雷達(dá)頻率綜合器的可靠性分析與設(shè)計(jì)獲獎(jiǎng)科研報(bào)告引言

隨著頻率合成技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新型頻率綜合器以及頻率合成方式的不斷出現(xiàn)，頻率綜合器已經(jīng)廣泛應(yīng)用在通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、干擾和抗干擾等無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，尤其在雷達(dá)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。頻率綜合器作為雷達(dá)系統(tǒng)的核心，其性能決定了雷達(dá)系統(tǒng)檢測(cè)、跟蹤目標(biāo)的能力。頻率綜合器產(chǎn)生雷達(dá)系統(tǒng)所需的各種不同信號(hào)，這些信號(hào)之間均保持確定的相位關(guān)系，即相位相參，這種雷達(dá)系統(tǒng)統(tǒng)稱(chēng)為全相參系統(tǒng)。本文通過(guò)對(duì)影響雷達(dá)頻率合成器可靠性的因素進(jìn)行分析，采用直接頻率合成技術(shù)，通過(guò)金屬隔離條提高雜散抑制度，運(yùn)用射頻多層板技術(shù)減小體積，采用有效的信號(hào)串?dāng)_隔離屏蔽技術(shù)，優(yōu)化腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以此提高頻率綜合器的電磁兼容性及可靠性。

1頻率綜合器總體設(shè)計(jì)

頻率綜合器由100MHz相參時(shí)鐘信號(hào)、3000MHz的DDS工作時(shí)鐘信號(hào)、1200MHz信處時(shí)鐘信號(hào)、本振信號(hào)、上行信號(hào)等組成，相參時(shí)鐘為FPGA提供時(shí)鐘參考;DDS時(shí)鐘為DDS提供工作參考時(shí)鐘，產(chǎn)生輸出信號(hào);信處時(shí)鐘為信號(hào)處理機(jī)提供采樣頻率，其采樣高低決定了信處機(jī)的處理能力;本振信號(hào)提供雷達(dá)上變頻發(fā)射、下變頻接收回波信號(hào);上行信號(hào)為發(fā)射機(jī)提供輸入?yún)⒖?，產(chǎn)生雷達(dá)發(fā)射信號(hào)。本設(shè)計(jì)的雷達(dá)頻率綜合器以一個(gè)晶振作為基準(zhǔn)源，運(yùn)用功分器、倍頻器、混頻器、放大器、濾波器等器件，通過(guò)倍頻、混頻的方式產(chǎn)生不同輸出頻率的信號(hào)。在總體設(shè)計(jì)中，從開(kāi)始的頻率合成理論方法確定到器件電性能仿真、原理圖設(shè)計(jì)、PCB總體走線(xiàn)布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、電磁兼容性等設(shè)計(jì)進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量可靠性保證，以提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性[2]。

2可靠性分析

從設(shè)計(jì)和工藝兩個(gè)方面對(duì)影響頻率綜合器可靠性的因素進(jìn)行分析，首先通過(guò)設(shè)計(jì)保證可靠性，目前射頻電路板已經(jīng)不再是傳統(tǒng)的射頻單層板拼接設(shè)計(jì)形式，該方式不僅調(diào)試難度大、周期時(shí)間長(zhǎng)，最重要的是信號(hào)不穩(wěn)定，雜散較大，可靠性差。隨著射頻技術(shù)的不斷發(fā)展，射頻電路逐步向小型化、集成化、復(fù)雜化方向發(fā)展[3]。當(dāng)前射頻電路趨于射頻多層板技術(shù)、LTCC技術(shù)、SIP技術(shù)等，相比于其他多層技術(shù)，射頻多層板技術(shù)基于成熟PCB工藝，具有可靠的環(huán)境適應(yīng)性、成本較低、技術(shù)成熟、可靠性較高，滿(mǎn)足軍工對(duì)電路高可靠性及小型化的需求，因此本設(shè)計(jì)采用高可靠性的射頻多層板技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其次通過(guò)加工工藝保證可靠性，主要包括印制板加工和結(jié)構(gòu)腔體加工工藝的可靠性進(jìn)行分析。射頻印制板在加工過(guò)程中，對(duì)射頻走線(xiàn)寬度以及屏蔽射頻信號(hào)接地孔直徑的加工精度要求比較高，這對(duì)信號(hào)的穩(wěn)定性及電磁兼容性影響比較大，通過(guò)分析加工精度與電性能之間的影響關(guān)系，采取方法提高產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性。結(jié)構(gòu)腔體和金屬隔離壓條的設(shè)計(jì)與加工，可以有效提高對(duì)雜波信號(hào)的抑制度，不僅提高了產(chǎn)品的性能指標(biāo)，而且提高了產(chǎn)品質(zhì)量可靠性。

