基于多層PCB 技術(shù)的多通道接收前端設(shè)計*

胡 貴，馬 濤，涂 建

（1.中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041；2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041）

0 引言

在現(xiàn)代軍隊中，電子偵測、制導、遙控遙測以及通信等電子裝備越來越多。接收系統(tǒng)作為獲取信息的設(shè)備前端，地位至關(guān)重要。接收前端是雷達接收系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響雷達接收系統(tǒng)的整體性能。隨著微波技術(shù)的發(fā)展，多通道、多功能、低成本和小型化已經(jīng)成為當前接收前端的發(fā)展方向[1]。隨著表面貼裝器件的大規(guī)模應用和系統(tǒng)集成封裝技術(shù)的發(fā)展，微波多層電路技術(shù)具有的獨特技術(shù)特點能夠滿足多通道接收前端的應用需求。由于微波多層電路技術(shù)復雜，多層PCB 設(shè)計在通道隔離和電磁兼容設(shè)計方面存在較大的技術(shù)難度。目前，微波頻段的模塊基本采用微波電路板和電源?？刂齐娐钒宸謮K設(shè)計在腔體的上下兩面，中間采用導線連接的設(shè)計模式，致使多通道接收前端的成本居高不下，組件的裝配工藝過程復雜，通道間的幅相一致性調(diào)試難度大。因此，開展微波多層PCB 技術(shù)研究，可以顯著減少組件的生產(chǎn)裝配難度和重量，提高產(chǎn)品性能和生產(chǎn)效率，對實現(xiàn)多通道接收前端的小型化和工程化應用具有十分重要的意義[2-3]。

1 組件設(shè)計

1.1 設(shè)計需求及原理

根據(jù)設(shè)計要求，需要設(shè)計一款LSC頻段接收前端，具備開關(guān)選擇、放大濾波研究檢波輸出等功能，以實現(xiàn)多路接收信號的預選和處理。結(jié)合工程技術(shù)指標要求和工程應用的空間電磁頻譜環(huán)境，接收前端主要由單刀雙擲開關(guān)（Single Pole Double，SPDT）、低噪聲放大器、數(shù)控衰減器（Digital Attenuator，DATT）、四通道YIG 調(diào)諧預選濾波器、定向耦合器和對數(shù)檢波器等構(gòu)成，方案框圖如圖1 所示。

圖1 方案

如圖1 所示，來自天線的LSC 波段射頻信號進入工作/校準模式選擇；選擇開關(guān)后級級聯(lián)的低噪聲放大器和數(shù)控衰減器，可確保寬頻帶范圍內(nèi)接收前端高靈敏度的同時具備大的動態(tài)范圍；利用YIG調(diào)諧濾波器的超寬帶、高選擇性以及極好的調(diào)諧線性度等特性進行信號預選濾波，合路端級聯(lián)低噪聲放大器后進行耦合輸出；定向耦合器主路射頻信號輸出用于后級射頻電路單元。耦合支路信號經(jīng)對數(shù)檢波處理后輸出模擬電壓信號，該信號通過控制單元進行A/D 轉(zhuǎn)換、門限比較后上報用戶，實現(xiàn)系統(tǒng)對接收前端通道的故障監(jiān)測。其中，YIG 調(diào)諧帶通濾波器頻段寬、連續(xù)可調(diào)諧、獨立數(shù)字控制以及可分可合的特性，實現(xiàn)了工作頻段內(nèi)任意頻點干擾信號的抑制，可有效提高鏡像抑制，實現(xiàn)信號預選。

1.2 多通道微波模塊

1.2.1 微波多層PCB 層疊與阻抗

常見的多層印制板設(shè)計有多層PCB 技術(shù)和低溫共燒（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）技術(shù)兩種。相對于多層PCB 技術(shù)，LTCC 技術(shù)燒制成本高，電子聯(lián)裝生產(chǎn)工藝復雜，調(diào)試不方便。按照工程化、小型化和經(jīng)濟化的設(shè)計目標，方案采用多層PCB 技術(shù)進行設(shè)計。

