典型微波組件實施方案

1、I典型微波組件實施方案目 次1 范圍12 引用文件13 術(shù)語和定義14 概述14.1 任務(wù)來源和設(shè)計依據(jù)14.2 用途和功能24.3 需求分析和特點35 組成36 性能特性46.1 性能指標(biāo)46.2 環(huán)境適應(yīng)性46.3 可靠性46.4 維修性46.5 測試性46.6 電磁兼容性46.7 接口56.8 能耗67 設(shè)計67.1 混頻濾波組件67.1.1 電路原理67.1.2 電路結(jié)構(gòu)67.2 開關(guān)濾波組件87.2.1 電路原理87.2.2 電路結(jié)構(gòu)97.3 可靠性和環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計 117.4 不同方案的比較 118 貫徹“三化”要求采取的措施 119 計劃進(jìn)度 11 1典型微波組件實施方案1范圍本

2、文件為典型微波組件：混頻濾波組件和開關(guān)濾波組件的組成、性能指標(biāo)、設(shè)計制造中的關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑等實施方案。本文件適用于典型微波組件的設(shè)計制造。2引用文件下列文件中的有關(guān)條款通過引用而成為本文件的條款。凡注日期或版次的引用文件，其后的任何修改單（不包括勘誤的內(nèi)容）或修訂版本都不適用于本文件，但提倡使用本文件的各方探討其使用最新版本的可能性。凡不注日期或版次的引用文件，其最新版本適用于本文件。SJ20527A-2003 微波組件設(shè)計規(guī)范 3術(shù)語和定義略。4概述4.1任務(wù)來源和設(shè)計依據(jù)為了減少微波分機(jī)體積，縮簡研制周期，規(guī)范設(shè)計流程，特別對微波系統(tǒng)中常用的混頻濾波和開關(guān)濾波，這兩種基本架構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)

3、計和規(guī)范，設(shè)計著重于結(jié)構(gòu)外觀的通用和標(biāo)準(zhǔn)，在具體的微波電路上，以此前常用的頻段為示范，特別適用于 8GHz 以下頻率。更高的頻率由于要改換濾波器而不適用，而且高頻器件往往體積很小，對空間的需求較低，雜散和串?dāng)_也更為嚴(yán)重，在此不予考慮。2典型微波組件方案組件的結(jié)構(gòu)要適用于 CPCI 插盒安裝，一切 CPCI 規(guī)范中的要求，如小型化、散熱情況、電源、電磁兼容等都應(yīng)該予以考慮。特別在設(shè)計中參考了國內(nèi)外其它公司的成熟組件，如美國 General Microwave 公司的開關(guān)矩陣和接收機(jī)開關(guān)模塊，開關(guān)隔離度高而體積小巧，其機(jī)載多功能模塊大量采用了大量集成芯片，包括 2 片數(shù)控衰減器、7 只放大器、1

4、個功分器、2 個開關(guān)、3個耦合器、6 個溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、1 個壓控衰減器和 16 片高速 PIN 驅(qū)動，而大小僅 8916518mm3，這些芯片都是該公司其它模塊中常用的，可見我們首先要構(gòu)筑一套基本器件組成庫，優(yōu)化選用，避免一些生僻芯片的使用影響進(jìn)度，使設(shè)計目標(biāo)難以預(yù)知。此外，美國 MITEQ 公司的產(chǎn)品也很值得參考，該公司的組件集成度往往不如前一公司，但是類型更為多樣，使用空間更為廣泛，如三段下變頻組件、微波傳輸組件、射頻分路模塊、開關(guān)放大組件等，而且各種組件都已形成系列，一般可以提供覆蓋 0.5GHz18GHz 頻率的產(chǎn)品。相對于我部而言，類似的產(chǎn)品更有借鑒意義，因為我們的產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)周期

5、往往有限，不可能設(shè)計那些功能大而全的組件，應(yīng)該事先設(shè)計好幾種標(biāo)準(zhǔn)的、通用性的模塊，如混頻濾波組件、開關(guān)濾波組件、功分放大組件、時鐘產(chǎn)生組件和倍頻鏈這幾種模塊就頗為常用，可以事先在結(jié)構(gòu)上予以定型，這樣對建模和歸檔都十分有利，可以預(yù)見，這樣大量具有典型功能的模塊必將大大加快項目的進(jìn)程。當(dāng)然，模塊的選擇決不能泛濫，下面主要以混頻濾波組件和開關(guān)濾波組件為例探討一二。4.2用途和功能幾乎所有的產(chǎn)品都需要進(jìn)行混頻，所以混頻濾波組件對于產(chǎn)品是典型而且必須的，對組件的要求是濾波特性要好，還要做好端口的隔離，為適應(yīng)CPCI 機(jī)箱甚至機(jī)載的場合，電源選擇不能過多，考慮到散熱的需求，電流也不能過大，最關(guān)鍵的是體積決

