标准化思想在微波信道设计中的应用

沈鹏 刘红杰

（1 北京遥测技术研究所， 北京， 100094；2 航天东方红卫星有限公司， 北京， 100094）

文 摘： 运用标准化思想改变模式， 充分调研信道需求， 合理优化设计， 将信道中通用部分提取出来， 最小化差异部分， 开展通用部分的标准化、 模块化、 小型化、 货架化工作， 做到验证试验等工作批量化、 前置化， 减少型号产品研产工作量、 缩短产品交付周期， 同时方便产品调试及返修， 提高产品可靠性。

随着科技的进步， 在航天领域， 探测、 通信、 导航定位等应用不断蓬勃发展。 以近年来呈井喷发展的小卫星领域来说， 因具有周期短、 数量大等特点， 以往以型号为牵引， 一型号一设计， 多人围绕一台产品进行设计、 测试、 试验的低效率生产模型已无法满足小卫星的生产及发展， 急需开创新的设计、 测试、 管理方法以提高效率。 而作为上述应用系统中数字信号的桥梁，无线收发系统担负着收发信号及数模转换的重要任务， 也同样需要合理优化、 开展创新， 以匹配新的生产模式。

信道作为无线收发系统的重要组成部分， 对其引入通用化、 模块化的思想， 结合当下技术发展成果， 从设计、 测试、 管理上对现行科研生产模式进行优化， 以适应当前科研生产。

1 标准化思想简述

标准化是指对重复性的事物和概念， 通过制订、 发布和实施标准达到统一， 以获得最佳秩序和社会效益。 模块化是 “现代标准化” 的核心和前沿， 是标准化原理在信息时代应用上的发展。通用模块通过采用高精度、 高一致性方法生产， 实现产品的大规模生产， 进而提高劳动生产率， 缩短设计周期， 降低生产成本； 对于故障模块， 模块化的设计可以实现快速更换， 简化了产品维修。

本文通过将标准化思想应用于信道科研生产过程， 结合设计生产测试实际， 完成信道产品需求分析、 梳理和规划， 以现有成熟高性能的超外差架构信道为基础架构， 提取信道共性通用部分独立开展生产、 测试、 试验管理。

2 调研和需求分析

基带信号需要进行处理后将频谱搬移至高频发射出去， 接收的信号也需将其频谱从高频搬移至低频后进行处理以还原成基带信号。 完成上述功能的电路最初是通过模拟电路实现的。 这种硬件实现导致灵活性不高， 调试难度大。 针对上述弊端， 上世纪90 年代出现了软件无线电概念，希望构造一个开放性、 标准化、 模块化的通用硬件平台， 将传统无线收发系统中模拟电路完成的各种功能在数字域用软件实现。 其主要办法是将数字/模拟转换器、 模拟/数字转换器 （D/A、 A/D，简称接口电路） 尽量向天线靠近。 这种方式灵活、 软件可重构， 相对于硬件电路性能更优， 但其射频工作频段受接口电路工作频率带宽的制约， 无法在很高的频率应用。 本文涉及信道面向小卫星应用， 其射频频率集中在X 频段， 现有接口电路无法直接工作在该频段。 因此， 结合接口电路的发展实际， 需合理选择接口电路工作的中间频率 （简称中频）， 通过设计射频前端信道进行频谱上/下搬移以适应天线工作频率， 实现发射和接收信号。

经过前期工作， 已研制成功了中继用通用基带平台， 取得了一定的成果。 但相应配套信道部分仍依据 “高频部分微组装模块、 中低频部分表贴” 的思路设计， 高频电路部分全部使用混合工艺集成在密封模块内部， 灵活性和可靠性不高、难于调试、 返修不便、 尺寸偏大， 无法满足去型号化、 通用化的要求。 因此亟待对产品进行上层统筹及分析梳理简化。

经过对所需中继信道进行调研， 根据基带平台的要求及可能的任务指标要求， 选取最大包络， 确定带宽、 信号功率、 接收信号功率范围、噪声系数、 自动增益控制 （AGC） 范围、 杂散抑制等， 最终确定信道指标， 作为设计输入。

3 结合标准化思想进行设计

3.1 信道框架设计改进

信道完成的核心功能是频谱的搬移。 频谱搬移需要将输入信号及高频单音载波信号 （本地振荡器信号） 输入混频器以产生目标信号。 通过混频器的非线性的作用， 输出信号除了具有目标信号外还包含了大量的无用频率分量， 将干扰有用信号、 降低信噪比， 导致系统性能下降。 因此需使用滤波器将有用信号选择出来， 同时需放大器将信号放大以驱动混频器及满足信道后级工作需求。

