沈鵬 劉紅杰

（1 北京遙測技術研究所， 北京， 100094；2 航天東方紅衛(wèi)星有限公司， 北京， 100094）

文 摘： 運用標準化思想改變模式， 充分調研信道需求， 合理優(yōu)化設計， 將信道中通用部分提取出來， 最小化差異部分， 開展通用部分的標準化、 模塊化、 小型化、 貨架化工作， 做到驗證試驗等工作批量化、 前置化， 減少型號產品研產工作量、 縮短產品交付周期， 同時方便產品調試及返修， 提高產品可靠性。

隨著科技的進步， 在航天領域， 探測、 通信、 導航定位等應用不斷蓬勃發(fā)展。 以近年來呈井噴發(fā)展的小衛(wèi)星領域來說， 因具有周期短、 數量大等特點， 以往以型號為牽引， 一型號一設計， 多人圍繞一臺產品進行設計、 測試、 試驗的低效率生產模型已無法滿足小衛(wèi)星的生產及發(fā)展， 急需開創(chuàng)新的設計、 測試、 管理方法以提高效率。 而作為上述應用系統(tǒng)中數字信號的橋梁，無線收發(fā)系統(tǒng)擔負著收發(fā)信號及數模轉換的重要任務， 也同樣需要合理優(yōu)化、 開展創(chuàng)新， 以匹配新的生產模式。

信道作為無線收發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分， 對其引入通用化、 模塊化的思想， 結合當下技術發(fā)展成果， 從設計、 測試、 管理上對現行科研生產模式進行優(yōu)化， 以適應當前科研生產。

1 標準化思想簡述

標準化是指對重復性的事物和概念， 通過制訂、 發(fā)布和實施標準達到統(tǒng)一， 以獲得最佳秩序和社會效益。 模塊化是 “現代標準化” 的核心和前沿， 是標準化原理在信息時代應用上的發(fā)展。通用模塊通過采用高精度、 高一致性方法生產， 實現產品的大規(guī)模生產， 進而提高勞動生產率， 縮短設計周期， 降低生產成本； 對于故障模塊， 模塊化的設計可以實現快速更換， 簡化了產品維修。

本文通過將標準化思想應用于信道科研生產過程， 結合設計生產測試實際， 完成信道產品需求分析、 梳理和規(guī)劃， 以現有成熟高性能的超外差架構信道為基礎架構， 提取信道共性通用部分獨立開展生產、 測試、 試驗管理。

2 調研和需求分析

基帶信號需要進行處理后將頻譜搬移至高頻發(fā)射出去， 接收的信號也需將其頻譜從高頻搬移至低頻后進行處理以還原成基帶信號。 完成上述功能的電路最初是通過模擬電路實現的。 這種硬件實現導致靈活性不高， 調試難度大。 針對上述弊端， 上世紀90 年代出現了軟件無線電概念，希望構造一個開放性、 標準化、 模塊化的通用硬件平臺， 將傳統(tǒng)無線收發(fā)系統(tǒng)中模擬電路完成的各種功能在數字域用軟件實現。 其主要辦法是將數字/模擬轉換器、 模擬/數字轉換器 （D/A、 A/D，簡稱接口電路） 盡量向天線靠近。 這種方式靈活、 軟件可重構， 相對于硬件電路性能更優(yōu)， 但其射頻工作頻段受接口電路工作頻率帶寬的制約， 無法在很高的頻率應用。 本文涉及信道面向小衛(wèi)星應用， 其射頻頻率集中在X 頻段， 現有接口電路無法直接工作在該頻段。 因此， 結合接口電路的發(fā)展實際， 需合理選擇接口電路工作的中間頻率 （簡稱中頻）， 通過設計射頻前端信道進行頻譜上/下搬移以適應天線工作頻率， 實現發(fā)射和接收信號。

經過前期工作， 已研制成功了中繼用通用基帶平臺， 取得了一定的成果。 但相應配套信道部分仍依據 “高頻部分微組裝模塊、 中低頻部分表貼” 的思路設計， 高頻電路部分全部使用混合工藝集成在密封模塊內部， 靈活性和可靠性不高、難于調試、 返修不便、 尺寸偏大， 無法滿足去型號化、 通用化的要求。 因此亟待對產品進行上層統(tǒng)籌及分析梳理簡化。

經過對所需中繼信道進行調研， 根據基帶平臺的要求及可能的任務指標要求， 選取最大包絡， 確定帶寬、 信號功率、 接收信號功率范圍、噪聲系數、 自動增益控制 （AGC） 范圍、 雜散抑制等， 最終確定信道指標， 作為設計輸入。

3 結合標準化思想進行設計

3.1 信道框架設計改進

信道完成的核心功能是頻譜的搬移。 頻譜搬移需要將輸入信號及高頻單音載波信號 （本地振蕩器信號） 輸入混頻器以產生目標信號。 通過混頻器的非線性的作用， 輸出信號除了具有目標信號外還包含了大量的無用頻率分量， 將干擾有用信號、 降低信噪比， 導致系統(tǒng)性能下降。 因此需使用濾波器將有用信號選擇出來， 同時需放大器將信號放大以驅動混頻器及滿足信道后級工作需求。

