高集成综合传输网络设计*

任凤玲，韦学科，王金伟

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

引 言

某高机动雷达，要求具有快速拆收，并进行车载运输的功能，因此，需对阵面进行轻薄化设计，以减轻重量和减小体积。轻薄化、可扩展与低成本已成为现代有源相控阵天线的主要发展方向。

传统阵面综合传输网络包含各类网络及其支架、外壳、电连接器、传输电缆、结构封装、热控等辅助部件，完成以上基本功能的结构件体积比较大，模块简单组装的设计方法不能满足阵面布置、维修等要求。本阵面综合传输网络结构设计是以微电子技术、超大规模集成电路、高密度互联、表面安装技术、微波板层压技术等新工艺为基础，进行最大限度结构集成，以实现结构安装、热传导、微波传输、信号驱动传输、电源传输等功能优化[1-2]。

1 综合传输网络组成与设计原则

超薄阵面综合传输网络包含射频网络、电源网络、光纤网络。

阵面综合传输网络的3套网络既相互独立又相互渗透，需要根据阵面布局考虑维修性、可靠性以及集成性。为充分利用空间，列方向的阵面综合传输网络放在天线骨架的横梁里。行方向的阵面综合传输网络，为了便于结构安装及厚度控制，3套网络均集成在行综合层内部，并实现多品种连接器的同步双向盲插。行综合层做成独立安装模块，以减少总装走线周期及工作量，并且保证美观。

1.1 射频网络

射频网络又可分为本振网络、时钟网络、监测网络。

本振网络为数字收发单元(DTRU)提供收、发本振信号，本振网络实现多个频点同时馈送。频率源输出与本振网络间采用矩阵开关进行切换。

时钟网络为DTRU提供模拟时钟信号，使系统同步工作。

监测网络在DTRU输出端口提取或馈入监测信号，通过监测网络汇集至监测发射/接收(T/R)组件，另外，监测网络也为模拟和场景干扰信号提供分配路径。

1.2 电源网络

电源从阵面底部的2块转接板进入阵面内部的列汇流条，由于电流过大，列向汇流条分别置于阵面左右两边。列向有4块汇流条，每边2块，同一边的2块不是每块都与转接板相连，而是通过短母排互连后再与转接板相连，故每块承受的最大电流为半阵面的最大电流。

1.3 光纤网络

光纤采用上行单模光纤传输，使用光放大加光功分构架，下行多模光纤传输。

通过阵面的光功分器输出至各DTRU，左右阵面各1个光功分/集线器。光功分输出的光信号经过阵面行综合层分配到每个DTRU，组件光纤接口采用盲插结构与综合层连接。

2 综合传输网络结构构想

从阵面系统层面出发，对阵面互连方案进行优化设计，实现高集成综合层的优化；超薄综合传输网络结构设计采用系统集成技术，实现模块化、组合化，方便维修，提高电磁兼容性能[3-4]。

布置列方向的综合传输网络放在天线骨架的横梁里，可以隐蔽电缆和走线使整个阵面清爽、干净。行方向的阵面综合传输网络安装在阵面内，难点主要集中在行综合层，行综合层的上部和T/R组件盲插，下部和监测系统盲插，上下部双盲插。行、列综合传输网络的互联要穿过阵面横梁骨架才能实现，如图1所示。

图1 行、列和行列互联阵面综合传输网络

下面就射频网络、电源网络、光纤网络的行、列和阵面综合传输网络行列互联设计进行分别论述。

3 行综合传输网络结构设计

3.1 行综合传输网络布局

为满足超薄天线的要求，天线厚度逐步压缩。为了充分利用阵面内部高度空间，满足安装要求，必须把行阵面综合传输网络压缩成独立安装模块，命名为行综合层。行综合层板面尺寸大，采用盲插无引线设计，盲插接口多，制造精度要求高。因从左右梁供电，行综合层分为左、右2个，见图2。

图2 行综合层左右分布

3.2 行综合层设计

行综合层在阵面中担负着各组件间信号一体化传输连接，连接形式的优劣不但会对电性能有影响，而且对阵面的结构形式、阵面的可维护性、可靠性都有很大的影响。

行综合层包括保护层、本振和时钟层、电源层、固定层、光纤走线层、监测层。图3是综合层分解图。

图3 综合层分解图

3.2.1 行综合层的主要技术难点

行综合层把电源连接、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，层数多，在高温环境条件下，层间绝缘要求高，综合布线十分复杂。