从上面的分析可知， 信道核心元器件为产生本振信号的频率源、 混频器、 滤波器、 放大器，同时因无线信号传输环境及天线指向等原因影响， 接收信号功率变化较大， 为降低对接收系统A/D 要求， 接收信道需设置自动增益控制电路（AGC） 以保证进入A/D 的信号电平保持在其最佳范围内。 本文讨论的信道使用可控衰减器 （数字控制、 电压控制） 以满足信道增益可调， 数字或模拟电压控制根据接收基带平台不同而变化。

通过巧妙地设计反馈、 匹配电路等手段， 现有射频器件如混频器、 放大器、 可控衰减器已经可以在整个X 频段以内提供良好的性能， 这为通用模块的实现打下了良好的基础； 因片上电容电感制作的限制， 在合适的中频频段内， 可选择宽带内匹配混合工艺表贴放大器作为通用采购模块。 另一方面， 不同任务需要的具体工作频段不同， 同时由于超外差架构的特点， 频率源及滤波器需根据任务不同进行变化， 因此作为专用部分。 根据任务要求， 频率源可以选择外单位已有的混合工艺小型化集成频率源货架产品； 滤波器可选择货架模块产品或印制板自行设计。

下面叙述信道链路具体设计改进。 原有混合集成信道链路框图如图1 和图2 所示 （虚线框为MMIC 芯片及表贴器件混合封装）， 实现思路为高频部分微组装模块、 中低频部分表贴。

从图1 和图2 可以发现， 原设计表贴器件过多， 导致产品体积较大； 滤波器随高频放大器混频器一同封装在一体化封装模块中， 一型号一频段， 导致滤波器需要重新设计更换， 相应的模块也需随之变化， 需重新设计生产测试试验后方能装机， 同时批量小， 一体化封装模块的人力投入产出比小； 滤波器封装在模块内部， 当需调试时， 极易因操作不当损坏附近高价值MMIC 芯片， 造成物料成本上升。 经改进， 调整链路如图3 和图4 所示 （虚线框为MMIC 芯片的LTCC 基板封装CQFN）。

图1 原发射信道设计

图2 原接收信道设计

图3 改进后发射信道设计

图4 改进后接收信道设计

发射信道主要进行了以下2 点改动：

a） 将滤波器放在封装模块外部。 贯彻通用模块的概念， 该修改利于重复生产及调试。 需注意采用高三阶交调点 （高输出1dB 压缩点） 的放大器， 减少射频驱动放大器非线性影响， 减轻滤波器位置调整导致的信号畸变。

b） 将中频放大器MMIC 集成进通用模块中，减少通用模块数量。 需注意采用宽带MMIC 芯片满足潜在工作频带需求。

接收信道主要进行了以下5 点改动：

a） 将滤波器放在封装模块外部。 贯彻通用模块的概念， 该修改利于重复生产及调试。

b） 信道首级低噪声放大器独立封装为一个模块。 需注意， 为保证信道噪声系数的要求， 必须将低噪放尽量靠近天线。 建议选择GaN 产品，若选用GaAs 产品， 需选配限幅器， 防止大信号输入时器件烧毁。

c） 射频二级低噪声放大器与混频器封装为一个模块。 需注意混频器芯片选用输入端口集成低通滤波器的芯片， 可先行抑制本振等高频杂散信号强度， 将其降至有用中频信号强度以下， 防止中频电路发生大信号阻塞情况。

d） 中频电路统一采用1dB 压缩点高的表贴放大器。 该修改在有限提高电路功耗的前提下减少物料种类， 且有效控制中频放大器的非线性导致的信号畸变， 使改进的中频链路可以先放大再可控衰减及滤波， 增加了通用小型化模块的种类， 利于产品小型化。

