盧 丹，付海燕，紀(jì)春國(guó)

（山東航天電子技術(shù)研究所 山東 煙臺(tái) 264003）

基于先進(jìn)工藝的低功耗小型化采編測(cè)控?cái)?shù)傳一體化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盧 丹，付海燕，紀(jì)春國(guó)

（山東航天電子技術(shù)研究所 山東 煙臺(tái) 264003）

本文針對(duì)飛行器執(zhí)行任務(wù)要求低功耗、小型化，采用了先進(jìn)的工藝設(shè)計(jì)方法，通過先進(jìn)工藝指導(dǎo)射頻、基帶模塊的設(shè)計(jì)，工程實(shí)現(xiàn)了低功耗、小型化采編測(cè)控?cái)?shù)傳一體化，解決了系統(tǒng)散熱、大功率器件的熱設(shè)計(jì)、射頻、基帶電路板的焊裝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工程實(shí)現(xiàn)中的難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗小型化，設(shè)計(jì)合理可行。

工藝；采編；測(cè)控；一體化

目前飛行器執(zhí)行任務(wù)的飛行時(shí)間越來越長(zhǎng)，這就需要對(duì)飛行器進(jìn)行測(cè)控、軌道機(jī)動(dòng)等一系列的控制，再加上飛行器需要低功耗、小型化設(shè)計(jì)［1］，本文提出了一種基于Xilinx低功耗FPGA XQ7A200T，對(duì)設(shè)備采用先進(jìn)工藝設(shè)計(jì)，在低功耗、小型化下實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)采集、編碼、組幀、遙控、測(cè)距、測(cè)速、數(shù)傳等功能［2］。

2 硬件設(shè)計(jì)

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 主要功能

功能如下：

1）接收地面發(fā)射的上行測(cè)量信號(hào)，對(duì)接收到的射頻信號(hào)放大、下變頻、解調(diào)、解擴(kuò)，在下行幀同步時(shí)刻提取測(cè)量信息；

2）采集多路模擬量，接收其他設(shè)備送來的數(shù)字量，并對(duì)數(shù)據(jù)做緩存處理；按設(shè)定的幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的編幀；

3）將遙測(cè)信息和測(cè)量信息進(jìn)行組幀、編碼、加擾、成型濾波、調(diào)制、上變頻、放大濾波后由天線向地面發(fā)送。

1.2 組 成

主要由電源變換模塊、射頻收/發(fā)模塊、基帶信號(hào)處理模塊3個(gè)模塊組成。

2.1 射頻通道設(shè)計(jì)

2.1.1 接收通道原理設(shè)計(jì)

天線送來的射頻輸入信號(hào)進(jìn)入接收通道，經(jīng)低噪聲放大單元濾波放大后進(jìn)行下變頻處理下變頻產(chǎn)生的中頻信號(hào)經(jīng)中頻濾波放大后送基帶信號(hào)處理模塊［3］。

2.1.2 發(fā)射通道原理設(shè)計(jì)

發(fā)射通道包括兩級(jí)上變頻、帶通濾波、前置信號(hào)放大器、四級(jí)功率放大、發(fā)射本振電路等部分［4］。

2.1.3 射頻通道工藝設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)射頻的小型化設(shè)計(jì)，射頻通道元器件選型上，采用微波芯片，整個(gè)通道由幾個(gè)芯片組成，芯片/電路采用二次封裝形式，采用氣密封裝、激光封焊的工藝；電路連接采用微組裝工藝，用金絲壓接方式進(jìn)行器件間連接，微帶與連接器的連接采用金帶鍵合的方式，消除機(jī)械應(yīng)力對(duì)微波性能的影響［5］。

2.2 基帶模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 基帶模塊原理設(shè)計(jì)

測(cè)控?cái)?shù)傳一體化設(shè)備基帶信號(hào)處理模塊功能框圖如圖1所示。

圖1 基帶信號(hào)處理模塊功能框圖Fig.1 The radicle takes a letter the number processing mold piece function frame diagram

基帶處理電路以一片F(xiàn)PGA為核心，外圍電路包括A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路，基帶信號(hào)處理FPGA程序配置及防單粒子翻轉(zhuǎn)配置刷新電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、上行擴(kuò)頻碼組與幀格式等配置電路、模擬遙測(cè)采集電路、數(shù)據(jù)加解密處理電路、數(shù)據(jù)輸入與數(shù)據(jù)輸入接口電路等。

2.2.2 基帶模塊工藝設(shè)計(jì)

1）熱設(shè)計(jì)

熱設(shè)計(jì)目標(biāo)是將元器件的熱耗有效的傳給設(shè)備底板和設(shè)備殼體，確保元器件的溫度在允許的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。采取的熱設(shè)計(jì)措施如下：①增強(qiáng)印制板的導(dǎo)熱

印制板制作選用了廣泛使用的環(huán)氧層壓玻璃布板。由于該類印制板熱導(dǎo)率較低，綜合考慮印制板布線和元器件熱設(shè)計(jì)的實(shí)際需求，在相應(yīng)的印制板上設(shè)置內(nèi)電層，內(nèi)電層中有一層大面積地層，銅箔厚度為35 μm。元器件可以通過管腳直接將大部分熱量傳導(dǎo)至內(nèi)電層，并通過內(nèi)電層散熱。

