基于多层PCB 技术的多通道接收前端设计*

胡 贵，马 涛，涂 建

（1.中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041；2.北京航天测控技术有限公司，北京 100041）

0 引言

在现代军队中，电子侦测、制导、遥控遥测以及通信等电子装备越来越多。接收系统作为获取信息的设备前端，地位至关重要。接收前端是雷达接收系统的关键部件之一，其性能直接影响雷达接收系统的整体性能。随着微波技术的发展，多通道、多功能、低成本和小型化已经成为当前接收前端的发展方向[1]。随着表面贴装器件的大规模应用和系统集成封装技术的发展，微波多层电路技术具有的独特技术特点能够满足多通道接收前端的应用需求。由于微波多层电路技术复杂，多层PCB 设计在通道隔离和电磁兼容设计方面存在较大的技术难度。目前，微波频段的模块基本采用微波电路板和电源。控制电路板分块设计在腔体的上下两面，中间采用导线连接的设计模式，致使多通道接收前端的成本居高不下，组件的装配工艺过程复杂，通道间的幅相一致性调试难度大。因此，开展微波多层PCB 技术研究，可以显著减少组件的生产装配难度和重量，提高产品性能和生产效率，对实现多通道接收前端的小型化和工程化应用具有十分重要的意义[2-3]。

1 组件设计

1.1 设计需求及原理

根据设计要求，需要设计一款LSC频段接收前端，具备开关选择、放大滤波研究检波输出等功能，以实现多路接收信号的预选和处理。结合工程技术指标要求和工程应用的空间电磁频谱环境，接收前端主要由单刀双掷开关（Single Pole Double，SPDT）、低噪声放大器、数控衰减器（Digital Attenuator，DATT）、四通道YIG 调谐预选滤波器、定向耦合器和对数检波器等构成，方案框图如图1 所示。

图1 方案

如图1 所示，来自天线的LSC 波段射频信号进入工作/校准模式选择；选择开关后级级联的低噪声放大器和数控衰减器，可确保宽频带范围内接收前端高灵敏度的同时具备大的动态范围；利用YIG调谐滤波器的超宽带、高选择性以及极好的调谐线性度等特性进行信号预选滤波，合路端级联低噪声放大器后进行耦合输出；定向耦合器主路射频信号输出用于后级射频电路单元。耦合支路信号经对数检波处理后输出模拟电压信号，该信号通过控制单元进行A/D 转换、门限比较后上报用户，实现系统对接收前端通道的故障监测。其中，YIG 调谐带通滤波器频段宽、连续可调谐、独立数字控制以及可分可合的特性，实现了工作频段内任意频点干扰信号的抑制，可有效提高镜像抑制，实现信号预选。

1.2 多通道微波模块

1.2.1 微波多层PCB 层叠与阻抗

常见的多层印制板设计有多层PCB 技术和低温共烧（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）技术两种。相对于多层PCB 技术，LTCC 技术烧制成本高，电子联装生产工艺复杂，调试不方便。按照工程化、小型化和经济化的设计目标，方案采用多层PCB 技术进行设计。

基于功能实现、成本节约以及电磁干扰控制等因素考虑，设计采用两种基材混压形成复合多层印制板。微波电路板选用具有信号传输损失小、介电常数低、特性阻抗易高精度控制的材料，同时半固化片选择质硬、膨胀系数小、铜箔附着力强的板材[4]。只有这样，混压后形成的印制板才能够满足微波性能好、强度好且不容易产生形变、可靠性高的要求。因此，该方案采用6 层板进行设计，顶层和底层采用Rogers4350（厚度0.254 mm），第3～4 层采用FR-4 系列的S1000-2B 半固化片进行多次压合，形成厚度大约在1.6 mm 的6 层PCB 面板。PCB 剖面图如图2 所示。

图2 PCB 板剖面

对于分配信号层，第1 层（顶层）布设射频微波器件并采取共面波导的方式进行射频布线，表面处理为沉金，方便进行组件微波性能调试；第2 层（模拟地层）为完整模拟地平面层；第3 层（信号层）主要进行控制及驱动信号的布设，不同的信号线之间走线满足3-W原则，防止信号间的相互干扰，同时可以减小表层微波信号和底层电源控制信号对其的干扰；第4 层（电源层）主要用于电源平面；第5 层（数字地层）为完整的数字地平面层；第6层（底层）放置控制电路、供电电路和校正信号。

本方案设计中，校正信号的射频接口、选择和滤波放大处理在印制板顶层，而功分传输网络处于底层。因此，需要通过金属化通孔将校正信号顶层传输到底层的功分网络再传输到顶层。设计中为了实现最佳的同轴效应，以保证信号的低损耗传输，进行PCB 布线设计时，在传输线的接地两侧及信号传输的金属化盲孔周围，规则分布若干金属化通孔，以加强传输结构的同轴效应和增强接地效果，从而对信号起到屏蔽效果。

