高密度多功能综合网络层结构*

姚 晔，钟剑锋，2

(1. 南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039； 2. 天线与微波技术国防科技重点实验室， 江苏 南京 210039)

高密度多功能综合网络层结构*

姚 晔1，钟剑锋1，2

(1. 南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039； 2. 天线与微波技术国防科技重点实验室， 江苏 南京 210039)

随着大型有源相控阵雷达技术的发展，阵面功能的集成度及结构轻薄化要求将越来越高。单纯依靠增加分立网络模块集成难以满足型号研制的需求，因此文中提出了一种新的多功能综合网络层结构(MFSS)概念。文中介绍了综合网络层的原理及组成，详细阐述了MFSS是机、电、热一体化的复杂结构，提出了在设计过程中需要重点研究的几个关键问题。

有源相控阵雷达；结构设计；多功能综合网络层结构(MFSS)；微波多层板；汇流条

引 言

多功能综合网络层结构(MFSS)技术已成为有源相控阵雷达的关键技术之一，是实现和保证雷达整机性能的关键所在。

传统综合网络结构的主要功能是支撑、三防、传递力等，而MFSS则具备2个或多个功能。该结构设计是以微电子技术、超大规模集成电路、高密度互联(HDI)、表面安装技术(SMT)、微波板层压技术等新工艺为基础，将各类网络及其支架、外壳、电连接器、传输电缆、结构封装、热控等辅助部件集成为一体，进行最大限度结构集成，并使传输网络与结构零件一体化的新型综合网络层。实现了如结构安装、热传导、微波传输、信号驱动传输、电源传输等功能。

MFSS技术开发的最终目的是使综合网络基本功能件对总体的体积比最大，MFSS淘汰了传统电子设备的壳体及其连接电缆，实现了综合网络的体积、重量和成本的全面缩减，它是雷达设备机、电、热一体化耦合的系统工程。

1 MFSS原理与组成

MFSS主要由高频信号网络与低频信号网络有机结合而构成，从图1的原理框图可以看出，MFSS主要包含微波信号通道、波控信号通道、电源通道3大通道。微波信号通道是馈线网络的重要组成部分，主要完成收/发微波信号的传输、收/发转换、配合雷达进行收/发通道的幅相校准等功能。波控信号通道是波控分系统的组成部分，主要完成波控信号的传输、分配，配合雷达进行幅度加权、相位控制以及雷达监测信号的回传等功能。电源通道是电源传输的组成部分，主要完成收/发电源的传输、分配等功能。

图1 MFSS原理框图

2 MFSS集成电讯、结构、热功能

根据MFSS电讯要求和电路原理框图，为了减小MFSS的体积、重量，提高MFSS的工作效率，实现MFSS的各项功能，同时使高功率传输与低功率传输分离，以减小高信号对低功率元件的干扰，典型的MFSS采用上、中、下3个叠层安装的方式，如图2所示。

图2 MFSS结构图

第1层为复合材料保护面板。面板为聚合物基体镀金属膜复合而成，基体材料采用导热绝缘聚合物复合材料一体成型制造，然后在基体表面电镀高电导率、高磁导率的铜、铁等金属薄膜，以达到对电子设备进行整体电磁屏蔽的目的。

第2层为柔性电路与电源传输板。其中柔性电路板(FPC)是以聚酰亚胺树脂和铜为基材，经过必要的裁剪、冲压制成多层布线板，通过3D-MCM结构实现高密度叠装和互连。同时柔性电路板上所选用的芯片尽量采用表贴封装和基于厚膜集成技术的多芯片模块(MCM)。所谓多芯片模块是指将多个芯片去除芯片外部封装，直接将芯片的裸片封装成多芯片组件，从而实现整体系统集成度的最大化。电源传输板一般采用铜板等导电性比较好的金属材料，中间采用环氧板等绝缘材料。

第3层为热控制底板，是MFSS中关键的组成部分之一。底板为结构支撑件和有热辐射作用的一体化性能件。底板的框架选用合金材料，用以支持整个设备。散热主体材料选用导热性强的泡沫铜，以提高电子设备的散热性能和抗冲击性能。底板与电路板之间的导热绝缘材料为导热硅脂，使用时先在底板上铺一层导热硅脂后再装上电路面板。

基于MFSS的3层结构设计思路，为了实现整个结构的组装灵活性，电路板与底板、多功能结构之间采用可拆卸连接元件如螺钉等进行组装。

2.1 MFSS系统特点

在有源相控阵雷达布局设计中，MFSS把电源连接、低频信号连接、射频信号连接集成在一起，实现了与阵面T/R组件的无引线连接，其特点是：层数多，厚度厚，层间绝缘要求高，高低频电路层采用了多层压合工艺进行制造，层间图形的相对位置精度要求高，层间图形互连孔金属化要求高，制造难度大；电源层通过的电流大，板层厚，每层电源层有数百个焊点，接线柱尺寸大，热容量大，焊接难度大，易引起冷焊等缺陷。

在有源相控阵雷达布局设计中，MFSS把各种分散独立设计的微波、波控、电源网络进行一体化设计，高度集成在一起，3种信号和谐共处、互不干扰。大大简化了阵面的复杂互联关系，提高了系统可靠性。

2.2 电磁兼容(EMC)设计

MFSS将高频微波电路、高速数字电路及大电流分配电路等多个电路一体化设计(如图3所示)，存在大小信号之间、高低频信号之间、数字信号与模拟信号之间、信号与电源之间的相互干扰；另外，在雷达系统中MFSS也会受到其他有源电路的干扰[1]。因此，必须充分考虑电磁兼容问题。

