標(biāo)準(zhǔn)化思想在微波信道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

沈鵬 劉紅杰

（1 北京遙測(cè)技術(shù)研究所， 北京， 100094；2 航天東方紅衛(wèi)星有限公司， 北京， 100094）

文 摘： 運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化思想改變模式， 充分調(diào)研信道需求， 合理優(yōu)化設(shè)計(jì)， 將信道中通用部分提取出來， 最小化差異部分， 開展通用部分的標(biāo)準(zhǔn)化、 模塊化、 小型化、 貨架化工作， 做到驗(yàn)證試驗(yàn)等工作批量化、 前置化， 減少型號(hào)產(chǎn)品研產(chǎn)工作量、 縮短產(chǎn)品交付周期， 同時(shí)方便產(chǎn)品調(diào)試及返修， 提高產(chǎn)品可靠性。

隨著科技的進(jìn)步， 在航天領(lǐng)域， 探測(cè)、 通信、 導(dǎo)航定位等應(yīng)用不斷蓬勃發(fā)展。 以近年來呈井噴發(fā)展的小衛(wèi)星領(lǐng)域來說， 因具有周期短、 數(shù)量大等特點(diǎn)， 以往以型號(hào)為牽引， 一型號(hào)一設(shè)計(jì)， 多人圍繞一臺(tái)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、 測(cè)試、 試驗(yàn)的低效率生產(chǎn)模型已無法滿足小衛(wèi)星的生產(chǎn)及發(fā)展， 急需開創(chuàng)新的設(shè)計(jì)、 測(cè)試、 管理方法以提高效率。 而作為上述應(yīng)用系統(tǒng)中數(shù)字信號(hào)的橋梁，無線收發(fā)系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著收發(fā)信號(hào)及數(shù)模轉(zhuǎn)換的重要任務(wù)， 也同樣需要合理優(yōu)化、 開展創(chuàng)新， 以匹配新的生產(chǎn)模式。

信道作為無線收發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分， 對(duì)其引入通用化、 模塊化的思想， 結(jié)合當(dāng)下技術(shù)發(fā)展成果， 從設(shè)計(jì)、 測(cè)試、 管理上對(duì)現(xiàn)行科研生產(chǎn)模式進(jìn)行優(yōu)化， 以適應(yīng)當(dāng)前科研生產(chǎn)。

1 標(biāo)準(zhǔn)化思想簡(jiǎn)述

標(biāo)準(zhǔn)化是指對(duì)重復(fù)性的事物和概念， 通過制訂、 發(fā)布和實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到統(tǒng)一， 以獲得最佳秩序和社會(huì)效益。 模塊化是 “現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化” 的核心和前沿， 是標(biāo)準(zhǔn)化原理在信息時(shí)代應(yīng)用上的發(fā)展。通用模塊通過采用高精度、 高一致性方法生產(chǎn)， 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)， 進(jìn)而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率， 縮短設(shè)計(jì)周期， 降低生產(chǎn)成本； 對(duì)于故障模塊， 模塊化的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)快速更換， 簡(jiǎn)化了產(chǎn)品維修。

本文通過將標(biāo)準(zhǔn)化思想應(yīng)用于信道科研生產(chǎn)過程， 結(jié)合設(shè)計(jì)生產(chǎn)測(cè)試實(shí)際， 完成信道產(chǎn)品需求分析、 梳理和規(guī)劃， 以現(xiàn)有成熟高性能的超外差架構(gòu)信道為基礎(chǔ)架構(gòu)， 提取信道共性通用部分獨(dú)立開展生產(chǎn)、 測(cè)試、 試驗(yàn)管理。