從上面的分析可知， 信道核心元器件為產生本振信號的頻率源、 混頻器、 濾波器、 放大器，同時因無線信號傳輸環(huán)境及天線指向等原因影響， 接收信號功率變化較大， 為降低對接收系統(tǒng)A/D 要求， 接收信道需設置自動增益控制電路（AGC） 以保證進入A/D 的信號電平保持在其最佳范圍內。 本文討論的信道使用可控衰減器 （數字控制、 電壓控制） 以滿足信道增益可調， 數字或模擬電壓控制根據接收基帶平臺不同而變化。

通過巧妙地設計反饋、 匹配電路等手段， 現有射頻器件如混頻器、 放大器、 可控衰減器已經可以在整個X 頻段以內提供良好的性能， 這為通用模塊的實現打下了良好的基礎； 因片上電容電感制作的限制， 在合適的中頻頻段內， 可選擇寬帶內匹配混合工藝表貼放大器作為通用采購模塊。 另一方面， 不同任務需要的具體工作頻段不同， 同時由于超外差架構的特點， 頻率源及濾波器需根據任務不同進行變化， 因此作為專用部分。 根據任務要求， 頻率源可以選擇外單位已有的混合工藝小型化集成頻率源貨架產品； 濾波器可選擇貨架模塊產品或印制板自行設計。

下面敘述信道鏈路具體設計改進。 原有混合集成信道鏈路框圖如圖1 和圖2 所示 （虛線框為MMIC 芯片及表貼器件混合封裝）， 實現思路為高頻部分微組裝模塊、 中低頻部分表貼。

從圖1 和圖2 可以發(fā)現， 原設計表貼器件過多， 導致產品體積較大； 濾波器隨高頻放大器混頻器一同封裝在一體化封裝模塊中， 一型號一頻段， 導致濾波器需要重新設計更換， 相應的模塊也需隨之變化， 需重新設計生產測試試驗后方能裝機， 同時批量小， 一體化封裝模塊的人力投入產出比??； 濾波器封裝在模塊內部， 當需調試時， 極易因操作不當損壞附近高價值MMIC 芯片， 造成物料成本上升。 經改進， 調整鏈路如圖3 和圖4 所示 （虛線框為MMIC 芯片的LTCC 基板封裝CQFN）。

圖1 原發(fā)射信道設計

圖2 原接收信道設計

圖3 改進后發(fā)射信道設計

圖4 改進后接收信道設計

發(fā)射信道主要進行了以下2 點改動：

a） 將濾波器放在封裝模塊外部。 貫徹通用模塊的概念， 該修改利于重復生產及調試。 需注意采用高三階交調點 （高輸出1dB 壓縮點） 的放大器， 減少射頻驅動放大器非線性影響， 減輕濾波器位置調整導致的信號畸變。

b） 將中頻放大器MMIC 集成進通用模塊中，減少通用模塊數量。 需注意采用寬帶MMIC 芯片滿足潛在工作頻帶需求。

接收信道主要進行了以下5 點改動：

a） 將濾波器放在封裝模塊外部。 貫徹通用模塊的概念， 該修改利于重復生產及調試。

b） 信道首級低噪聲放大器獨立封裝為一個模塊。 需注意， 為保證信道噪聲系數的要求， 必須將低噪放盡量靠近天線。 建議選擇GaN 產品，若選用GaAs 產品， 需選配限幅器， 防止大信號輸入時器件燒毀。

c） 射頻二級低噪聲放大器與混頻器封裝為一個模塊。 需注意混頻器芯片選用輸入端口集成低通濾波器的芯片， 可先行抑制本振等高頻雜散信號強度， 將其降至有用中頻信號強度以下， 防止中頻電路發(fā)生大信號阻塞情況。

d） 中頻電路統(tǒng)一采用1dB 壓縮點高的表貼放大器。 該修改在有限提高電路功耗的前提下減少物料種類， 且有效控制中頻放大器的非線性導致的信號畸變， 使改進的中頻鏈路可以先放大再可控衰減及濾波， 增加了通用小型化模塊的種類， 利于產品小型化。