基于功能實現(xiàn)、成本節(jié)約以及電磁干擾控制等因素考慮，設(shè)計采用兩種基材混壓形成復合多層印制板。微波電路板選用具有信號傳輸損失小、介電常數(shù)低、特性阻抗易高精度控制的材料，同時半固化片選擇質(zhì)硬、膨脹系數(shù)小、銅箔附著力強的板材[4]。只有這樣，混壓后形成的印制板才能夠滿足微波性能好、強度好且不容易產(chǎn)生形變、可靠性高的要求。因此，該方案采用6 層板進行設(shè)計，頂層和底層采用Rogers4350（厚度0.254 mm），第3～4 層采用FR-4 系列的S1000-2B 半固化片進行多次壓合，形成厚度大約在1.6 mm 的6 層PCB 面板。PCB 剖面圖如圖2 所示。

圖2 PCB 板剖面

對于分配信號層，第1 層（頂層）布設(shè)射頻微波器件并采取共面波導的方式進行射頻布線，表面處理為沉金，方便進行組件微波性能調(diào)試；第2 層（模擬地層）為完整模擬地平面層；第3 層（信號層）主要進行控制及驅(qū)動信號的布設(shè)，不同的信號線之間走線滿足3-W原則，防止信號間的相互干擾，同時可以減小表層微波信號和底層電源控制信號對其的干擾；第4 層（電源層）主要用于電源平面；第5 層（數(shù)字地層）為完整的數(shù)字地平面層；第6層（底層）放置控制電路、供電電路和校正信號。

本方案設(shè)計中，校正信號的射頻接口、選擇和濾波放大處理在印制板頂層，而功分傳輸網(wǎng)絡(luò)處于底層。因此，需要通過金屬化通孔將校正信號頂層傳輸?shù)降讓拥墓Ψ志W(wǎng)絡(luò)再傳輸?shù)巾攲?。設(shè)計中為了實現(xiàn)最佳的同軸效應，以保證信號的低損耗傳輸，進行PCB 布線設(shè)計時，在傳輸線的接地兩側(cè)及信號傳輸?shù)慕饘倩た字車?，?guī)則分布若干金屬化通孔，以加強傳輸結(jié)構(gòu)的同軸效應和增強接地效果，從而對信號起到屏蔽效果。

微波電路設(shè)計中采用了大量并聯(lián)和串聯(lián)無源集總參數(shù)元器件，為便于元器件安裝和電路調(diào)試，本方案微波布線設(shè)計模型選用共面波導傳輸結(jié)構(gòu)。Rogers4350 基片介電常數(shù)3.66，厚度0.254 mm，銅箔厚0.035 mm。如圖3 所示，特征阻抗為50 Ω 的共面波導線通過計算可得傳輸線寬度為W=0.6 mm，其對地間距G=0.8 mm。

圖3 共面波導阻抗計算

1.2.2 模塊結(jié)構(gòu)

為了滿足通道間的隔離度，微波模塊結(jié)構(gòu)采用框架式的金屬材質(zhì)隔離腔。整個微波模塊分成多個獨立的小腔，每個小腔中電路單元就形成了一個相對獨立的部分。在電路單元連接處的微帶線位置，將隔離條進行挖空處理，防止短路。其他部位與頂層基板大面積接觸，實現(xiàn)通道間的隔離和良好接地。組裝時，將印制板從腔體的底部嵌入到腔體上并采用螺釘緊固，形成一個類似夾心餅干的結(jié)構(gòu)[5-6]，如圖4 所示。為了防止信號從空間輻射到其他通道而形成串擾，在屏蔽腔上方增加一個內(nèi)蓋板并采用沉頭螺釘緊固。

圖4 微波模塊結(jié)構(gòu)安裝

1.2.3 模塊布局

根據(jù)雷達接收系統(tǒng)總體分配的結(jié)構(gòu)尺寸和選用元器件高度的要求，接收前端有著相應的小型化要求，因而微波印制板尺寸控制在128 mm×60 mm×1.6 mm 以內(nèi)。印制板中微波/數(shù)字信號混合、元器件多且布信號線密度大，受到結(jié)構(gòu)限制，PCB 元器件布局的關(guān)鍵是合理布設(shè)信號鏈路微波元器件，通過調(diào)整元器件的方向和位置使得信號傳輸路徑長度最小和輸入遠離輸出。同時，高功率電路與低功率電路相互遠離，敏感的模擬信號與高速數(shù)字信號、微波射頻信號相互遠離。多通道接收組件微波單元的PCB 布局如圖5 所示，布局中主要采取如下措施。