6、不能大。開關(guān)濾波組件也是如此。目前，外購開關(guān)價格很高，濾波器的價格則相對較低，最早設(shè)計的開關(guān)濾波組件反而是外購開關(guān)，自制濾波器，設(shè)計完成后往往發(fā)生串?dāng)_，帶內(nèi)也極不平坦；再后來兩者均為自制，但是有限的人力使得帶內(nèi)平坦度還是很難保證；目前的做法是自制開關(guān)而外購濾波器，這樣，雖然體積縮小有限，但是成本大為降低，控制和接線也大大減少，方便了在系統(tǒng)尤其是小型化設(shè)備中的使用。3典型微波組件方案4.3需求分析和特點針對 CPCI 規(guī)范的要求以及機(jī)載等苛刻條件的限制，幾種組件無論在外形還是在內(nèi)部都有極大的限制，應(yīng)合理規(guī)范才能確確實實的作為典型組件使用，才能滿足“三化”的要求，設(shè)計指導(dǎo)思想如下：a)采用成熟的和

7、有繼承性的技術(shù)、器件，需要完成與組件配套的芯片的選型，避免使用冷僻的器件；b)采用模塊化設(shè)計、全數(shù)字化控制，以保證組件具有非常強(qiáng)的可靠性、可測性和可維護(hù)性；c)結(jié)構(gòu)合理設(shè)計、合理布局，做到美觀與實用相結(jié)合，尤其還應(yīng)該考慮到系統(tǒng)中散熱、電磁兼容等的需求；d)充分滿足現(xiàn)有需要，增強(qiáng)通用性、可擴(kuò)展性，這樣的典型組件應(yīng)該能形成系列，在不同使用情況下，更換部分芯片就能使用于新的產(chǎn)品中。5組成“三化”規(guī)劃中有基帶變頻這一分機(jī)，將 50MHz450MHz 信號上變頻，輸入功率范圍-10dBm-20dBm，中間先變頻到 550MHz950MHz，再第二次變頻輸出信號 2GHz4GHz，功率范圍-5dBm+5d

8、Bm，平坦度同輸入基帶信號，雜散惡化小于 3dB，原理如下。 1.0GHz 2 4GHz LO 2.75GHz-4.75GHz 2.0-2.6GHz S P 5 T 2.2-3.0GHz 2.6-3.4GHz 3.0-3.8GHz 3.4-4.0GHz S P 5 T 0.55-0.95GHz 濾波放大 0.05-0.45GHz 圖 1基帶變頻電路以往使用分立元器件，僅放大器就需要五個，每一個體積為432415mm3，總計近 20 個元器件，接頭和電纜也多，須兩個 350260 4典型微波組件方案mm2的 8N 插盒，占用了大量空間，成本高昂且接線繁瑣，降低了可靠性。現(xiàn)在電路采用兩個混頻濾波組

9、件和一個開關(guān)濾波組件后，只需要一個233.3516040.64 mm3（8HP）的 CPCI 規(guī)范的插盒就能安置。6性能特性6.1性能指標(biāo)a)輸入基帶信號：50MHz450MHz，功率范圍-10dBm-20dBm；b)輸出基帶信號：2GHz4GHz，功率范圍-5dBm+5dBm，平坦度同輸入基帶信號，雜散惡化小于 3dB；c)接口：SMA； 6.2環(huán)境適應(yīng)性在電訊設(shè)計時，元器件選型嚴(yán)格按軍標(biāo)要求，進(jìn)口元器件選用 MIL-883以上等級元器件。國內(nèi)元器件按國軍標(biāo)要求，以提高可靠性與環(huán)境適應(yīng)性。a)工作溫度：-40+55；b)存儲溫度：-50+65；c)相對濕度：098%（+25）； d)保護(hù)：抗

10、震動、防潮濕、防霉菌、防鹽霧、防風(fēng)等措施； 6.3可靠性略。6.4維修性組件采用模塊化設(shè)計思路，獨立可更換，信號接口簡單、功能明確，便于維修，當(dāng)器件損壞時，可立即更換備件?？删S護(hù)性：MTTR0.5h。6.5測試性組件接口簡單，容易自測。6.6電磁兼容性本分系統(tǒng)具有良好的電磁兼容性能，能夠適應(yīng)各種訓(xùn)練試驗的電磁環(huán)境。電磁兼容設(shè)計按 GJB151A-97軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射的敏感性要求 、GJB152A-97軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射的敏感性測試的有關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計。5典型微波組件方案電磁兼容性設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的一個非常重要的問題，如果在設(shè)計研制階段不重視，設(shè)備就無法正常工作。為了達(dá)到較好電磁兼容性