2.1設(shè)計(jì)可靠性分析

采用射頻多層板技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以有效利用空間，不僅可以實(shí)現(xiàn)小型化，還可以保證射頻信號(hào)傳輸?shù)目煽啃裕c傳統(tǒng)的多個(gè)獨(dú)立兩層射頻板拼接在一起，通過(guò)獨(dú)立結(jié)構(gòu)腔體隔離的方式相比較，射頻多層板的每一層都包含地，供電電源單獨(dú)一層，可以有效防止射頻信號(hào)亂穿，提高了射頻信號(hào)的穩(wěn)定度。本頻率綜合器從指標(biāo)、尺寸、性能、成本等方面進(jìn)行考慮，最終選擇了6層印制板工藝，其產(chǎn)生所有輸出的射頻信號(hào)，充分考慮了不同信號(hào)間的走線(xiàn)布局，保證了信號(hào)的完整性;供電電源單獨(dú)一層，通過(guò)過(guò)孔方式給有源器件供電，電壓供電穩(wěn)定，保證了電源的完整性;由于該頻率綜合器產(chǎn)生的上行信號(hào)鏈路中，存在多個(gè)數(shù)控衰減器和可變?cè)鲆娣糯笃饕约皺z波器等控制器件，導(dǎo)致控制信號(hào)線(xiàn)較多，故采用一層作為控制信號(hào)走線(xiàn)，控制線(xiàn)相鄰兩層全為接地層，保證了控制信號(hào)的穩(wěn)定性，從而提高了產(chǎn)品的可靠性。

運(yùn)用一種有效的信號(hào)串?dāng)_隔離屏蔽技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于頻率綜合器產(chǎn)生多種不同信號(hào)，為了防止不同信號(hào)間的相互串?dāng)_，提高信號(hào)間隔離度，該技術(shù)不同于以前的腔體隔離屏蔽，而是根據(jù)射頻多層板內(nèi)部不同信號(hào)走線(xiàn)進(jìn)行布局，將100MHz相參時(shí)鐘信號(hào)、采樣時(shí)鐘信號(hào)1200MHz、DDS時(shí)鐘工作信號(hào)3000MHz、第一本振信號(hào)、第二本振信號(hào)、上行信號(hào)等進(jìn)行PCB布局時(shí)，要進(jìn)行信號(hào)分割布局。這種將不同的信號(hào)用金屬隔墻分割的方式，基本保證每個(gè)分割腔中的信號(hào)單獨(dú)存在，并與射頻多層板通過(guò)螺釘牢牢壓在一起，保證良好接地性，不僅提高抗噪聲能力，更是提高了信號(hào)間的隔離度，提高了工作信號(hào)的穩(wěn)定、可靠性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這種隔離屏蔽技術(shù)既簡(jiǎn)單又高效，雜波信號(hào)抑制度達(dá)到50dBc以上，隔離度達(dá)到70dBc以上。

