双通道微波收发组件的设计分析

侯宝森

摘 要：以双通道的微波收发组件为研究对象，结合应用环境对该组件所提出的要求，围绕如何使不同通道信号无缝切换，确保通道信号可得到及时发射与接收展开了讨论。首先概括性地介绍了系统设计方案，其次对电路设计要点进行了说明，最后详细叙述了组件设计需要重点考虑的密封和电磁兼容设计，希望能使相关人员受到启发，为日后研究工作的有序推进助力。

关键词：微波收发组件;双通道设计;收发隔离

中图分类号：TN859 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）23-0016-03

Abstract： This paper discusses the two-channel microwave transmission components and the ability to switch different channel signals seamlessly to ensure that the channel signals can be timely transmitted and received. First of all， the system design scheme is introduced， the key points of circuit design are explained， and finally the sealing and electromagnetic compatibility design should be described in detail， hoping to inspire the relevant personnel to help the orderly advance of the future research work.

Keywords： microwave sending and receiving components;dual-channel design;sending and receiving isolation

收发组件通常处于整機系统前端，负责连接信号处理模块与通信系统天线。目前，微波收发组件主要被用于导弹制导、雷达以及电子对抗系统，其作用是快速选取有效信号并对其做放大变换处理，可对系统性能产生巨大影响，具有十分广阔的应用市场。由此可见，围绕该组件展开讨论很有必要，只有以市场需求为依据，对组件类型及功能进行升级，才能使其优势得到更加直观的展示。

1 组件系统设计方案

在制定初期设计方案时，有关人员结合现有研究所取得的成果，对组件进行了整体规划，以科学分配各项指标为前提，确保各功能电路均可得到深化设计。本文所研究组件的组成零件较多，包括但不限于中频放大器、介质振荡器和发射开关，组件装有一个发射通道、两个接收通道。其中，发射通道所发射频率在经过调相器、放大器处理后，可转变成发射信号并通过功率放大器得到发射[1]。而接收通道所接收信号，先要在限幅器的保护下经过低噪声放大处理，再经由下变频到达中频，随后方可被输出。

对组件进行系统设计时，有关人员着重考虑了组件可靠性及安全性，确保各单元电路均满足单独调试的条件。在组件安装完成后，利用弧形银带、金丝键合连接各电路，确保无论处于振动试验还是高低温试验中，组件均能够表现出理想的可靠性。另外，有关人员还对组件结构进行了双面设计，具体来说，就是在壳体两侧分别设置接收部分、发射部分，凭借物理隔离手段，对收发支路间存在的干扰进行抑制，尽量避免出现信号串扰或类似问题。

在电路结构方面，有关人员同样进行了相应的设计。例如，密封组件壳体通过烧结的方式连接壳体与接头，确保组件具备理想的防冲击能力和防震能力。再如，对腔体无调谐盘加以应用，保证即使长期处于振动状态下，振荡器对应相位噪声仍然不会发生明显变化。在此基础上，对组件盖板做激光缝焊处理，确保组件的气密性不会被外界因素影响，实物照片见图1。

2 电路设计

该组件可分成发射支路、本振支路和接收支路。其中，发射支路的功能是脉冲功放及发射开关;本振支路涵盖本振放大器、介质振捣器和调相器等部分;接收支路的组成相对复杂，既有混频器与限幅器，又包括低噪放以及中频放大器。在具体设计过程中，有关人员须重点考虑以下内容。

其一，低相噪源负责向组件提供其所需的本振信号，可对组件性能产生直接影响。而低相噪源所使用的电路形式是介质振荡器，通过振荡器对f0频率进行输出，将振荡频率的浮动范围控制在±5 MHz。本文所研究的系统便安装了振荡器，配合源极输出电路，确保振荡器可发挥出应有作用。

其二，根据接收支路情况对限幅器进行选择，严格控制射频信号输入值，以免出现后续电路被烧毁的情况。在此基础上，对元件进行科学选用，确保增益动态范围可满足相关要求，通过调整电平分配的方式，有效解决信号提前饱和等问题。低噪声放大器所选用单片增益以20 dB为宜，噪声系数应被控制在2 dB左右，这样设计的优点有两个：一是能够精简电路结构，二是可确保电路性能更加稳定。

其三，利用发射开关对脉冲调制信号进行控制。设计组件发射开关面临的难点主要是如何保证发射开关具有理想的开关速度及隔离度。其中，开关速度往往由开关器件类型所决定，本系统计划选用砷化镓二极管，其优势主要是速度快、电流小，可降低后续制作驱动器的难度。在隔离度设计方面，有关人员提出将开关外观更改为细长的腔体，并在输出端及输入端分别安装隔离器。

其四，确保所选用的驱动器、功放管适配组件放大器，由此达到快速调制和输出功率的目的。对组件进行设计时，有关人员应将工艺可靠性以及结构可靠性作为落脚点，使电路满足易实现和高可靠性的要求。关于功放设计，本系统计划采取栅调制的方案，其优势主要体现在时延小以及速度快等方面，既能够使时序要求得到满足，又可以为功放所输出波形对应前后延提供保证。

3 密封设计

3.1 设计理念

在电子系统及整机性能持续提高的背景下，社会各界对电子产品的可靠性、安全性提出了更高的要求，在设计和安装电子组件期间，最应重视的环节为气密性封装。对微波模块而言，密封设计的作用主要是切断壳体内部互连引线、裸露芯片接触外界空气的途径，避免空气所含杂质及水汽对芯片造成负面影响，保证组件性能和使用寿命[2]。现阶段，对电子模块进行气密性封装所使用的方法包括锡封焊接、平行缝焊以及激光缝焊。其中，锡封焊接适用于处理对气密性要求较低的模块，其他模块则需要酌情选用平行缝焊以及激光缝焊。

