基于多层微带基板的收发变频通道设计

祝加秀，刘鲁军，范鹏飞

基于多层微带基板的收发变频通道设计

祝加秀，刘鲁军，范鹏飞

（华东电子工程研究所，安徽合肥，230088）

为实现对S波段收发变频通道中的直流传输、数字控制信号、射频传输的电磁兼容特性优化设计，基于Protel软件对收发变频通道进行了PCB版图级设计，并利用HFSS软件对本振垂直过渡进行了仿真。基于多层微带基板的微带结构、带状线结构的本振传输设计，重点完成了变频模块的小型化设计，并对垂直互联结构的电特性进行了仿真研究，给出了收发通道的测试结果。设计有效提升了电路组装效率，降低了生产成本。

收发通道；变频；SIP封装；多层微带基板；射频垂直过渡；仿真分析

引言

作为数字阵列雷达的组成部分，收发变频通道既要接收放大信号并将其变频至中频，又要将中频波形变频为所需要的射频信号，起着承上启下的关键作用。系统要求收发变频通道体积小，并在实现上下变频的基础上，完成发射通道的滤波激励放大功能，并输出至末级放大器；接收通道将收到的信号进行限幅、放大以及滤波，既要保证噪声系数较低，又要满足接收机的幅度要求，同时要求接口简单[1-4]。

1　电路设计

1.1电路原理图设计

鉴于系统的要求，变频通道完成雷达回波信号的放大、变频和滤波，输出中频信号送A/D，如图1所示；发射通道完成雷达波形信号的变频、滤波和放大，输出射频信号送功率放大器，如图1所示。在体制选择上，采用超外差一次有源混频体制予以实现。通道基本单元包括限幅低噪放、一次变频电路、放大器、滤波器等。对于上变频激励通道，只要保证输出功率能够达到要求，同时能够兼顾相位、杂散、寄生调制、对改善因子的限制等指标，对增益的分配就相对比较简单；对于下变频通道，主要兼顾到接收机的灵敏度和大信号时的增益分配。

1.2一次变频模块设计

为保证小型化，设计首先将S波段收发变频通道的一次上变频功能与一次下变频功能进行融合设计，可以大大减少器件数量和成本。为此，特设计为上下变频共用混频器和滤波器，形成了一次变频模块，这样既简化了电路结构，又实现了系统的性能。一次变频模块采用MMIC集成的方式，最大限度节约了体积，提高了成品率。上下一次变频通道电路框图如图2(a)、(b)所示。

图1　接收、发射通道组成简图

图2　上下一次变频通道原理图

S波段上下变频器是一款集成了四个开关、两个混频器和两个中频放大器等多个微波单芯片的功能模块电路，其中TTL1实现模块收发控制，TTL2控制两路输入射频的切换。另外，通过器件引脚IF1和IF2的外挂器件（滤波器和衰减器）可以较容易实现高指标的本振隔离和变频器件的增益调整。

1.3基于PCB基板的本振垂直过渡设计

系统中的基板要求同时具有射频和低频（电源、控制信号）功分的功能。它的电路原理虽然简单，但是电路布线中走线密度大、走线交叉多，射频和低频容易相互干扰，基板尺寸大、层数多，加工中容易翘曲变形，是多层微带电路设计难点之一。本次设计中射频收入输出采用微带线形式，而本振输入采用微带转带状线再转微带线形式，跨层转接部分采用垂直过渡的孔型结构。它们的板级结构如图3(a)、(b)所示。

垂直过渡、表层走线的两种类型射频走线性能比较如表1所示。

设计中，本振频率信号采用垂直过渡与同层微带线转带状走线相结合的形式，利用HFSS仿真软件进行分析和优化仿真。

图3　两种类型射频走线结构图

表1　两种类型射频走线优缺点比较

本振频率垂直过渡结构仿真模型如图4所示。射频基板采用CLTE微带板。总层数为7层，其中上三层为微带层，下四层为FR4，带状线两边的背孔为mid5层到bottom层，垂直过度孔为从表层到mid3 层。

图4　垂直过渡结构模型

微带线至带状线通过金属化过孔垂直互连，过孔与周围一圈屏蔽过孔构成近似同轴结构。基板钻孔直径有0.3 mm、0.5 mm等几种规格，本设计选择孔径较大的0.5 mm规格，以提高过孔可靠性。基板烧结后孔径会进一步收缩，成品孔径d 约为0.46 mm。根据同轴线特征阻抗计算公式（1）：