本振和时钟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，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。

行综合层高定位精度的安装在阵面骨架上，以适应与DTRU大跨度、多点、多品种电连接器的双向盲插连接要求。行综合层为单独模块，可整体从舱内抽出进行维修[5]。

3.2.2 行综合层运用的技术

综合仿真技术：从阵面系统层面出发，对阵面互连方案进行优化设计，实现高集成综合网络的优化；分别从时域、频域上对高集成综合网络进行仿真设计，优化电路性能，提高电磁兼容性能。

电磁兼容分析：综合网络中包含微波电路、数字电路、电源电路等多种电路，这些电路自身、电路之间的耦合分析，以及综合网络对阵面电磁环境的影响分析等。

电路可加工性设计：综合背板包含的功能复杂，电路层数多、金属化孔形式种类多、加工精度要求高。阵面综合网络的设计重点就是在满足电讯要求的前提下，简化电路的加工工艺，提高成品率。

综合网络与外部组件的盲插互连技术：综合网络在阵面中担负着各组件间信号一体化传输连接，连接形式的优劣不但会对电性能有影响，而且对阵面的结构形式、阵面的可维护性、可靠性都有很大的影响。为此，需要结合阵面的功能需求，选择先进的连接方案，实现阵面的无引线盲插连接及双向盲插设计。

3.2.3 行综合层结构设计要点

结构设计是以微电子技术、超大规模集成电路、高密度互联、表面安装技术、微波板层压技术等新工艺为基础，并使传输网络与结构零件一体化，进行最大限度结构集成。实现结构安装、热传导、微波传输、信号驱动传输、电源传输等功能[2]。

时钟、本振层从上部固定在固定层，时钟、本振网络与上部DTRU组件进行盲插连接。电源层和光纤走线层从下部固定在固定层上。监测层从最底部嵌入在光纤走线层，通过固定层伸出的高度柱嵌入在光纤层内和固定层连接，和下部前舱单元盲插。固定层主要功能是固定印制板、承载定位和固定综合层, 是综合层结构中关键的组成部分, 用于支撑整个综合层。

光纤穿过行综合层高频和固定板的过孔后，进入光纤走线层预留的空间内。预留空间在装配光纤时是敞开的，多条等长的光纤接入已安装的光纤盲插插座，并在预留空间内进行盘缠。光纤理顺后，铺设不能被弯折，否则会影响光缆的性能，最后用监测板把理顺的光纤完全盖住，保护光纤的安全。用监测层把光纤盖住，一举多得。光纤走线层还有隔离电源层的作用，保护电源印制板不受破坏，同时需保留出电源层焊接后的焊点避让空间，保护焊点安全，保证电路不短路。

综合层固定到天线阵面上采用螺钉等进行组装，除固定层外，其他层全是非金属材料，需要设计出控制高度尺寸的高度柱，以满足高度方向对盲插精度的要求。

由于组件的集成化程度越来越高，盲插连接器的高密度安装不可避免。固定板上装有多种射频、电源、光纤连接器，插合时作用在固定板上的力较大，合理的精度控制及刚度是安装固定板设计过程中的重中之重。所有连接器的安装位置以销钉为基准，以控制精度。在盲插插合过程中由于定位销的导向与定位作用，一旦定位销定位准确，固定板和组件上的配对连接器便会良好地连接在一起[5-6]，利于双盲插的实现。

4 列综合传输网络结构设计

列综合传输网络包括列射频网络和电源网络，2套网络相对独立，放在天线骨架的横梁里，充分利用空间。

4.1 列射频网络

列综合传输网络包括多个独立的本振和时钟功分器。行综合层通过多个独立的分配器和矩阵开关按指定的信号向列阵面综合传输网络提供馈电信号。

列综合传输网络安装在骨架横梁内，安装精度和环境比较恶劣，电缆分布其间，选用传统的壳体保护设计，不能用开放的射频设计模式。

4.2 列电源网络

阵面有4种电源供电，分别为发射供电、接收供电、控制供电及冷却供电，每种电源均来自阵面转台下的一次电源，从左右两边进入天线阵面，通过阵面转接板的通孔甩出阵面至一次电源的输出端口。列电源网络采用汇流条。列向汇流条分别置于阵面左右两边。列向有4块汇流条，每边2块。阵面侧面上下汇流条通过短柔性母排直接互联，如图4所示。