2 調(diào)研和需求分析

基帶信號(hào)需要進(jìn)行處理后將頻譜搬移至高頻發(fā)射出去， 接收的信號(hào)也需將其頻譜從高頻搬移至低頻后進(jìn)行處理以還原成基帶信號(hào)。 完成上述功能的電路最初是通過模擬電路實(shí)現(xiàn)的。 這種硬件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致靈活性不高， 調(diào)試難度大。 針對(duì)上述弊端， 上世紀(jì)90 年代出現(xiàn)了軟件無線電概念，希望構(gòu)造一個(gè)開放性、 標(biāo)準(zhǔn)化、 模塊化的通用硬件平臺(tái)， 將傳統(tǒng)無線收發(fā)系統(tǒng)中模擬電路完成的各種功能在數(shù)字域用軟件實(shí)現(xiàn)。 其主要辦法是將數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器、 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器 （D/A、 A/D，簡(jiǎn)稱接口電路） 盡量向天線靠近。 這種方式靈活、 軟件可重構(gòu)， 相對(duì)于硬件電路性能更優(yōu)， 但其射頻工作頻段受接口電路工作頻率帶寬的制約， 無法在很高的頻率應(yīng)用。 本文涉及信道面向小衛(wèi)星應(yīng)用， 其射頻頻率集中在X 頻段， 現(xiàn)有接口電路無法直接工作在該頻段。 因此， 結(jié)合接口電路的發(fā)展實(shí)際， 需合理選擇接口電路工作的中間頻率 （簡(jiǎn)稱中頻）， 通過設(shè)計(jì)射頻前端信道進(jìn)行頻譜上/下搬移以適應(yīng)天線工作頻率， 實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收信號(hào)。

經(jīng)過前期工作， 已研制成功了中繼用通用基帶平臺(tái)， 取得了一定的成果。 但相應(yīng)配套信道部分仍依據(jù) “高頻部分微組裝模塊、 中低頻部分表貼” 的思路設(shè)計(jì)， 高頻電路部分全部使用混合工藝集成在密封模塊內(nèi)部， 靈活性和可靠性不高、難于調(diào)試、 返修不便、 尺寸偏大， 無法滿足去型號(hào)化、 通用化的要求。 因此亟待對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行上層統(tǒng)籌及分析梳理簡(jiǎn)化。

經(jīng)過對(duì)所需中繼信道進(jìn)行調(diào)研， 根據(jù)基帶平臺(tái)的要求及可能的任務(wù)指標(biāo)要求， 選取最大包絡(luò)， 確定帶寬、 信號(hào)功率、 接收信號(hào)功率范圍、噪聲系數(shù)、 自動(dòng)增益控制 （AGC） 范圍、 雜散抑制等， 最終確定信道指標(biāo)， 作為設(shè)計(jì)輸入。

3 結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)

3.1 信道框架設(shè)計(jì)改進(jìn)

信道完成的核心功能是頻譜的搬移。 頻譜搬移需要將輸入信號(hào)及高頻單音載波信號(hào) （本地振蕩器信號(hào)） 輸入混頻器以產(chǎn)生目標(biāo)信號(hào)。 通過混頻器的非線性的作用， 輸出信號(hào)除了具有目標(biāo)信號(hào)外還包含了大量的無用頻率分量， 將干擾有用信號(hào)、 降低信噪比， 導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。 因此需使用濾波器將有用信號(hào)選擇出來， 同時(shí)需放大器將信號(hào)放大以驅(qū)動(dòng)混頻器及滿足信道后級(jí)工作需求。

從上面的分析可知， 信道核心元器件為產(chǎn)生本振信號(hào)的頻率源、 混頻器、 濾波器、 放大器，同時(shí)因無線信號(hào)傳輸環(huán)境及天線指向等原因影響， 接收信號(hào)功率變化較大， 為降低對(duì)接收系統(tǒng)A/D 要求， 接收信道需設(shè)置自動(dòng)增益控制電路（AGC） 以保證進(jìn)入A/D 的信號(hào)電平保持在其最佳范圍內(nèi)。 本文討論的信道使用可控衰減器 （數(shù)字控制、 電壓控制） 以滿足信道增益可調(diào)， 數(shù)字或模擬電壓控制根據(jù)接收基帶平臺(tái)不同而變化。

