基于先进工艺的低功耗小型化采编测控数传一体化设计与实现

卢 丹，付海燕，纪春国

（山东航天电子技术研究所 山东 烟台 264003）

基于先进工艺的低功耗小型化采编测控数传一体化设计与实现

卢 丹，付海燕，纪春国

（山东航天电子技术研究所 山东 烟台 264003）

本文针对飞行器执行任务要求低功耗、小型化，采用了先进的工艺设计方法，通过先进工艺指导射频、基带模块的设计，工程实现了低功耗、小型化采编测控数传一体化，解决了系统散热、大功率器件的热设计、射频、基带电路板的焊装、结构设计等工程实现中的难点，实现了低功耗小型化，设计合理可行。

工艺；采编；测控；一体化

目前飞行器执行任务的飞行时间越来越长，这就需要对飞行器进行测控、轨道机动等一系列的控制，再加上飞行器需要低功耗、小型化设计［1］，本文提出了一种基于Xilinx低功耗FPGA XQ7A200T，对设备采用先进工艺设计，在低功耗、小型化下实现了遥测采集、编码、组帧、遥控、测距、测速、数传等功能［2］。

2 硬件设计

1 方案设计

1.1 主要功能

功能如下：

1）接收地面发射的上行测量信号，对接收到的射频信号放大、下变频、解调、解扩，在下行帧同步时刻提取测量信息；

2）采集多路模拟量，接收其他设备送来的数字量，并对数据做缓存处理；按设定的帧格式进行数据的编帧；

3）将遥测信息和测量信息进行组帧、编码、加扰、成型滤波、调制、上变频、放大滤波后由天线向地面发送。

1.2 组 成

主要由电源变换模块、射频收/发模块、基带信号处理模块3个模块组成。

2.1 射频通道设计

2.1.1 接收通道原理设计

天线送来的射频输入信号进入接收通道，经低噪声放大单元滤波放大后进行下变频处理下变频产生的中频信号经中频滤波放大后送基带信号处理模块［3］。

2.1.2 发射通道原理设计

发射通道包括两级上变频、带通滤波、前置信号放大器、四级功率放大、发射本振电路等部分［4］。

2.1.3 射频通道工艺设计

为了实现射频的小型化设计，射频通道元器件选型上，采用微波芯片，整个通道由几个芯片组成，芯片/电路采用二次封装形式，采用气密封装、激光封焊的工艺；电路连接采用微组装工艺，用金丝压接方式进行器件间连接，微带与连接器的连接采用金带键合的方式，消除机械应力对微波性能的影响［5］。

2.2 基带模块设计

2.2.1 基带模块原理设计

测控数传一体化设备基带信号处理模块功能框图如图1所示。

图1 基带信号处理模块功能框图Fig.1 The radicle takes a letter the number processing mold piece function frame diagram

基带处理电路以一片FPGA为核心，外围电路包括A/D转换电路、D/A转换电路，基带信号处理FPGA程序配置及防单粒子翻转配置刷新电路、数据存储电路、上行扩频码组与帧格式等配置电路、模拟遥测采集电路、数据加解密处理电路、数据输入与数据输入接口电路等。

2.2.2 基带模块工艺设计

1）热设计

热设计目标是将元器件的热耗有效的传给设备底板和设备壳体，确保元器件的温度在允许的设计范围内。采取的热设计措施如下：①增强印制板的导热

印制板制作选用了广泛使用的环氧层压玻璃布板。由于该类印制板热导率较低，综合考虑印制板布线和元器件热设计的实际需求，在相应的印制板上设置内电层，内电层中有一层大面积地层，铜箔厚度为35 μm。元器件可以通过管脚直接将大部分热量传导至内电层，并通过内电层散热。

印制板内层大面积覆铜导致焊接时散热过快，焊点透锡不好，针对此问题，制定了专门的工艺方案，采用预热印制板、大功率烙铁焊接等工艺方法［6］。

接口模块和基带处理模块在印制板边缘设置不覆阻焊膜的铜层边框，并在铜层边框和设备壳体接触处涂导热脂，从而达到减小热阻的目的。

射频发射和接收模块将印制板大面积与盒体底面直接接触，用螺钉紧固连接，尽量提高盒体内底面的机加工精度，表面镀银。

②增强元器件与印制板的导热

在元器件和印制板之间填充导热填料和覆设导热铜层。如在元器件下方涂导热脂、覆设延伸至印制板边框导热铜层。同时，对于热功耗较大的元器件，不集中放置，尽量放在印制板边缘或设备壳体上。

③机箱壳体的热设计

为保证印制板模块与机型壳体之间有良好的热连接，在印制板边框覆铜，并适当涂抹导热脂等导热填料以增大接触面积，减小热阻。

设备中使用的热功耗在300 mW以上的大功率元器件进行了如下设计：

①电源模块的热设计

热设计时将电源模块安装在机箱壳体上。同时，为了减小接触热阻，在DC/DC电源模块和安装面间涂导热硅脂，以增加导热接触面积。

②A/D转换器的热设计

芯片下面设大面积地层，增强导热，器件壳体与印制板间涂导热硅脂使热量传导至印制板，印制板边框与机壳间涂抹导热硅胶减小导热电阻。

③FPGA芯片的热设计

将芯片放置在印制板边缘靠近边框处，顶部加散热片，散热片与印制板边框相连，散热片与芯片之间涂导热硅脂。

④直流电源稳压芯片的热设计

放置于印制板边缘靠近边框处，其外壳散热片与铝制边框间加绝缘垫，且涂导热硅脂。

⑤射频接收与发射模块大功耗元器件的热设计

射频收发通道电源变换电路使用的大热耗滤波电感、功率变压器采用铜卡及螺钉固定的双重方式固定在机壳上，加大了散热面积减小了热传导电阻。

2）结构设计

结构设计中还遵循以下抗力学环境设计的原则：

①提高结构强度和刚度，减少应力集中。

②增大结构阻尼

在印制板板面敷以弹性固封材料以增大结构阻尼。

③印制板合理分板及元器件在印制板上合理布局

3 结 论

本文设计的测控数传一体化设备方案采用先进的工艺设计指导硬件电设计，通过在设计过程中就引入工艺设计，使得工艺、电设计紧密结合，尤其在热设计、机构设计中采用先进的工艺思想，使得设备可靠性、功能性满足要求，设计方案合理可行。

［1］樊昌信，张甫翊，徐炳祥，等.通信原理［M］.北京：国防工业出版社，2001.

［2］胡广书.数字信号处理理论、算法与实现［M］.北京：清华大学出版社，2006.

［3］苏涛，何学辉，吕林夏.实时信号处理系统设计［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2006.

［4］张欣.扩频通信数字基带信号处理算法及其VLSI实现［M］北京：科学出版社，2004.

［5］王建平，张宝剑，王军涛.通信原理［M］.北京：人民邮电出版社，2007.

［6］尚育如.航天工艺基础知识培训教材［M］.北京.中国宇航出版社，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，FU 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 稿件编号：201503004

卢 丹（1980—），女，山东日照人，硕士，工程师。研究方向：航天电子产品工艺设计及应用。