宽带高速电台的低功耗小型化设计与研究﹡

彭 麟， 宋 滔

（中国电子科技集团公司第30研究所，四川 成都 610041）

0 引言

现在战争对无线电台的需求已由传统的模拟话音电台转向移动的高速数据传输的宽带高速电台(以下简称“宽带电台”)[1]。为了适应信息化对通信容量、组网能力等的更高要求，必须解决电台小型化、扩展频段，提高电台的信息速率。但通常情况下，宽带应用意味着需要更大的体积、重量和功耗来实现，缩小体积、减轻重量、降低功率消耗、提高可靠性和提高战场使用环境的适应能力是战术电台不断发展的方向。其中以缩小体积、减轻重量、降低功率消耗为标志的小型化尤为重要。它一直是电台产品研究的课题，在移动背负式等应用中，小型化问题尤其突出[2]。

SWAP（Size Weight and Power dissipation）是电台用户始终关注的问题。在实际应用中，电台必须长时间携带使用，甚至有时在炎热的环境气候下长期使用。供电的容量及电台设备功耗将直接影响执行任务的时间安排，在应急情况下，必须考虑携带一个备份充电器或者另一个大容量的电池，以保障执行重要任务的有效完成。因此，小型化设计需要从系统结构和电源管理全面规划，从对器件的低功耗特性及其端口控制特性等细节处进行把握。

1 主要性能要求

宽带电台要满足优于常规电台的SWAP的情况下，首要的还是必须满足宽带电台的关键性能参数，它是直接影响用户的使用效果和要求的指标。这与SWAP的实现存在一定的冲突，因此在实现指标性能的前提下，需要对SWAP进行一定的平衡取舍。其首先需要保障宽带电台的要求包含如下：在给定的用户工作频率范围内的数据速率、发射功率、接收灵敏度、抑制共址的能力、环境适应性及电磁兼容等基本要求。

1.1 电源功耗控制设计

为满足低功耗化应用，电源需要一个全新的设计理念。它为功放提供一个可变的漏极控制电压，同时根据电源消耗情况、过热保护监测、天线驻波比监测、工作模式状态、波形特点等进行动态配置调整[3]。

由于低噪声替代方案的线性稳压器效率过低，高电压高功率下将耗散过多的热量，因此采用高效的开关模式电源来解决，同时必须在电源解决方案中增设电磁干扰（EMI，Electro Magnetic Interference）屏蔽，在金属外壳内包含一个EMI场，采取优良的PCB布局方案，解决由此带来的EMI抑制问题，在尺寸、输出功率、效率和EMI辐射之间实现平衡。EMI符合性是电台设计的一项必然要求。

对于不同频段的功放漏极电压，采用独立的初级电感单端变换器 (SEPIC，Single-ended Primary Inductance Converter)，分别进行优化，较好地实现软开关功能，并降低了功率开关管的损耗。SEPIC的电源拓扑示意图如图1所示。

图1 SEPIC拓扑结构

1.2 结构设计

结构设计得益于以往很多前期的项目设计教训，为满足在指定空间下的电路功能、热耗散及EMI性能的实现，需要克服很多困难。宽带电台主体结构由前面板与腔体组成，腔体又分为相对密闭的上腔、下腔，这种结构形式具有良好的屏蔽作用，实现了数字电路和模拟电路屏蔽隔离，干扰电路与被干扰电路的屏蔽隔离。同时，也与前面板电路完全隔离。

在内部电路板上，对于来自射频的时钟电路、开关电源以及高速数据信号线相互进行了可靠的屏蔽隔离。将温度传感器安装在功放板上进行热耗散监控，通过仿真建模和实际测试，当对应的温度检测超过 100℃时，对功放功率进行回退控制。当环境温度为 25℃时，即可维持结构外壳温度不超过75℃，满足环境适应性的设计应用要求。

1.3 电调滤波器设计

在宽带电台中，需要切换天线模式和切换不同滤波频率的滤波器，但是通常设计中，往往没有连续的调谐范围，体积也比较大，所以一个有着宽带电压调谐频段以及频率捷变元件的滤波器来替代一组固定滤波器来减小电台体积显得尤为重要。跳频电调滤波器作为接收机的关键技术的实现，大大地缩小了宽带电台收发信机的体积，同时也保障了技术特性满足指标要求。图2是跳频电调滤波器原理示意图[4]。

图2 电调部件示意

2 相关技术应用

2.1 FPGA 技术趋势

FPGA的发展趋势，对基带设计的成本、体积的控制有显著的意义。FPGA每2～3年就实现一次同样体积双倍资源和能力，是摩尔定律的最佳体现。

FPGA的发展主要得益于制造工艺的进步，从130纳米到65纳米，再到45纳米，如今28纳米的FPGA产品也出现了。Virtex-7和Artix-7及Kintex-7是目前 Xilinx公司出品的最新基于 28 nm技术的FPGA产品，目标定位是正是应用于电信、雷达、卫星通信等高速信号处理。