3.2 具体方案

先通过烧结的方式，将绝缘子、多芯接头和组件接头固定在壳体的指定区域，用螺丝加固内盖板。等到调试工作告一段落，对壳体、组件做激光缝焊处理。另外，考虑到高频微波模块存在电导率高和表面电阻较低的特点，工作人员最终决定将铝合金零件镀银，在可伐合金、铜表面镀金，对于铝制屏蔽盒及其他类似零件，预处理方法以化学导电氧化为主，这样做可使电偶腐蚀速度得到有力控制[3]。本项目所选用组件均采取表面导电氧化+内腔镀银的预处理方法，旨在使工艺的稳定性、可靠性得到保证。焊缝材料性能见表1。

4 电磁兼容设计

4.1 设计理念

对组件进行电磁兼容设计，通常要考虑以下内容：一是对无用电磁发射进行抑制，确保组件不会对环境产生剧烈电磁干扰;二是具备对外界干扰进行抵抗的能力，可在特定电磁环境中长期、稳定运行。

现将设计原则归纳如下：在选择元器件时，优先选用可抑制电磁干扰、减小噪声的元器件，相较于数字电路，振荡模拟电路往往更加安静。在确保布局方案时，以信号特性为依据进行分区，最大程度上避免出现交叉干扰的问题。优化控制电路板布局，对环路面积加以控制。在进行接地设计时，有3方面内容需要引起重视，分别是射频信号、电源信号和模拟信号，如果条件允许，有关人员可对电路板进行多层设计，这样做可有效降低电磁干扰（EMI）问题出现的概率。在设计滤波和隔离时，先要明确其抑制作用与屏蔽相近，除特殊情况外，均可采取反射或吸收噪声的方法降低电磁干扰。现阶段，EMI滤波所适用元器件包括穿心电容器、铁氧体磁芯以及三端电容器，有关人员可酌情选用。屏蔽的作用是对无用电磁能量进行阻挡并吸收，在屏蔽设计环节优先选择铝导体或铜导体，通过增加反射损耗的方式，对500 kHz以上高频磁场进行屏蔽，500 kHz以下低频磁场，则更适合应用钢导体，场的类型通常会对反射损耗产生影响，但不会影响吸收损耗。有关人员应保证屏蔽材料厚度理想，只有这样才能保证屏蔽材料为全频段提供相应的屏蔽功能。

对组件内部进行电磁兼容设计时，有4方面内容需要重点考虑：首先是保证所选用元器件可抑制电磁干扰及噪声的产生，其次是分别对电路板所需电源线与信号线进行布局，再次是根据电磁特性对元器件进行科学分区，最后是对公共抗耦合加以应用。在确定接地区域和铺设地线时，严格控制地环路的实际面积。

4.2 具体方案

在接地设计环节，有关人员考虑到电感对低频电路产生影响极小，为解决多点接地带来的环流干扰问题，提出以下设计方案：若工作频率未达到1 MHz，优先选择单点接地方法;对电感影响较大的高频电路，如果工作频率达到或超过10 MHz，则可以改用就近多点接地，尽量增加地线直径并对其长度加以控制，以此来达到降低地线阻抗的目的。严格区分模拟电路和数字电路，分别将二者与电源端地线相连。由于导体长度和电感的关系为正相关、导体直径和电感的关系为负相关，有关人员指出应优先选择粗且短的接地线，确保接地线所通过电流可达到印制线路板额定电流的3倍，为抗噪效果提供保证[4]。数字电路所对应接地线应形成闭环，这样设计可减小耗电量对电位差值的影响，抗噪能力也可得到一定程度的提高。

对印制板进行设计时，有关人员应最大程度上缩短元件之间的距离，严格控制分布参数并保证电磁干扰可得到有效抑制。增加线缆输出接口与输入接口的距离、信号接口与电源的距离，避免接口附近出现干扰。若元件电位差较高，可酌情增加各元件的距离，这样做能够降低放电导致短路问题出现的概率。元件与电路板边缘的距离应在2 mm及以上，以免因板材边缘形变而导致元件出现故障。双面布线的关键是保证双面导线处于斜交或是相互垂直的位置关系，以此来解决寄生耦合问题。另外，电路输出端和输入端对应印制导线，同样不得采用平行走线设计，如果条件允许，有关人员可以在各导线间新增接地线，确保各导线均具备长期、稳定运行的条件[5]。

5 结语

近年来，随着雷达、通信系统朝着微小型、多样化方向发展，收发组件也逐渐向高可靠性以及小型化靠拢。本文着重讨论了双通道组件设计的要点，一方面是对驱动开关电路进行串联，通过对检波信号加以控制的方式，使信號具备快速调制的功能;另一方面，以实际应用环境为落脚点，对组件进行高可靠性设计，确保组件可为工程应用提供有力支撑。未来研究的重点应落在提高设计灵活性、优化电路布局、升级电路互联形式等方面，确保组件可最大程度上满足用户需求。

参考文献：

[1]李鹏亮，吴欢，张大为，等.基于GaAs pHEMT工艺的Ka频段双通道开关滤波器芯片[J].微波学报，2020（2）：14-17.

[2]郑宏斌，张恒晨，耿同贺.宽带微波微系统自动测试系统的设计与实现[J].半导体技术，2019（10）：82-86.

[3]张楠，常君磊，李庆林，等.双通道离轴遥感相机高稳定性光机结构设计[J].红外与激光工程，2019（4）：199-207.

[4]彭祥飞，江浩，邓林.基于GaN技术的大功率T/R组件可靠性设计与分析[J].装备环境工程，2020（12）：123-126.

[5]李珲.微波组件自动测试系统的构成要素及实现路径[J].电子技术与软件工程，2019（6）：99.