（1）微波開關(guān)、放大器以及數(shù)控衰減器等微波元器件按照射頻信號鏈路方向進行一字布設(shè)。由于印制板和腔體空間的限制，鏈路中無法采用一字布局的電路單元，故采用L 型和U 型布局。

（2）功能電路單元以核心元器件為中心，外圍驅(qū)動器、電阻以及電容等元器件圍繞核心器件進行布局。

（3）相互關(guān)聯(lián)的元器件和電路單元就近布局，相同的電路單元采用相同或者對稱的布局。

（4）放大鏈路中偏置電路的饋電電感與射頻通道采用垂直布局，相鄰放大鏈路結(jié)合金屬腔進行物理隔離，并避免形成環(huán)路引起的電路震蕩。

圖5 多通道接收組件微波單元3D 布局

1.2.4 電源完整性

多通道接收組件包含多路開關(guān)、放大器、數(shù)控衰減器、電流驅(qū)動器以及電源等器件。由于整個組件為分布參數(shù)電路，電路中容易產(chǎn)生趨膚效應和耦合效應，存在多種干擾。在多層PCB 中采用較多的電流型驅(qū)動芯片，電路運行時當多個器件同時進行開關(guān)轉(zhuǎn)換時，將會產(chǎn)生一個較大的瞬態(tài)電流從芯片與PCB 板的電源平面通過，此時大的電流涌動會引起地平面電壓波動，從而對同一電源/地的其他靜態(tài)驅(qū)動和微波芯片產(chǎn)生干擾，嚴重時甚至導致其他芯片無法正常工作。為了保證電路在預期下工作，電路板中的電源、地平面的供電阻抗需要依據(jù)不同頻率控制在一定的范圍中。設(shè)計中主要采取的措施如下。

（1）電源系統(tǒng)采用DC/DC+LDO 的配置方式，具有寬的電源輸入、良好的工作效率和隔離效果，可以減少電源“不干凈”帶來系統(tǒng)的惡化。

（2）4 組通道中采用相同但獨立的電源電路，以提高通道的隔離度，有效降低電源信號在通道間的串擾。

（3）選用自激頻率高、Q值高的電容分布在整個電源系統(tǒng)上。每路電源的輸出端口采用電感隔離，同時在電感的兩端放置不同類型的電容形成π型雙電容濾波。其中，大電容（μF 級）濾除低頻諧波，小電容（pF 級）濾除高頻諧波，提高電源的抗干擾能力。

（4）板上采用許多方形扁平無引腳（Quad Flat No-lead，QFN）封裝的芯片，設(shè)計中通過引線將去耦電容和芯片引腳直接相連。去耦電容盡可能靠近芯片電源引腳，同時選擇的去耦電容自諧振頻率包含了噪聲頻率，使得進入芯片電源濾波效果達到最佳。

2 測試結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計方案，制作了LSC 頻段多通道接收前端，實物如圖6 所示。利用頻譜分析儀、信號源以及適量網(wǎng)路分析儀對組件性能進行測試，測試結(jié)果如表1 所示。

圖6 組件樣品實物照片

表1 組件性能參數(shù)

3 結(jié)語

針對雷達接收系統(tǒng)部件接收前端，采用多通道設(shè)計方法，通過金屬框架式結(jié)構(gòu)設(shè)計、微波多層復合PCB 設(shè)計以及電源完整性設(shè)計等，實現(xiàn)了LSC波段多通道接收前端的設(shè)計與樣品研制。樣品測試結(jié)果表明，在LSC 波段范圍內(nèi)，多通道接收前端樣品具備良好的通道隔離、低噪聲以及通道一致性等，有益于雷達接收系統(tǒng)接收靈敏度、接收動態(tài)范圍等整體性能的提升，對工程實際應用中接收前端的小型化和多層PCB 復合設(shè)計有一定指導意義。