微波电路设计中采用了大量并联和串联无源集总参数元器件，为便于元器件安装和电路调试，本方案微波布线设计模型选用共面波导传输结构。Rogers4350 基片介电常数3.66，厚度0.254 mm，铜箔厚0.035 mm。如图3 所示，特征阻抗为50 Ω 的共面波导线通过计算可得传输线宽度为W=0.6 mm，其对地间距G=0.8 mm。

图3 共面波导阻抗计算

1.2.2 模块结构

为了满足通道间的隔离度，微波模块结构采用框架式的金属材质隔离腔。整个微波模块分成多个独立的小腔，每个小腔中电路单元就形成了一个相对独立的部分。在电路单元连接处的微带线位置，将隔离条进行挖空处理，防止短路。其他部位与顶层基板大面积接触，实现通道间的隔离和良好接地。组装时，将印制板从腔体的底部嵌入到腔体上并采用螺钉紧固，形成一个类似夹心饼干的结构[5-6]，如图4 所示。为了防止信号从空间辐射到其他通道而形成串扰，在屏蔽腔上方增加一个内盖板并采用沉头螺钉紧固。

图4 微波模块结构安装

1.2.3 模块布局

根据雷达接收系统总体分配的结构尺寸和选用元器件高度的要求，接收前端有着相应的小型化要求，因而微波印制板尺寸控制在128 mm×60 mm×1.6 mm 以内。印制板中微波/数字信号混合、元器件多且布信号线密度大，受到结构限制，PCB 元器件布局的关键是合理布设信号链路微波元器件，通过调整元器件的方向和位置使得信号传输路径长度最小和输入远离输出。同时，高功率电路与低功率电路相互远离，敏感的模拟信号与高速数字信号、微波射频信号相互远离。多通道接收组件微波单元的PCB 布局如图5 所示，布局中主要采取如下措施。

（1）微波开关、放大器以及数控衰减器等微波元器件按照射频信号链路方向进行一字布设。由于印制板和腔体空间的限制，链路中无法采用一字布局的电路单元，故采用L 型和U 型布局。

（2）功能电路单元以核心元器件为中心，外围驱动器、电阻以及电容等元器件围绕核心器件进行布局。

（3）相互关联的元器件和电路单元就近布局，相同的电路单元采用相同或者对称的布局。

（4）放大链路中偏置电路的馈电电感与射频通道采用垂直布局，相邻放大链路结合金属腔进行物理隔离，并避免形成环路引起的电路震荡。

图5 多通道接收组件微波单元3D 布局

1.2.4 电源完整性

多通道接收组件包含多路开关、放大器、数控衰减器、电流驱动器以及电源等器件。由于整个组件为分布参数电路，电路中容易产生趋肤效应和耦合效应，存在多种干扰。在多层PCB 中采用较多的电流型驱动芯片，电路运行时当多个器件同时进行开关转换时，将会产生一个较大的瞬态电流从芯片与PCB 板的电源平面通过，此时大的电流涌动会引起地平面电压波动，从而对同一电源/地的其他静态驱动和微波芯片产生干扰，严重时甚至导致其他芯片无法正常工作。为了保证电路在预期下工作，电路板中的电源、地平面的供电阻抗需要依据不同频率控制在一定的范围中。设计中主要采取的措施如下。

（1）电源系统采用DC/DC+LDO 的配置方式，具有宽的电源输入、良好的工作效率和隔离效果，可以减少电源“不干净”带来系统的恶化。

（2）4 组通道中采用相同但独立的电源电路，以提高通道的隔离度，有效降低电源信号在通道间的串扰。

（3）选用自激频率高、Q值高的电容分布在整个电源系统上。每路电源的输出端口采用电感隔离，同时在电感的两端放置不同类型的电容形成π型双电容滤波。其中，大电容（μF 级）滤除低频谐波，小电容（pF 级）滤除高频谐波，提高电源的抗干扰能力。

（4）板上采用许多方形扁平无引脚（Quad Flat No-lead，QFN）封装的芯片，设计中通过引线将去耦电容和芯片引脚直接相连。去耦电容尽可能靠近芯片电源引脚，同时选择的去耦电容自谐振频率包含了噪声频率，使得进入芯片电源滤波效果达到最佳。

2 测试结果

根据以上设计方案，制作了LSC 频段多通道接收前端，实物如图6 所示。利用频谱分析仪、信号源以及适量网路分析仪对组件性能进行测试，测试结果如表1 所示。

图6 组件样品实物照片

表1 组件性能参数

3 结语

针对雷达接收系统部件接收前端，采用多通道设计方法，通过金属框架式结构设计、微波多层复合PCB 设计以及电源完整性设计等，实现了LSC波段多通道接收前端的设计与样品研制。样品测试结果表明，在LSC 波段范围内，多通道接收前端样品具备良好的通道隔离、低噪声以及通道一致性等，有益于雷达接收系统接收灵敏度、接收动态范围等整体性能的提升，对工程实际应用中接收前端的小型化和多层PCB 复合设计有一定指导意义。