅板(2層)、環(huán)氧板(2層)以及4層半固化片組成，如圖5所示。計算過程中所用尺寸及數(shù)據(jù)為：計算面積均為單位面積(1 cm2)，銅板厚度為2 mm，熱導(dǎo)率為384 W/(m·K)；半固化片厚度為0.1 mm，熱導(dǎo)率按照FR-4(0.15～0.25 W/(m·K))即0.2 W/(m·K)計算；環(huán)氧板厚度為2 mm，熱導(dǎo)率為1.2 W/(m·K)?，F(xiàn)認(rèn)為，半固化片與銅板、環(huán)氧板、熱沉間接觸均為緊密接觸，沒有縫隙，忽略接觸熱阻。

圖5 電源傳輸板模型

熱量自上而下傳遞，熱路模型如圖6所示。

圖6 匯流條熱模型

R總=R1+R2+R3+R4+4R半固化片=

53.437 5 K/W

式中：R1、R3為銅板熱阻；R2、R4為絕緣層環(huán)氧板的熱阻。

經(jīng)計算，電源電路板單位面積(1 cm2)的熱阻為53.437 5 K/W。因此，若銅板厚度為2 mm，傳輸功率為500 W，溫升將為10 ℃。

3 MFSS的發(fā)展

MFSS是一種具有廣闊應(yīng)用前景的關(guān)鍵技術(shù)，并大量應(yīng)用于地面、艦載、機(jī)載等有源相控陣?yán)走_(dá)中，但是國內(nèi)該技術(shù)還未可靠地應(yīng)用于SAR天線中[3]。

在星載領(lǐng)域，MFSS的發(fā)展致力于驗(yàn)證該技術(shù)應(yīng)用于SAR系統(tǒng)的可行性，并通過相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證MFSS技術(shù)的優(yōu)越性。

在地面、艦載、機(jī)載等領(lǐng)域，伴隨著有源相控陣?yán)走_(dá)高性能、微型化、集成化的3大發(fā)展需求，必須開展MFSS天線系統(tǒng)的研究。圖7為典型未來MFSS天線系統(tǒng)圖，該系統(tǒng)由天線單元、多芯片模塊(含T/R組件)、柔性電路、多功能結(jié)構(gòu)等組成，形成完整的獨(dú)立性能的微系統(tǒng)，通過該設(shè)計擬達(dá)到以下目標(biāo)：

1)器件與熱防護(hù)、輻射防護(hù)和承載結(jié)構(gòu)一體化；

2)天線單元和承載結(jié)構(gòu)一體化；

3)消除天線陣面電纜及插座，減重25%，天線減薄50%。

圖7 典型MFSS天線系統(tǒng)圖

4 結(jié)束語

綜上所述，本文提出了MFSS的基本理念，其設(shè)計有先天優(yōu)勢，是結(jié)構(gòu)功能一體化技術(shù)突破的重要方向，是實(shí)現(xiàn)輕薄型有源相控陣?yán)走_(dá)的必然途徑。它是力學(xué)、電、熱、場功能一體化復(fù)合結(jié)構(gòu)的典型代表，也是電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要趨勢。同時淘汰了電纜和連接器，實(shí)現(xiàn)了模塊化，支持大量生產(chǎn)和裝配，因此大大降低了壽命周期成本，提高了穩(wěn)定性和可靠性。

[1] 蘇力爭, 鐘劍鋒, 張建增, 等. S波段八通道數(shù)字T/R組件研究與設(shè)計[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2013, 35(9): 66-68, 72.

[2] 蘇力爭, 鐘劍鋒, 唐寶富, 等. 高效熱擴(kuò)展技術(shù)在干式T/R組件散熱中的對比研究[J]. 電子機(jī)械工程, 2014, 30(1): 7-10, 18.

[3] 劉文怡, 李正岱, 張文棟, 等. 多功能結(jié)構(gòu)在航天設(shè)備中的優(yōu)化應(yīng)用[J]. 火力與指揮控制, 2010, 35(3): 117-121.

[4] LIU S, ZHANG B M. Experimental research on heat transfer in a novel multi-functional structure[J]. Journal of Astronautics, 2010(6): 1656-1660.

[5] 孫明琦, 程亮. 匯流條應(yīng)用設(shè)計[J]. 電子機(jī)械工程, 2012, 28(2): 45-48.

姚 曄(1968-)，女，高級工程師，主要從事有源陣面結(jié)構(gòu)研究工作。

鐘劍鋒(1967-)，男，研究員級高級工程師，主要從事T/R組件及有源陣面結(jié)構(gòu)研究工作。

High-density and Multi-functional Synthetic Network Layer Structure

YAO Ye1，ZHONG Jian-feng1,2

(1.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China；2.NationalKeyLaboratoryofAntennaandMicrowaveTechnology,Nanjing210039,China)

With the development of large-scale active phased array radar technology, the requirements for the integration of array functions and the lightening and thinning of array structures are becoming more and more strict. It is difficult to meet the needs of project development only relying on increasing the integration of discrete network modules. Therefore, a new concept of multi-functional synthetic network layer structure (MFSS)is proposed. In this paper the principle and composition of the synthetic network layer are introduced. It iselaborated that MFSS is the complex structure integrating machine, electric and heat. And several key issues are proposed which should be researched in the design process.

active phased array radar; structure design; multi-functional synthetic network layer structure (MFSS); microwave multilayer board; bus bar

2015-07-14

國防基礎(chǔ)科研重點(diǎn)項目(JCKY2013210B004)

TN958.92

A

1008-5300(2015)05-0031-04