其中，CLTE基板相对介电常数εr=2.94。可以计算得到：屏蔽过孔所围圈直径为D=1.454 mm。仿真中经过优化，外圈直径实际选取1.46 mm。垂直过渡背靠背模型和仿真结果如图5所示。仿真模型尺寸20 mm×10 mm×4 mm，在2.5～3.3 GHz频率范围内，垂直过渡背靠背结构回波损耗大于20 dB，插入损耗小于0.48 dB。

图5　垂直过渡与微带转带状线结合结构仿真结果

2　版图设计

电磁兼容设计在单元数字化通道的研制过程中非常重要。数字化接收通道是集成度高的复杂电子设备，既有微波信号，又有数字信号。电磁兼容设计不仅要解决低噪声接收通道高增益链路的互耦合、串扰，还要解决高频信号与数字信号间的隔离，同时还必须考虑数字化接收通道和雷达系统的相互干扰与影响。因此，布板过程中要采取必要措施，充分考虑以上因素。

采取的措施主要包括：

（a）限幅低噪声放大器采用BGA形式装配，焊接到基板上，存在数字信号和时钟对模拟中频的串扰问题，在放大模块四周底部充分布接地通孔，采用深井隔离方式弱化数字信号对模拟信号的干扰；

（b）收发链路分腔设计，接收通道单通道增益高达55 dB，通过链路中加金属腔过渡，隔离有源器件间的相互耦合干扰，降低腔体效应；

（c）电源线尽可能靠近地线，以减小差模辐射的环面积，降低干扰对系统的影响，提高系统的抗干扰性能。

PCB版图如图6所示，完成该PCB所包含的电磁特性和直流特性仿真。完成发射（T）、接收（R）和本振馈入三个主要功能，发射通道主要完成射频激励信号的放大，并输出至馈线网络；接收通道将天线接收的回波信号放大，并保证较低的噪声系数，同时又要满足接收机的幅度要求；组件的收发开关切换及相位、衰减的控制由外部驱动送入的控制信号完成。

图6　PCB版图

3　测试结果

基于多层微带基板的收发变频通道设计，射频频率为S波段，低本振，中频为P波段。每组8路，每路均相同。实物如图7所示，测试数据如图8(a)、(b)所示。

图7　实物图

图8　测试结果图

4　结束语

伴随着元器件发展和雷达技术需求不断提高，雷达收发变频通道小型化需求也在日益扩大。研制了通用小型化的基于多层微带基板的收发变频通道，尤其重点研究了本振信号垂直过渡、低成本微波电路封装方式、版图设计及小型化的实现。通过对微波信号的仿真和微波电路的热设计，设计了适合批量化的多层微带板图，极大幅度提升了电路组装效率，降低了生产成本。

[1]弋稳. 雷达接收机[M]. 北京: 电子工业出版社, 2008.

[2]王小谟. 监视雷达技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2008.

[3]吴均, 王辉, 周佳永. Cadence印刷电路板设计: Allegro PCB Editor设计指南[M]. 北京: 电子工业出版社, 2012.

[4]鲜飞. 高密度封装技术的发展[J]. 半导体技术, 2002, 27(5): 9-11.

Design on T/R Frequency Conversion Channel based on Multilayer Microstrip Substrate

ZHU Jia-xiu, LIU Lu-jun, FAN Peng-fei
(East China Research Institute of Electronic Engineering, Hefei, Anhui, 230088, China)

In order to carry out optimum design for electromagnetic compatibility of direct current transmission, digital control signal and radio frequency transmission in S-band transmission and receive (T/ R) frequency conversion channel, layout design of PCB is carried out for it based on the Protel software, and local oscillator vertical transition is simulated based on the HFSS software. Also, based on the local oscillator design for microstrip/strip structures of multilayer microstrip substrate, the miniaturization design of frequency conversion module is completed, and the electrical characteristics of the vertical interconnection structure are simulated. The test results of T/R frequency conversion effectively imply that the assembly efficiency of circuit is improved, and the production cost is reduced.

T/R Channel; Frequency Conversion; SIP Packaging; Multilayer Microstrip Substrate; RF Vertical Transition; Simulation Analysis

TN952

A

2095-8412 (2016) 05-956-04工业技术创新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.034

祝加秀(1977-)，女，山东临沂人，高级工程师。主要研究方向：微波收发系统电路。

刘鲁军(1970-)，男，山东威海人，高级工程师。主要研究方向：机械结构与设计。

范鹏飞(1981-)，男，安徽阜阳人，高级工程师。主要研究方向：微波收发系统电路。