11、，要從設(shè)計上就重視，提高各模塊的抗干擾性能，減少電磁輻射，具體步驟如下：a)在電路設(shè)計中，充分利用濾波、接地、屏蔽以及合理布線等設(shè)計技術(shù)，以改善電磁兼容性；b)克服公共地阻抗耦合干擾，此種干擾是由不同的電路或組件，所用電源要經(jīng)過一段公共地線構(gòu)成回路而產(chǎn)生的，在設(shè)計中要考慮地線的有效性，嚴(yán)格保證地線的焊接質(zhì)量，通過多點接地等措施減小、消除公共地阻抗耦合干擾造成的影響；c)所用組件，結(jié)構(gòu)件采用導(dǎo)電氧極化表面處理技術(shù)，保證密封良好、接地良好；d)所用器件都經(jīng)過充分的環(huán)境實驗及篩選，保證產(chǎn)品的可靠性及質(zhì)量。6.7接口接口如下表：表 1混頻濾波組件 1 接口模塊信號接口形式備注輸入 1GHz 本振SMA

12、-K功率-15+5dBm輸入信號 50450MHzSMA-K功率-10-20dBm輸出信號 550950MHzSMA-K功率-100dBm混頻濾波組件 1電源PDS90+12V表 2混頻濾波組件 2 接口模塊信號接口形式備注輸入 2.754.75GHz 本振SMA-K功率-10+5dBm輸入信號 550950MHzSMA-K功率-100dBm輸出信號 24GHzSMA-K功率-5+5dBm混頻濾波組件 2電源PDS90+12V表 3開關(guān)濾波組件接口模塊信號接口形式備注開關(guān)濾波組件輸出信號 24GHzSMA-K功率-5+5dBm6典型微波組件方案輸出信號 24GHzSMA-K功率-15-5dBm

13、電源PDS905V6.8能耗能耗：均小于 10W。7設(shè)計7.1混頻濾波組件7.1.1電路原理典型電路組成原理如圖所示，需要兩個組件才能實現(xiàn)。圖 2典型組成原理7.1.2電路結(jié)構(gòu)現(xiàn)在設(shè)計的電路實際上是以往使用過的類似電路的總結(jié)，最早使用的混頻濾波組件均為長方形，一般經(jīng)過放大混頻濾波放大后輸出，這樣總長超過 160mm，寬度不超過 33mm，且加電端子總多，三個側(cè)面都有輸出，安裝極為不便，很快就舍棄了這種設(shè)計。后來的設(shè)計大大提高了集成度，某混頻濾波組件原理如下：圖 3某混頻濾波組件原理 該組件結(jié)構(gòu)設(shè)計非常困難，主要是應(yīng)用了大量嵌入式的模塊，如采用了三個去掉可拆卸接頭的 MITEQ 的混頻器；兩個自

14、制高頻放大模塊；兩個自制平行耦合線濾波器；一個自制的懸置微帶濾波器。不僅如此，高頻和低頻部分也有所不同，高頻采用標(biāo)準(zhǔn) 3mm3mm 走線槽，低頻部分采用普通微帶板，LO 13GHz +10dBmLO 12GHz +10dBmIF 2.25-4.25GHz 0dBmRFFilter1Filter2Filter3LPF7典型微波組件方案蓋板有三塊。雖然尺寸不大，為 164mm97mm15mm，且只有一面，但是圖紙還是使用了 A1 幅面，尺寸標(biāo)注數(shù)千項，設(shè)計用時一個半月。由于標(biāo)注復(fù)雜，嵌入的模塊高度不一，加工條件有限，殼體多次返工，加之項目末期有設(shè)計更改，最后用時比 SP5T 開關(guān)濾波組件還多。 圖

15、 4 某混頻濾波組件結(jié)構(gòu)圖這種結(jié)構(gòu)的出發(fā)點是好的，但是以我們目前的實際條件，不僅設(shè)計加工困難，調(diào)試也極為不便，加之接頭很多，難以安裝，不便于擴(kuò)展使用，不具備繼承性，所以當(dāng)時在總裝聯(lián)調(diào)時就有多個類似結(jié)構(gòu)被還原成分立元件電路，新的結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮到了上述優(yōu)缺點，實際尺寸的結(jié)構(gòu)如下：8典型微波組件方案圖 5典型混頻濾波組件結(jié)構(gòu)圖圖中 A 區(qū)為射頻輸入放大器和混頻器，輸入電平過大時，可以僅安置衰減網(wǎng)絡(luò)而不添加放大器，完全比例的電路圖如圖 6 所示；B 區(qū)為本振輸入放大器，如果本振太小，可以使用兩級放大以保證混頻器驅(qū)動功率；C 區(qū)為濾波器，長寬不宜超過 4013mm2，如合肥博侖的 C1B 型濾波器結(jié)構(gòu)；D