图3 MFSS屏蔽设计图

2.2.1 干扰源屏蔽设计

综合分析整个MFSS，可能存在的干扰源主要有：1)大功率射频信号干扰；2)直流传输电路、波控电路与模拟电路相互干扰；3)MFSS外部电磁信号干扰。

针对上述干扰源所采取的解决办法为：1)对大功率传输等电路采取单独密封使电磁泄漏减少；射频前端功放输出接口直接用插座，尽量减少微带线的桥接。2)加强各品种电源电路之间的隔离，在电源上加屏蔽电路及选用磁屏蔽的电感，减小漏磁，有条件的MFSS加电容滤波等。3)数字电路和模拟电路不共地，同时将数字电路和模拟电路的电源相互隔离。4)对外的接口选择满足电磁屏蔽要求的接插件，接触部分安装导电橡胶密封条。

2.2.2 缝隙效应设计

一般情况下，MFSS的各层电路和印制板的电连接点不可能完全接触，只能通过金属化孔并构成一个孔洞阵列，保证各层印制电路相互可靠连通。但孔与孔之间的缝隙是造成屏蔽效能降级的主要原因之一。在实际工程中，常常用缝隙的阻抗来衡量缝隙的屏蔽效能。缝隙的阻抗越小，则电磁泄漏越小，屏蔽效能越高。MFSS金属化孔如图4所示。

图4 MFSS金属化孔图

从缝隙的示意图中可以看出，缝隙的阻抗可以用电阻和电容并联来等效，因为接触的点相当于一个电阻，没有接触的点相当于一个电容，整个缝隙就是许多电阻和电容的并联。低频时，电阻分量起主要作用；高频时，电容分量起主要作用。由于电容的容抗随着频率的升高而降低，因此如果缝隙是主要泄漏源，则屏蔽机箱的屏蔽效能有时随着频率的升高而增加。但是，如果缝隙的尺寸较大，高频泄漏也是缝隙泄漏的主要现象。

2.3 热设计技术研究

MFSS是一个高功率一体化结构技术，其高度集成结构大大简化了阵面的复杂互连，减小了阵面的体积和重量，却使热耗进一步集中，散热成为MFSS设计需要关注的关键技术之一，特别是实现大电流分配的汇流条结构的散热问题[2]。

电源传输板由铜板(2层)、环氧板(2层)以及4层半固化片组成，如图5所示。计算过程中所用尺寸及数据为：计算面积均为单位面积(1 cm2)，铜板厚度为2 mm，热导率为384 W/(m·K)；半固化片厚度为0.1 mm，热导率按照FR-4(0.15～0.25 W/(m·K))即0.2 W/(m·K)计算；环氧板厚度为2 mm，热导率为1.2 W/(m·K)。现认为，半固化片与铜板、环氧板、热沉间接触均为紧密接触，没有缝隙，忽略接触热阻。

图5 电源传输板模型

热量自上而下传递，热路模型如图6所示。

图6 汇流条热模型

R总=R1+R2+R3+R4+4R半固化片=

53.437 5 K/W

式中：R1、R3为铜板热阻；R2、R4为绝缘层环氧板的热阻。

经计算，电源电路板单位面积(1 cm2)的热阻为53.437 5 K/W。因此，若铜板厚度为2 mm，传输功率为500 W，温升将为10 ℃。

3 MFSS的发展

MFSS是一种具有广阔应用前景的关键技术，并大量应用于地面、舰载、机载等有源相控阵雷达中，但是国内该技术还未可靠地应用于SAR天线中[3]。

在星载领域，MFSS的发展致力于验证该技术应用于SAR系统的可行性，并通过相关试验验证MFSS技术的优越性。

在地面、舰载、机载等领域，伴随着有源相控阵雷达高性能、微型化、集成化的3大发展需求，必须开展MFSS天线系统的研究。图7为典型未来MFSS天线系统图，该系统由天线单元、多芯片模块(含T/R组件)、柔性电路、多功能结构等组成，形成完整的独立性能的微系统，通过该设计拟达到以下目标：

1)器件与热防护、辐射防护和承载结构一体化；

2)天线单元和承载结构一体化；

3)消除天线阵面电缆及插座，减重25%，天线减薄50%。

图7 典型MFSS天线系统图

4 结束语

综上所述，本文提出了MFSS的基本理念，其设计有先天优势，是结构功能一体化技术突破的重要方向，是实现轻薄型有源相控阵雷达的必然途径。它是力学、电、热、场功能一体化复合结构的典型代表，也是电子产品结构发展的主要趋势。同时淘汰了电缆和连接器，实现了模块化，支持大量生产和装配，因此大大降低了寿命周期成本，提高了稳定性和可靠性。

[1] 苏力争, 钟剑锋, 张建增, 等. S波段八通道数字T/R组件研究与设计[J]. 现代雷达, 2013, 35(9): 66-68, 72.

[2] 苏力争, 钟剑锋, 唐宝富, 等. 高效热扩展技术在干式T/R组件散热中的对比研究[J]. 电子机械工程, 2014, 30(1): 7-10, 18.

[3] 刘文怡, 李正岱, 张文栋, 等. 多功能结构在航天设备中的优化应用[J]. 火力与指挥控制, 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] 孙明琦, 程亮. 汇流条应用设计[J]. 电子机械工程, 2012, 28(2): 45-48.

姚 晔(1968-)，女，高级工程师，主要从事有源阵面结构研究工作。

钟剑锋(1967-)，男，研究员级高级工程师，主要从事T/R组件及有源阵面结构研究工作。

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

国防基础科研重点项目(JCKY2013210B004)

TN958.92

A

1008-5300(2015)05-0031-04