通過巧妙地設(shè)計(jì)反饋、 匹配電路等手段， 現(xiàn)有射頻器件如混頻器、 放大器、 可控衰減器已經(jīng)可以在整個(gè)X 頻段以內(nèi)提供良好的性能， 這為通用模塊的實(shí)現(xiàn)打下了良好的基礎(chǔ)； 因片上電容電感制作的限制， 在合適的中頻頻段內(nèi)， 可選擇寬帶內(nèi)匹配混合工藝表貼放大器作為通用采購模塊。 另一方面， 不同任務(wù)需要的具體工作頻段不同， 同時(shí)由于超外差架構(gòu)的特點(diǎn)， 頻率源及濾波器需根據(jù)任務(wù)不同進(jìn)行變化， 因此作為專用部分。 根據(jù)任務(wù)要求， 頻率源可以選擇外單位已有的混合工藝小型化集成頻率源貨架產(chǎn)品； 濾波器可選擇貨架模塊產(chǎn)品或印制板自行設(shè)計(jì)。

下面敘述信道鏈路具體設(shè)計(jì)改進(jìn)。 原有混合集成信道鏈路框圖如圖1 和圖2 所示 （虛線框?yàn)镸MIC 芯片及表貼器件混合封裝）， 實(shí)現(xiàn)思路為高頻部分微組裝模塊、 中低頻部分表貼。

從圖1 和圖2 可以發(fā)現(xiàn)， 原設(shè)計(jì)表貼器件過多， 導(dǎo)致產(chǎn)品體積較大； 濾波器隨高頻放大器混頻器一同封裝在一體化封裝模塊中， 一型號(hào)一頻段， 導(dǎo)致濾波器需要重新設(shè)計(jì)更換， 相應(yīng)的模塊也需隨之變化， 需重新設(shè)計(jì)生產(chǎn)測(cè)試試驗(yàn)后方能裝機(jī)， 同時(shí)批量小， 一體化封裝模塊的人力投入產(chǎn)出比??； 濾波器封裝在模塊內(nèi)部， 當(dāng)需調(diào)試時(shí)， 極易因操作不當(dāng)損壞附近高價(jià)值MMIC 芯片， 造成物料成本上升。 經(jīng)改進(jìn)， 調(diào)整鏈路如圖3 和圖4 所示 （虛線框?yàn)镸MIC 芯片的LTCC 基板封裝CQFN）。

圖1 原發(fā)射信道設(shè)計(jì)

圖2 原接收信道設(shè)計(jì)

圖3 改進(jìn)后發(fā)射信道設(shè)計(jì)

圖4 改進(jìn)后接收信道設(shè)計(jì)

發(fā)射信道主要進(jìn)行了以下2 點(diǎn)改動(dòng)：

a） 將濾波器放在封裝模塊外部。 貫徹通用模塊的概念， 該修改利于重復(fù)生產(chǎn)及調(diào)試。 需注意采用高三階交調(diào)點(diǎn) （高輸出1dB 壓縮點(diǎn)） 的放大器， 減少射頻驅(qū)動(dòng)放大器非線性影響， 減輕濾波器位置調(diào)整導(dǎo)致的信號(hào)畸變。

b） 將中頻放大器MMIC 集成進(jìn)通用模塊中，減少通用模塊數(shù)量。 需注意采用寬帶MMIC 芯片滿足潛在工作頻帶需求。

接收信道主要進(jìn)行了以下5 點(diǎn)改動(dòng)：

a） 將濾波器放在封裝模塊外部。 貫徹通用模塊的概念， 該修改利于重復(fù)生產(chǎn)及調(diào)試。

b） 信道首級(jí)低噪聲放大器獨(dú)立封裝為一個(gè)模塊。 需注意， 為保證信道噪聲系數(shù)的要求， 必須將低噪放盡量靠近天線。 建議選擇GaN 產(chǎn)品，若選用GaAs 產(chǎn)品， 需選配限幅器， 防止大信號(hào)輸入時(shí)器件燒毀。

c） 射頻二級(jí)低噪聲放大器與混頻器封裝為一個(gè)模塊。 需注意混頻器芯片選用輸入端口集成低通濾波器的芯片， 可先行抑制本振等高頻雜散信號(hào)強(qiáng)度， 將其降至有用中頻信號(hào)強(qiáng)度以下， 防止中頻電路發(fā)生大信號(hào)阻塞情況。