16、 區(qū)為放大器，有需要時可以增至兩級放大，也可以放置小于 4017mm2的濾波器構(gòu)成兩級濾波。該電路的特點是：a)結(jié)構(gòu)簡單便于安裝：大小為 606015mm3，所有接頭都在同一側(cè)面；設(shè)計有兩對不同的安裝孔，其中兩個通孔可以疊放，兩個螺孔用來貼底面安裝；只用了一個加電端子且放置在接頭側(cè)面，從底面通孔加電；上下面都有 1mm 厚鋁面板，氣密性好；接頭居于中線，正反安裝都不須另加墊塊。b)電路典型宜于擴(kuò)展使用。在 8GHz 以下，所有器件均是常用器件，電路的性能可以預(yù)估；除了圖 2 所示的典型電路以外，幾乎通用于其它任何混頻電路；該電路對外均是放大器，能很好的與外界元器件隔離，提高了組件的實用性。9典

17、型微波組件方案c)結(jié)構(gòu)宜于擴(kuò)展。目前的分立元件構(gòu)成的功分器特別是 1GHz 以上頻率，需要外購功分器，隔離度有限，往往需要用隔離器、放大器或濾波器作為隔離，所設(shè)計的典型混頻濾波結(jié)構(gòu)只需要稍微更改 A 區(qū)和 B 區(qū)的電路就可實現(xiàn)。圖 6放大濾波電路圖7.2開關(guān)濾波組件7.2.1電路原理 2 4GHz 2.0-2.6GHz S P 5 T 2.2-3.0GHz 2.6-3.4GHz 3.0-3.8GHz 3.4-4.0GHz S P 5 T 圖 7典型開關(guān)濾波電路7.2.2電路結(jié)構(gòu)開關(guān)濾波組件是一成熟的類型，國外如 MITEQ 公司有成系列的產(chǎn)品，我部產(chǎn)品中也多次使用，歷年來設(shè)計制造的類似組件上十

18、種，在不同產(chǎn)品中發(fā)揮了巨大的作用。其中設(shè)計難度最高為一個頻率高達(dá) 18GHz 的開關(guān)濾波組件，背面走線，原理如下：圖 8某開關(guān)濾波組件原理圖Filter 1Filter 2Filter 3Filter 4Filter 5SP5TSP5T10典型微波組件方案該組件采用自制的平行耦合線濾波器，第一次試制結(jié)構(gòu)如圖 9，尺寸為142mm76mm15mm，銅鍍金，一個月后完成調(diào)試，基本滿足指標(biāo)。除了加工問題，為了保證抑制，還使用了約 200 個螺釘，致使調(diào)試非常麻煩；在指標(biāo)上，自制的濾波器高端損耗很大導(dǎo)致全頻帶內(nèi)平坦度較差；此外，在焊臺上點焊 SP5T 過程中發(fā)現(xiàn)組件尺寸過大，影響了組裝進(jìn)度。圖 9開關(guān)

19、濾波組件結(jié)構(gòu)圖為了便于組裝調(diào)試，同時也易于檢測和維護(hù)，正式件（四個）投產(chǎn)時將SP5T 單獨設(shè)計（包括壓塊等一系列附件），如圖 9。設(shè)計僅一周，一個月后到貨，再一個月完成所有安裝調(diào)試并交付。圖 10SP5T 開關(guān)模塊上述電路的設(shè)計達(dá)到了預(yù)期的效果，但是雖然我們能自制各種頻率、各種類型的開關(guān)，仍無法滿足過多的需求，更無法形成大批量。且受工藝和加工周期的限制，不建議使用五路以上開關(guān)，實際應(yīng)用時，五路以上開關(guān)可以分兩級或更多級制作，便于功率配平和雜散等指標(biāo)的調(diào)試。開關(guān)應(yīng)統(tǒng)一采用嵌入式的模塊，正著手將該類模塊從調(diào)制器到 SP5T 予以定型，便于嵌入組件。 11典型微波組件方案以前也曾嘗試將外購的開關(guān)去除接頭嵌入組件，使用的頻率一般為 4GHz以下，但大多仍然失敗了。這種結(jié)構(gòu)的組件安裝不易，焊線也困難，開關(guān)信號分路后放在同一塊印制板上極易形成串?dāng)_，導(dǎo)致雜散