一种高集成超小型收发系统设计

秦颖

（中国电子科技集团公司第十四研究所 江苏省南京市 210000）

数字阵雷达由于波束扫描灵活，抗干扰能力强，能实现系统大动态等优势，被越来越多的应用到各领域的军用电子设备中[1]。数字阵雷达为了实现多目标检测跟踪、多波束形成等要求，通常有很多路收发通道。

传统多通道收发系统结构形式上是一个机箱，包含时钟本振源、多通道前端接收、数字信号产生、上变频发射、定时控制等多个组件。此设计方法功能划分清晰，结构独立，电磁兼容性好，但体积庞大，结构复杂、电路繁琐。因此我们迫切的需要一种设计方法，在满足现代雷达高探测能力的同时，实现多通道收发单元小型化、集成化、低成本。

1 原理设计

本文介绍的这种高集成超小型收发系统就是把传统收发单元内所有功能集成在同一块印制板上，体积仅为原先一个组件的大小。

工作时，雷达控制系统通过光传控制信号将工作模式发送至板上光口，通过FPGA解析该光控制信号，并分发送出此系统用的所有定时信号和天线阵面所需控制。雷达发射时，数字信号产生电路在定时控制下产生低波段中频工作波形，功分多路送至对应的射频SIP。同时，频率源受控分别产生相应工作频点的本振信号，中频信号与本振信号在SIP中通过变频、放大、滤波等一系统处理后合成激励信号，送至阵面对应子阵。

雷达接收时，同时接收天线阵面送来的多路子阵回波信号。每路子阵回波信号经过相同的处理：低噪声放大、抗干扰滤波、通道增益控制、下变频后形成中频信号，再经ADC数字化采样形成数字基带信号，多路基带信号通过一定的协议打包后由光纤传输给信号处理分系统实现DBF[2]。如图1所示。

图1：系统原理框图

2 关键技术分析

2.1 印制板叠层设计

多层印制板叠层合理布局是实现良好信号传输性能的关键因素，影响到整个系统的性能、稳定性以及加工成本。多层复杂电路印制板设计必须科学考虑层数和各层布局，有效调节各层阻抗的连续性，保证信号、电源、地的完整性，有助于屏蔽和抑制电磁干扰。因此，叠层设计必须同时满足加工要求、信号完整性、EMI的要求[3]。

此系统功能复杂，器件繁多，高频电路与数字电路并存。各种类型的器件如FPGA、DA、AD、射频SIP、微型锁相环频率源芯片要布局于同一印制板上。射频信号与、中频信号、低频时钟信号；以及射频信号、数字信号、宽度信号、高速信号等不同频段不同类型的信号在同一载体上传输，电磁环境异常复杂。

其中，大量的低频数字信号翻转时会产生噪声，噪声信号会不断叠加到附近的射频信号上。要模拟信号能被正确解调，就得保证模拟信号在调制、放大、传输等一系列过程中的信噪比。因此，要达到好的传输性能，必须尽可能的使信号相互隔离，减小板内耦合干扰。这就需要对元器件合理布局，选择合适印制板板材和科学设计印制板叠层。

如图2所示，综合考虑PCB板厚和成本，本例中印制板设计为24层，从顶层至底层依次为L1,L2……L24，L1至L14层用普通FR-4板材，L15至L24层用高频板材CLTEXT。首先考虑从物理上对数字信号和模拟信号进行隔离。将数字器件（如FPGA,DA,AD,接口芯片）布局在L1层，模拟器件（如锁相环源芯片,射频SIP,放大器）布局在L24层。数字器件之间的走线及数字地尽量使用L1至L14层的盲孔互联，模拟器件之间的走线及模拟地均使用L24至L15层的盲孔互联，仅少量射频部分的控制信号和中频信号传输通过表层至底层的通孔互联。通过混合板材层压设计，数字模拟用不同种类的盲孔，实现上下数模功能分区、信号逻辑分区。即保证了模拟信号传输质量，减小干扰、布线难度，又能尽量减低印制板厚度，降低印制板生产难度，降低成本。即保证了多功能集成，又使各部分有清晰的区域划分，相对独立的信号传输空间。

图2：印制板叠层参数

2.2 射频SIP在集成化系统中的应用

射频SIP是将各种射频芯片、数模混合芯片、电源芯片等通过高密度转接基板集成封装在一起微系统技术。传统的模拟通道设计都用繁琐复杂的分立器件实现，电路复杂，体积庞大。应用射频SIP后能突破系统体积重量的瓶颈，是实现雷达高性能小型化的核心优势。

本例中每通道模拟部分用一只收发SIP实现模拟处理电路。接收时，天线阵面接收到的回波信号经过SIP进行混频、滤波、放大等，处理成中频信号送至AD；发射时每通道的DDS产生的中频信号通过SIP，处理为激励信号送至天线。

如图3所示，单通道SIP采用基于HTCC基板的三维堆叠技术，上层主要布局无源器件（滤波器组），下层挖腔分腔体布局各功能块有源电路，上下基板用微型焊点连接支撑，上层基板通过可伐围框盖板实现气密封装；下层基板通过过孔将对外接口信号引至底层BGA焊盘。最终在底层BGA上植球或植柱装配至印制板。