e） 选用宽调谐范围的模拟/数控衰减器， 满足AGC 调谐范围要求， 并同低通滤波器芯片集成封装。

3.2 工艺实现改进设计

信道设计完成后， 需选取合适的实现工艺以优化生产流程， 简化生产调试及可能的返修工作。 原设计将高频电路部分全部使用混合工艺集成在密封模块内部， 模块中除芯片粘接及金丝互联等芯片工艺外也包括使用烙铁执行的器件焊接工艺， 芯片与阻容感器件混合装配集成， 模块的返修复杂， 极易损坏附近完好器件。 因此， 将需调试焊接器件与高价值芯片器件分开， 芯片工艺及器件焊接工艺分开， 尽量选用砷化镓单片微波集成电路 （GaAs MMIC） 以满足信道通用部分的高一致性， 封装上选用低温共烧陶瓷 （LTCC）基板表贴封装。 MMIC 的制程工艺精度在亚微米级别， 对于射频集成电路的管芯及阻容感集成器件的制作精度已足够， 各批次经在片测试性能一致性很好； LTCC 基板制作精度在亚毫米级别，该精度已能保证制作线宽阻抗稳定， 对阻抗不匹配导致的信号反射能量损失可控在百分之几内。使用LTCC 封装及芯片粘接、 金丝键合连接工艺， 封帽保护， 可同时实现芯片及器件工艺分离及小型化、 安装焊接工艺兼容， 操作简单， 更换维修方便。 性能保证了高一致性、 小型化、 轻量集成。

最终信道产品使用成熟的射频印制板表贴工艺， 将上述封装好的模块及型号专用器件焊接在设计好的射频印制板上， 最终连接形成整个产品。 需根据型号设计的专用部分仅为滤波器及频率源。 且通过小型化设计， 信道产品尺寸进一步减小， 使其与基带的共板集成设计成为可能， 在使用现有成熟工艺情况下， 进一步缩小产品尺寸， 并保留足够的灵活性。

3.3 测试试验和包络分析

通过上述规划， 产品可作为标准化、 通用化的LTCC 封装模块单独管理。 管理方案可参照已有微组装管理方法， 完成各工艺、 测试、 试验文件的编写工作及测试夹具的设计生产。 关于通用模块的试验可以参考GJB 548 《微电子器件试验方法和程序》 执行。 通过信道链路框图可以发现， 信道大部分均使用通用模块实现， 因此可依据实际情况修订通用模块试验等文件， 达到试验验证工作前置， 减轻最终产品相关工作的压力。 MMIC 芯片经100%在片测试合格后， 开展芯片粘接及金丝互联工作，之后开展后续测试试验工作。 未封帽状态模块需按照相关文件严格执行测试及振动、 老炼、 高低温等环境试验， 层层筛选， 最终进行封帽及性能终测。所有阶段测试数据需记录全面详尽真实， 通过数据样本积累， 开展统计分析、 包络分析， 结合工艺参数及工艺操作的离散性开展分析， 画出有效包络，支撑模块的筛选， 剔除异常模块。

因芯片集成度高， 异常模块返修排故需芯片探针以定位故障芯片， 成本较高。 根据先前经验， 芯片损坏绝大部分为测试使用不当及静电损伤， 上电正常模块占绝对比例。 在处理产品时需严格执行相关防静电要求及多余物防控要求， 测试异常模块返修故障定位目前可通过40 倍显微镜检查辅助排查返修。 后续是否引进芯片探针需综合考虑探针成本、 模块损坏概率及报废成本计算费效比以决定是否采购。

各型号信道产品依据各自型号要求开展管理。 综合考虑通用模块执行的相关工作， 确定各型号信道产品需执行的相关验证工作， 减少重复试验验证所造成的浪费情况。 通过选用通用模块与专用频率源及滤波器等产品的组合， 表贴安装并总装形成信道产品， 开始最终产品的性能测试、 调试及试验。 测试试验按照编制的测试细则等执行直至最终验收交付。

3.4 自动化测试方法

通用模块的批量生产将使其测试工作压力上升。 但批量生产的特点也使得自动化测试成为可能。 自动化测试设备由测试仪器（电源、 矢量网络分析仪或信号源频谱仪等）、 控制计算机及测试线缆组成。 控制计算机通过RS232/GPIB/USB/LAN 等接口向测试仪器发送SCPI 标准控制命令及参数来控制测试仪器。 通过使用C/LabVIEW 等语言， 并根据上述4 种产品所需测试的指标进行编程， 自动测试并记录相关结果， 提高测试人员效率。

本文对航天高密度发射新常态下信道的标准化工作进行了探讨， 对小卫星信道进行了梳理和归纳， 采用软件无线电思想， 基于现有基带平台及成熟工艺， 应用标准化思想对信道进行分解重构， 抽取通用部分， 单独管理、 工作前置， 模块通用化、货架化， 根据各型号要求从货架中选取合适模块“搭积木” 并完成剩余设计， 避免重复性工作， 提高了效率， 缩短了信道研产周期， 易于调试及维修， 提高了产品的可靠性， 具有现实意义。