2.2工藝可靠性分析

印制板加工工藝保證產(chǎn)品質(zhì)量可靠性。印制板加工過(guò)程中對(duì)接地通孔要求比較高，這種接地通孔可以更好地起到電磁屏蔽的作用，其孔徑、孔間距依據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，L為接地孔之間的距離，d為孔徑，為介質(zhì)波長(zhǎng)。目前印制板射頻信號(hào)線(xiàn)的屏蔽接地過(guò)孔加工精度可達(dá)到0.1mm，但是由于其加工難度較大，成本較高，加工可靠性較差，極少數(shù)廠家會(huì)采用該工藝。當(dāng)前0.2mm以上的接地過(guò)孔技術(shù)比較成熟，加工工藝穩(wěn)定可靠。通過(guò)咨詢(xún)加工廠家得知射頻信號(hào)線(xiàn)的屏蔽接地過(guò)孔，90%的加工廠家均采用0.2mm的接地過(guò)孔，屏蔽效果較好。本文接地過(guò)孔直徑均采用d=0.2mm，板材為RO4350B，本設(shè)計(jì)最大射頻信號(hào)約為10GHz，其介質(zhì)波長(zhǎng)約為15mm，由式可得接地孔的孔間距采用0.8mm。射頻信號(hào)走線(xiàn)兩邊需要大面積接地孔，可以屏蔽串?dāng)_信號(hào)，大量接地過(guò)孔可以保證電路板有效散熱，使電路性能穩(wěn)定可靠。

射頻信號(hào)在傳輸鏈路中需要滿(mǎn)足射頻工程中通用的傳輸線(xiàn)50Ω特征阻抗，根據(jù)傳輸線(xiàn)的阻抗特性理論，使用ADS射頻電路仿真軟件對(duì)50Ω?jìng)鬏斁€(xiàn)的線(xiàn)寬進(jìn)行仿真，本設(shè)計(jì)的射頻印制板基板材料采用RO4350B，其介電常數(shù)為3.66，微帶線(xiàn)厚度為35um，其微帶線(xiàn)50Ω特征阻抗的線(xiàn)寬約為0.52mm。通過(guò)詳細(xì)仿真可知，影響微帶線(xiàn)線(xiàn)寬變化較大的主要因素是基板的介電常數(shù)和厚度，當(dāng)基板的介電常數(shù)和厚度確定時(shí)，微帶線(xiàn)的線(xiàn)寬基本確定，微帶線(xiàn)的線(xiàn)寬在0.50mm時(shí)，特征阻抗約為51.4Ω;線(xiàn)寬在0.54mm時(shí)，特征阻抗約為49.1Ω，當(dāng)前微帶線(xiàn)線(xiàn)寬加工工藝精度最高為±0.01mm，但是工藝精度±0.01mm可靠性較差，穩(wěn)定性不高，而±0.02mm加工精度可以有效保證，可靠性較高，故本設(shè)計(jì)采用±0.02mm加工精度。仿真結(jié)果可知，微帶線(xiàn)寬度從0.50mm到0.52mm，特征阻抗變化只有1.4Ω，從0.52mm到0.54mm，特征阻抗變化只有0.9Ω。0.52±0.02mm加工精度引起的阻抗變化僅為2.3Ω，該加工精度與仿真值在實(shí)際中基本沒(méi)有影響，因此本設(shè)計(jì)選用微帶線(xiàn)加工寬度為0.52mm，±0.02mm加工精度，從而保證加工工藝的可靠性。

3電磁兼容性

電磁兼容性主要是產(chǎn)品內(nèi)部和外部電磁兼容性，外部電磁是通過(guò)結(jié)構(gòu)腔體進(jìn)行屏蔽的，內(nèi)部是通過(guò)金屬隔離壓條形式隔離內(nèi)部電磁，防止相互干擾，從而提高電磁兼容性。但是射頻多層板電路在減小體積的同時(shí)，集成度和功率密度隨之提高，電磁環(huán)境則更加復(fù)雜，保證其在復(fù)雜的電磁環(huán)境中正常工作，需要對(duì)射頻電路進(jìn)行良好的電磁兼容設(shè)計(jì)，其主要采取措施為：（1）合理設(shè)計(jì)射頻鏈路阻抗匹配，減少能量的輻射;（2）射頻多層印制板的各個(gè)平面金屬地層良好連接，使各地層之間阻抗一致;（3）對(duì)不同輻射信號(hào)進(jìn)行屏蔽處理;（4）濾波;（5）接地。通過(guò)以上措施可以有效提高電磁兼容性。

4結(jié)束語(yǔ)

本文以雷達(dá)頻率綜合器為研究依托，結(jié)合對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量可靠性的要求，從工藝和設(shè)計(jì)兩個(gè)方面對(duì)頻率綜合器的可靠性進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)過(guò)程中從仿真、原理圖設(shè)計(jì)、PCB