图3：射频收发SIP实物图

如图4所示，使用射频SIP，能替代组件中混频器、滤波器、衰减器、放大器、开关、及大量的阻容器件等原模拟收发通道中几乎所有的元器件。不仅利用裸芯片集中再封装能有效缩小体积。还充分利用了高度上的空间，双层堆叠后，面积更加减小。采用多层基板挖腔隔墙设计，保证不同功能电路间的隔离屏蔽。应用SIP金属壳气密封装设计，实现板上通道间的隔离度的同时，减少金属隔墙的使用，简化了组件结构件设计，减轻了组件重量。

图4：射频收发SIP结构图

2.3 集成化布局及信号传输

根据上述的叠层设计，还要对器件进行合理布局，科学的规划信号传输路径，才能实现信号的高效高质量传输。考虑将数字器件均布局在印制板顶层，且尽量集中在印制板上方，这样少量数字信号和数字部分电源互联的通孔也距高频信号也有足够的板间和空间隔离。多个模拟收发通道在印制板下方规律分布。各通道的布局走线完全一致，每路中频输出至AD的走线也设置5mil内等长，从硬件上首先保证各通道信号的一致性。本振、时钟电路也属于模拟电路，也布局在下方靠中间部分，设计独立隔墙结构件避免信号串扰。当通道数过多时，提供变频的本振与某些通道距离较远，可先功分两路用电缆分别传输至左右两侧通道的中间位置，再四功分后用等长带状线送至各SIP。尽量选择用低损耗高屏蔽性的射频电缆代替印制板走线，降低信号传输路径中的损耗和串扰。

系统的与天线单元的接口即为射频收发SIP的输入输出，选用SMP盲插型连接器转接，采用同轴-带状线-同轴互连形式，同时，从连接器焊盘到印制板走线信号传输路径结构变化，造成的阻抗不匹配，需要进行特殊匹配以满足高频信号的传输[4]。由于此处频率可能较高，为了降低信号传输损耗，最好的方法是连接走线尽可能短和宽，过孔短和粗。此例中，设计信号从L24层连接器焊盘处通过单层盲孔至L23层，L23层走线周围铺地，镜像对消作用，且在屏蔽地上设置一定间隔的地过孔，参考地平面为L24和L21层。如图5和图6所示，

图5：高频信号传输仿真模型

图6：高频信号传输仿真结果

对于SIP与印制板的连接，收发SIP与印制板互联时传输路径过长会恶化信号质量。综合考虑工艺可靠性和互联模型仿真结果，SIP与印制板用直径0.5mm焊球连接。如图7所示。

图7：SIP与印制板互联仿真模型

2.4 宽度数字收发技术

2.4.1 中频信号产生

如图8所示，中频信号产生功能采用参数化波形的方式，产生的波形信号完全由数据处理进行控制，给予波形参数设计最大的自由度。当雷达工作时，数据处理通过光路发送包头控制信息至定时功能电路，FPGA在包头信息中解出波形模式字以及相应的参数化波形参数，包括起始频率，截止频率，频率步进以及脉宽等，并在帧起始时刻将参数更新到DAC芯片内，从而产生出相应的波形。

图8：中频信号产生功能电路的原理框图

设计采用高性能射频14bit 2.5GSPS的DAC，可以直接产生DC 到3GHz的信号。其DAC内核采用四相开关结构，从而能提供优越的低失真性能以及业界领先的直接射频输出能力。芯片工作在基带模式时，能在第一奈奎斯特频率内产生的多载波宽带信号；工作在混频模式时，能在第二、三奈奎斯特区域内输出多载波信号。

根据系统最大信号带宽360MHz的要求，我们选择2.4G的时钟，在第二奈奎斯特区产生中心频率1.8GHz的中频信号。如图9所示。

图9：中频信号实测图

2.4.2 数字接收设计

接收信号经过模拟通道处理为中频信号后，经ADC 完成采样和量化，并与数控振荡器产生的同相分量和正交分量分别相乘，进行滤波处理后形成所需的基带I、Q 数据[5]。如图10所示。

图10：基带信号I、Q数据

根据雷达设计要求，此系统共8通道采样，选用4片双通道14位ADC即可实现。收发中频采用同一频率，可降低系统复杂度，简化模拟滤波电路。因此，中频频率1.8GHz，最大采样带宽为360MHz，选择采样时钟为800MHz。采用JESD204B接口与FPGA互联，线速率为5Gbps，简化了系统布线设计，并可实现片间的同步功能。

经过数字下变频后的采样数据，需按照格式打包下传至DBF、信号处理模块。

共8通道数据需下传，根据窄带采样带宽数据率的计算，最大的I、Q采样数据率为360MHz，数据位数为16位，光纤传输中需进行8b/10b编码。每个通道的数据率为360MHz*16bit*2*10/8=14Gbps。因此8根10Gbps光纤可满足数据率为360MHz的模式单通道采样，但8通道采样时，总的数据率为112Gbps，大于80Gbps的传输能力，需要进行软件开窗处理，留足数据下传时间。

3 结论

本文介绍了一种高集成超小型收发系统设计，创新的将频率源、数字收发、多通道模拟收发等多种功能集成一体。应用此设计方法完成的八通道数字收发单元系统尺寸为290*165*15mm，对比上一版本采用传统方法实现的单元，体积缩小到原来的1/20，重量减轻至1/15，功耗减小至1/2。实际测试组件发射杂散小于70dBm；接收动态大于65dB；噪声系数小于6dB；通道隔离度大于45dB。性能良好，满足设计要求，具有积极的工程实践意义，为雷达系统提供了先进的设计思路。