d） 中頻電路統(tǒng)一采用1dB 壓縮點(diǎn)高的表貼放大器。 該修改在有限提高電路功耗的前提下減少物料種類， 且有效控制中頻放大器的非線性導(dǎo)致的信號(hào)畸變， 使改進(jìn)的中頻鏈路可以先放大再可控衰減及濾波， 增加了通用小型化模塊的種類， 利于產(chǎn)品小型化。

e） 選用寬調(diào)諧范圍的模擬/數(shù)控衰減器， 滿足AGC 調(diào)諧范圍要求， 并同低通濾波器芯片集成封裝。

3.2 工藝實(shí)現(xiàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)

信道設(shè)計(jì)完成后， 需選取合適的實(shí)現(xiàn)工藝以優(yōu)化生產(chǎn)流程， 簡(jiǎn)化生產(chǎn)調(diào)試及可能的返修工作。 原設(shè)計(jì)將高頻電路部分全部使用混合工藝集成在密封模塊內(nèi)部， 模塊中除芯片粘接及金絲互聯(lián)等芯片工藝外也包括使用烙鐵執(zhí)行的器件焊接工藝， 芯片與阻容感器件混合裝配集成， 模塊的返修復(fù)雜， 極易損壞附近完好器件。 因此， 將需調(diào)試焊接器件與高價(jià)值芯片器件分開， 芯片工藝及器件焊接工藝分開， 盡量選用砷化鎵單片微波集成電路 （GaAs MMIC） 以滿足信道通用部分的高一致性， 封裝上選用低溫共燒陶瓷 （LTCC）基板表貼封裝。 MMIC 的制程工藝精度在亞微米級(jí)別， 對(duì)于射頻集成電路的管芯及阻容感集成器件的制作精度已足夠， 各批次經(jīng)在片測(cè)試性能一致性很好； LTCC 基板制作精度在亞毫米級(jí)別，該精度已能保證制作線寬阻抗穩(wěn)定， 對(duì)阻抗不匹配導(dǎo)致的信號(hào)反射能量損失可控在百分之幾內(nèi)。使用LTCC 封裝及芯片粘接、 金絲鍵合連接工藝， 封帽保護(hù)， 可同時(shí)實(shí)現(xiàn)芯片及器件工藝分離及小型化、 安裝焊接工藝兼容， 操作簡(jiǎn)單， 更換維修方便。 性能保證了高一致性、 小型化、 輕量集成。

最終信道產(chǎn)品使用成熟的射頻印制板表貼工藝， 將上述封裝好的模塊及型號(hào)專用器件焊接在設(shè)計(jì)好的射頻印制板上， 最終連接形成整個(gè)產(chǎn)品。 需根據(jù)型號(hào)設(shè)計(jì)的專用部分僅為濾波器及頻率源。 且通過小型化設(shè)計(jì)， 信道產(chǎn)品尺寸進(jìn)一步減小， 使其與基帶的共板集成設(shè)計(jì)成為可能， 在使用現(xiàn)有成熟工藝情況下， 進(jìn)一步縮小產(chǎn)品尺寸， 并保留足夠的靈活性。