这种工艺发展带来的好处是：体积更小、功耗更低、单位资源更便宜，异构处理器的容纳能力更强。这种工艺国内已经比较成熟[5]。

Altera也将采用Intel 14 nm三栅极晶体管技术制造下一代 FPGA。这些产品主要面向军事、固网通信、云网络，将突破“目前其他技术无法解决的性能和功效瓶颈问题”。

2.2 组装工艺

刚挠印制板（Rigid-Flex Printed Board），又称为刚柔结合板，它指一块印刷电路板上包含一个或多个刚性区和柔性区，由刚性板和柔性板层压在一起组成。刚挠性结合板可以向三维空间扩展，提高了电路设计和机械结构设计的自由度。刚挠结合工艺的发展，改变原来生产多个单板，然后通过连接线缆连接的装配形式。宽带电台采用先进的刚柔性连接工艺，将前面板的多个单板和连接线一次生产，既提高连接可靠性，又能显著降低成本（至少节省多次开模费用），节约时间，简化整机组装工艺，刚柔印制板示意图如图3所示。

图3 刚柔印制板

3 技术发展展望

3.1 基带技术演进

采用65纳米工艺甚至更高工艺的FPGA，有足够能力一体化实现UHF、Link 16等基带应用设计，可用FPGA内嵌双核power PC去取代原DSP(Digital Signal Processor)和 GPP(General Purpose Processor)，未来的目标是集成更多的硬件、固件。

对于基带应用的不同实现架构的专题研究需要关注及跟踪以下三种架构：采用内嵌双核 PPC的FPGA架构；内置双核处理器、存贮器的Package-on-Package (POP) 的芯片架构；保留FPGA做纯处理器件的架构。

3.2 印制板工艺

器件内嵌工艺的发展，使得PCB板层内嵌无源器件（如电阻、电容）已经成为现实，这种工艺的发展，必将大大减小PCB板的尺寸，提高单板可用空间。用PCB多层板板内置阻容，可以极大减少面积足。目前，咱们国内很多印制板生产厂家均可实现，但价格还比较昂贵。表贴和内嵌电阻散热比较示意图如图4所示。

图4 表贴与内嵌电阻散热性能比较

同时这种工艺，对射频设计有很好的保障性，可将无源滤波器内置在板层中，既减小体积，又能保证分布参数的范围。

3.3 MEMS技术

微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical Systems)采用微机械加工技术制造的集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理可控制电路、接口、通讯等于一体的微型器件或微型系统。它将电子技术与机械集成化相集合，在电台的电子通信领域主要研究低损耗的射频滤波器、高Q值电感技术、可变电容、振荡器、电子开关等，将极大地带来电台设备体积的大幅缩小、重量的大幅减轻[6]。

4 结语

文中采用从系统分析考虑，从研究细节着手，结合新技术的应用，将低功耗小型化设计理论落实到产品设计中，针对宽带高速电台的系统架构，确定了电源管理及结构设计要点，最终在样机的测试中，所有主要技术指标达到或者优于国内同类电台指标，其体积和重量均同比降低30%左右，功耗更低，达到国际同类设计水平。目前，随着用户的需求不断提高，新技术的不断发展，针对未来的变革，确定将采用了一系列优化设计的技术方向，电台低功耗小型化的研究也将面临更高的挑战[7-8]。

[1] 苏旸,刘强,丛键.新型宽带网络电台的分析与设计[J].通信技术,2008,41(05):7-9.

[2] 彭麟,苏旸,袁凤国.宽带高速电台发射机系统的保护设计应用[J].通信技术,2013,46(05):16-18.

[3] 杨建,任香凝,牛桂兵.战术电台多波形技术分析[J].通信系统与网络技术,2011,37(06):11-13,46.

[4] 彭麟,李风光,苏旸.宽带高速电台接收机的接收链路设计应用[J].通信技术,2012,45(12):48-50.

[5] 肖迁,罗旗舞,毛建旭.管网智能终端产品中超低功耗设计与实现[J].计算机系统应用, 2011,20(09):182-184,251.

[6] 刘全环,李众立.一种数字话音通信系统的设计与实现[J].通信技术,2011,44(09):30-32.

[7] 员丽琼,景占荣.基于DSP的红外数字通信技术研究[J].信息安全与通信保密,2010(02):82-84.

[8] 李菊林,张捷.LTE中SC-FDMA系统实现及性能分析[J].信息安全与通信保密,2010(02):75-76.