e） 選用寬調諧范圍的模擬/數控衰減器， 滿足AGC 調諧范圍要求， 并同低通濾波器芯片集成封裝。

3.2 工藝實現改進設計

信道設計完成后， 需選取合適的實現工藝以優(yōu)化生產流程， 簡化生產調試及可能的返修工作。 原設計將高頻電路部分全部使用混合工藝集成在密封模塊內部， 模塊中除芯片粘接及金絲互聯等芯片工藝外也包括使用烙鐵執(zhí)行的器件焊接工藝， 芯片與阻容感器件混合裝配集成， 模塊的返修復雜， 極易損壞附近完好器件。 因此， 將需調試焊接器件與高價值芯片器件分開， 芯片工藝及器件焊接工藝分開， 盡量選用砷化鎵單片微波集成電路 （GaAs MMIC） 以滿足信道通用部分的高一致性， 封裝上選用低溫共燒陶瓷 （LTCC）基板表貼封裝。 MMIC 的制程工藝精度在亞微米級別， 對于射頻集成電路的管芯及阻容感集成器件的制作精度已足夠， 各批次經在片測試性能一致性很好； LTCC 基板制作精度在亞毫米級別，該精度已能保證制作線寬阻抗穩(wěn)定， 對阻抗不匹配導致的信號反射能量損失可控在百分之幾內。使用LTCC 封裝及芯片粘接、 金絲鍵合連接工藝， 封帽保護， 可同時實現芯片及器件工藝分離及小型化、 安裝焊接工藝兼容， 操作簡單， 更換維修方便。 性能保證了高一致性、 小型化、 輕量集成。

最終信道產品使用成熟的射頻印制板表貼工藝， 將上述封裝好的模塊及型號專用器件焊接在設計好的射頻印制板上， 最終連接形成整個產品。 需根據型號設計的專用部分僅為濾波器及頻率源。 且通過小型化設計， 信道產品尺寸進一步減小， 使其與基帶的共板集成設計成為可能， 在使用現有成熟工藝情況下， 進一步縮小產品尺寸， 并保留足夠的靈活性。

3.3 測試試驗和包絡分析

通過上述規(guī)劃， 產品可作為標準化、 通用化的LTCC 封裝模塊單獨管理。 管理方案可參照已有微組裝管理方法， 完成各工藝、 測試、 試驗文件的編寫工作及測試夾具的設計生產。 關于通用模塊的試驗可以參考GJB 548 《微電子器件試驗方法和程序》 執(zhí)行。 通過信道鏈路框圖可以發(fā)現， 信道大部分均使用通用模塊實現， 因此可依據實際情況修訂通用模塊試驗等文件， 達到試驗驗證工作前置， 減輕最終產品相關工作的壓力。 MMIC 芯片經100%在片測試合格后， 開展芯片粘接及金絲互聯工作，之后開展后續(xù)測試試驗工作。 未封帽狀態(tài)模塊需按照相關文件嚴格執(zhí)行測試及振動、 老煉、 高低溫等環(huán)境試驗， 層層篩選， 最終進行封帽及性能終測。所有階段測試數據需記錄全面詳盡真實， 通過數據樣本積累， 開展統(tǒng)計分析、 包絡分析， 結合工藝參數及工藝操作的離散性開展分析， 畫出有效包絡，支撐模塊的篩選， 剔除異常模塊。

因芯片集成度高， 異常模塊返修排故需芯片探針以定位故障芯片， 成本較高。 根據先前經驗， 芯片損壞絕大部分為測試使用不當及靜電損傷， 上電正常模塊占絕對比例。 在處理產品時需嚴格執(zhí)行相關防靜電要求及多余物防控要求， 測試異常模塊返修故障定位目前可通過40 倍顯微鏡檢查輔助排查返修。 后續(xù)是否引進芯片探針需綜合考慮探針成本、 模塊損壞概率及報廢成本計算費效比以決定是否采購。

各型號信道產品依據各自型號要求開展管理。 綜合考慮通用模塊執(zhí)行的相關工作， 確定各型號信道產品需執(zhí)行的相關驗證工作， 減少重復試驗驗證所造成的浪費情況。 通過選用通用模塊與專用頻率源及濾波器等產品的組合， 表貼安裝并總裝形成信道產品， 開始最終產品的性能測試、 調試及試驗。 測試試驗按照編制的測試細則等執(zhí)行直至最終驗收交付。

3.4 自動化測試方法

通用模塊的批量生產將使其測試工作壓力上升。 但批量生產的特點也使得自動化測試成為可能。 自動化測試設備由測試儀器（電源、 矢量網絡分析儀或信號源頻譜儀等）、 控制計算機及測試線纜組成。 控制計算機通過RS232/GPIB/USB/LAN 等接口向測試儀器發(fā)送SCPI 標準控制命令及參數來控制測試儀器。 通過使用C/LabVIEW 等語言， 并根據上述4 種產品所需測試的指標進行編程， 自動測試并記錄相關結果， 提高測試人員效率。

本文對航天高密度發(fā)射新常態(tài)下信道的標準化工作進行了探討， 對小衛(wèi)星信道進行了梳理和歸納， 采用軟件無線電思想， 基于現有基帶平臺及成熟工藝， 應用標準化思想對信道進行分解重構， 抽取通用部分， 單獨管理、 工作前置， 模塊通用化、貨架化， 根據各型號要求從貨架中選取合適模塊“搭積木” 并完成剩余設計， 避免重復性工作， 提高了效率， 縮短了信道研產周期， 易于調試及維修， 提高了產品的可靠性， 具有現實意義。