3.3 測(cè)試試驗(yàn)和包絡(luò)分析

通過上述規(guī)劃， 產(chǎn)品可作為標(biāo)準(zhǔn)化、 通用化的LTCC 封裝模塊單獨(dú)管理。 管理方案可參照已有微組裝管理方法， 完成各工藝、 測(cè)試、 試驗(yàn)文件的編寫工作及測(cè)試夾具的設(shè)計(jì)生產(chǎn)。 關(guān)于通用模塊的試驗(yàn)可以參考GJB 548 《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》 執(zhí)行。 通過信道鏈路框圖可以發(fā)現(xiàn)， 信道大部分均使用通用模塊實(shí)現(xiàn)， 因此可依據(jù)實(shí)際情況修訂通用模塊試驗(yàn)等文件， 達(dá)到試驗(yàn)驗(yàn)證工作前置， 減輕最終產(chǎn)品相關(guān)工作的壓力。 MMIC 芯片經(jīng)100%在片測(cè)試合格后， 開展芯片粘接及金絲互聯(lián)工作，之后開展后續(xù)測(cè)試試驗(yàn)工作。 未封帽狀態(tài)模塊需按照相關(guān)文件嚴(yán)格執(zhí)行測(cè)試及振動(dòng)、 老煉、 高低溫等環(huán)境試驗(yàn)， 層層篩選， 最終進(jìn)行封帽及性能終測(cè)。所有階段測(cè)試數(shù)據(jù)需記錄全面詳盡真實(shí)， 通過數(shù)據(jù)樣本積累， 開展統(tǒng)計(jì)分析、 包絡(luò)分析， 結(jié)合工藝參數(shù)及工藝操作的離散性開展分析， 畫出有效包絡(luò)，支撐模塊的篩選， 剔除異常模塊。

因芯片集成度高， 異常模塊返修排故需芯片探針以定位故障芯片， 成本較高。 根據(jù)先前經(jīng)驗(yàn)， 芯片損壞絕大部分為測(cè)試使用不當(dāng)及靜電損傷， 上電正常模塊占絕對(duì)比例。 在處理產(chǎn)品時(shí)需嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)防靜電要求及多余物防控要求， 測(cè)試異常模塊返修故障定位目前可通過40 倍顯微鏡檢查輔助排查返修。 后續(xù)是否引進(jìn)芯片探針需綜合考慮探針成本、 模塊損壞概率及報(bào)廢成本計(jì)算費(fèi)效比以決定是否采購。

各型號(hào)信道產(chǎn)品依據(jù)各自型號(hào)要求開展管理。 綜合考慮通用模塊執(zhí)行的相關(guān)工作， 確定各型號(hào)信道產(chǎn)品需執(zhí)行的相關(guān)驗(yàn)證工作， 減少重復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證所造成的浪費(fèi)情況。 通過選用通用模塊與專用頻率源及濾波器等產(chǎn)品的組合， 表貼安裝并總裝形成信道產(chǎn)品， 開始最終產(chǎn)品的性能測(cè)試、 調(diào)試及試驗(yàn)。 測(cè)試試驗(yàn)按照編制的測(cè)試細(xì)則等執(zhí)行直至最終驗(yàn)收交付。

3.4 自動(dòng)化測(cè)試方法

通用模塊的批量生產(chǎn)將使其測(cè)試工作壓力上升。 但批量生產(chǎn)的特點(diǎn)也使得自動(dòng)化測(cè)試成為可能。 自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備由測(cè)試儀器（電源、 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或信號(hào)源頻譜儀等）、 控制計(jì)算機(jī)及測(cè)試線纜組成。 控制計(jì)算機(jī)通過RS232/GPIB/USB/LAN 等接口向測(cè)試儀器發(fā)送SCPI 標(biāo)準(zhǔn)控制命令及參數(shù)來控制測(cè)試儀器。 通過使用C/LabVIEW 等語言， 并根據(jù)上述4 種產(chǎn)品所需測(cè)試的指標(biāo)進(jìn)行編程， 自動(dòng)測(cè)試并記錄相關(guān)結(jié)果， 提高測(cè)試人員效率。

本文對(duì)航天高密度發(fā)射新常態(tài)下信道的標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)行了探討， 對(duì)小衛(wèi)星信道進(jìn)行了梳理和歸納， 采用軟件無線電思想， 基于現(xiàn)有基帶平臺(tái)及成熟工藝， 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化思想對(duì)信道進(jìn)行分解重構(gòu)， 抽取通用部分， 單獨(dú)管理、 工作前置， 模塊通用化、貨架化， 根據(jù)各型號(hào)要求從貨架中選取合適模塊“搭積木” 并完成剩余設(shè)計(jì)， 避免重復(fù)性工作， 提高了效率， 縮短了信道研產(chǎn)周期， 易于調(diào)試及維修， 提高了產(chǎn)品的可靠性， 具有現(xiàn)實(shí)意義。