印制板內(nèi)層大面積覆銅導(dǎo)致焊接時(shí)散熱過快，焊點(diǎn)透錫不好，針對(duì)此問題，制定了專門的工藝方案，采用預(yù)熱印制板、大功率烙鐵焊接等工藝方法［6］。

接口模塊和基帶處理模塊在印制板邊緣設(shè)置不覆阻焊膜的銅層邊框，并在銅層邊框和設(shè)備殼體接觸處涂導(dǎo)熱脂，從而達(dá)到減小熱阻的目的。

射頻發(fā)射和接收模塊將印制板大面積與盒體底面直接接觸，用螺釘緊固連接，盡量提高盒體內(nèi)底面的機(jī)加工精度，表面鍍銀。

②增強(qiáng)元器件與印制板的導(dǎo)熱

在元器件和印制板之間填充導(dǎo)熱填料和覆設(shè)導(dǎo)熱銅層。如在元器件下方涂導(dǎo)熱脂、覆設(shè)延伸至印制板邊框?qū)徙~層。同時(shí)，對(duì)于熱功耗較大的元器件，不集中放置，盡量放在印制板邊緣或設(shè)備殼體上。

③機(jī)箱殼體的熱設(shè)計(jì)

為保證印制板模塊與機(jī)型殼體之間有良好的熱連接，在印制板邊框覆銅，并適當(dāng)涂抹導(dǎo)熱脂等導(dǎo)熱填料以增大接觸面積，減小熱阻。

設(shè)備中使用的熱功耗在300 mW以上的大功率元器件進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：

①電源模塊的熱設(shè)計(jì)

熱設(shè)計(jì)時(shí)將電源模塊安裝在機(jī)箱殼體上。同時(shí)，為了減小接觸熱阻，在DC/DC電源模塊和安裝面間涂導(dǎo)熱硅脂，以增加導(dǎo)熱接觸面積。

②A/D轉(zhuǎn)換器的熱設(shè)計(jì)

芯片下面設(shè)大面積地層，增強(qiáng)導(dǎo)熱，器件殼體與印制板間涂導(dǎo)熱硅脂使熱量傳導(dǎo)至印制板，印制板邊框與機(jī)殼間涂抹導(dǎo)熱硅膠減小導(dǎo)熱電阻。

③FPGA芯片的熱設(shè)計(jì)

將芯片放置在印制板邊緣靠近邊框處，頂部加散熱片，散熱片與印制板邊框相連，散熱片與芯片之間涂導(dǎo)熱硅脂。

④直流電源穩(wěn)壓芯片的熱設(shè)計(jì)

放置于印制板邊緣靠近邊框處，其外殼散熱片與鋁制邊框間加絕緣墊，且涂導(dǎo)熱硅脂。

⑤射頻接收與發(fā)射模塊大功耗元器件的熱設(shè)計(jì)

射頻收發(fā)通道電源變換電路使用的大熱耗濾波電感、功率變壓器采用銅卡及螺釘固定的雙重方式固定在機(jī)殼上，加大了散熱面積減小了熱傳導(dǎo)電阻。

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還遵循以下抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)的原則：

①提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，減少應(yīng)力集中。

②增大結(jié)構(gòu)阻尼

在印制板板面敷以彈性固封材料以增大結(jié)構(gòu)阻尼。

③印制板合理分板及元器件在印制板上合理布局

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的測(cè)控?cái)?shù)傳一體化設(shè)備方案采用先進(jìn)的工藝設(shè)計(jì)指導(dǎo)硬件電設(shè)計(jì)，通過在設(shè)計(jì)過程中就引入工藝設(shè)計(jì)，使得工藝、電設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，尤其在熱設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用先進(jìn)的工藝思想，使得設(shè)備可靠性、功能性滿足要求，設(shè)計(jì)方案合理可行。

［1］樊昌信，張甫翊，徐炳祥，等.通信原理［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001.

［2］胡廣書.數(shù)字信號(hào)處理理論、算法與實(shí)現(xiàn)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［3］蘇濤，何學(xué)輝，呂林夏.實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

［4］張欣.擴(kuò)頻通信數(shù)字基帶信號(hào)處理算法及其VLSI實(shí)現(xiàn)［M］北京：科學(xué)出版社，2004.

［5］王建平，張寶劍，王軍濤.通信原理［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［6］尚育如.航天工藝基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)教材［M］.北京.中國(guó)宇航出版社，2005.

Design and realization of the integral whole turns of adopt plait to control number low achievement and small scaled based on advanced craft

LU Dan，F(xiàn)U Hai-yan，JI Chun-guo
（Shandong Aerospace Electro-technology Institute，Yantai 264003，China）

This text aims at an aircraft performance the task ask low achievement to consume，small scaled method for turn，adopting the forerunner's technological design，pass the design that the advanced craft instruction radio frequency，radicle takes a mold piece，the engineering carried out low achievement consume，small scaled turn to adopt plait to measure to control number to spread integral whole to turn，solved the Han that the hot design，radio frequency and radicle of system heat elimination，big power spare part takes circuit board to pack，the structure design an etc.crux within engineering realization and carried out low achievement consume small scaled turn，design reasonable can go.

craft；adopt a plait；measure to control；the integral whole turns

TN92

A

1674－6236（2016）04-0062-02

2015-03-01 稿件編號(hào)：201503004

盧 丹（1980—），女，山東日照人，碩士，工程師。研究方向：航天電子產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用。