汇流条作为大电流传输部件具有感抗低、抗干扰、高频滤波效果好、可靠性高、节省空间、装配简洁快捷等优点，因此，在军用电子设备中得到了广泛应用。

汇流条由最初实现电气连接功能，发展到承担结构支撑、抑制电磁干扰、增加系统可靠性和辅助设备散热等多种功能，因此其设计需要结合电气学、电磁学、传热学和机械学领域的相关知识。掌握影响汇流条性能的相关物理因素，是实现汇流条功能正确设计和性能优化设计的关键[7-8]。

4.2.1 列汇流条结构设计

汇流条是一种多层层叠结构的导电连接部件。采用汇流条式的结构可以大幅减少线缆连接的数量，解决电子系统高密度布局的难题。

汇流条的主要结构形式为金属导体-绝缘体累加排列的层叠式结构。汇流条导电基体通常选用导电率优良的金属，如纯铜、黄铜等。绝缘层选用介电系数高、击穿电压高的材料，如环氧、聚酯等。绝缘喷塑高分子材料是比较理想汇流条绝缘涂层[6]。

一个优质的汇流条应当采用矩形截面较宽的导体。采用厚度较薄、介电系数较高的绝缘介质。因机械强度、材料和其它因素的束缚，汇流条导体与介质的厚度不能无限缩小，只能在一个适合的范围内，一般汇流条的导体宽度与绝缘介质的厚度比值在10 以上。并且绝缘材料宽于导体，利于封胶绝缘[7]。

列向汇流条含发射供电、接收供电、控制供电，采用厚铜板制作。发射、接收和控制供电间隔一层接地铜板，以避免干扰，接地板通过短导线就近与阵面骨架相连，连接点位于相应的行网络层附近。图5为汇流条连接端子示意图。

图5 汇流条连接端子示意图

5 行、列综合传输网络互联设计

5.1 射频行、列阵面综合传输网络互联

行综合层分为左右2个，用功分器将每行的左右综合层进行合成，时钟、本振、监测信号合成后通过电缆与列射频网络相连接，连接关系如图6 所示。

图6 行综合层互连

阵面监测网络通过组合内串联、组合间并联的方式实现，具有较好的相位一致性，同时电缆数量大大减小，提高了系统基本可靠性。

5.2 电源行、列综合传输网络互联

阵面发射供电、接收供电、控制供电分配采用先列后行的分配方式。一次电源的输出分配至阵面两边的汇流条后，由列汇流条向行网络层中的电源层供电，经电源层分配后传输至DTRU。

行、列综合传输网络的互联要穿过阵面横梁骨架。列与行电源层的发射电源采用柔性母排连接，接收与控制供电采用导线和压接端子连接。见图7。

图7 行、列发射电源互联示意图

5.3 光纤行、列综合传输网络互联

光纤简化了上行传输链路，去除了光纤传输板的光转电、电转光环节，并且上行采用功分结构，大大降低了上行光链路时延一致性设计的难度。上行主光缆链路光缆直径较小，便于在阵面两侧走线，并且可以使用加铠光缆，抗压抗拉性大大提升；阵面上下行光缆可独立维修更换，可维护性得以提升。

光纤连接器安装在行综合层上部，图8为光纤总口示意图。各个方向预留足够的操作安装空间，保证光缆弯曲半径能穿过过孔。行综合层上部有支撑天线的骨架，安装横梁时一定要注意避让光纤，避免碾压。

图8 光纤总口示意图

6 结束语

本文结合阵面的功能需求，选择先进的连接方案，实现内阵面的无引线盲插连接，并实现行列信号互联。高集成综合传输网络在设计过程中和电讯设计之间不断地相互优化，相互迭代，设计出最简洁、性能最优的结构。

综合传输网络设计全部贯彻了集成化、模块化、通用化的原则，并采用快速级连技术，整个阵面维修方便。当模块更换备份件后，通过终端控制重新更换模块的相关数据，一般不需进行重新调试，天线阵面就能正常工作。

本高集成综合传输网络设计形式节约了系统的结构空间，有利于雷达系统的模块化设计，可以缩短系统维修与设备更换的时间，满足现代雷达系统互换性与保障性要求。