典型微波組件實施方案

1、.目次1 范圍 12 引用文件 13 術語和定義 14 概述 1 4.1 任務來源和設計依據 14.2 用途和功能 24.3 需求分析和特點 25 組成 36 性能特性 4 6.1 性能指標 46.2 環(huán)境適應性 46.3 可靠性 46.4 維修性 46.5 測試性 46.6 電磁兼容性 46.7 接口 56.8 能耗 67 設計 6 7.1 混頻濾波組件 6電路原理6電路結構67.2 開關濾波組件 9電路原理9電路結構97.3 可靠性和環(huán)境適應性設計 117.4 不同方案的比較 118 貫徹“三化”要求采取的措施12Word 文檔.9 計劃進度 12Word 文檔.1 范圍本文件為典型微波組

2、件：混頻濾波組件和開關濾波組件的組成、性能指標、設計制造中的關鍵技術及解決途徑等實施方案。本文件適用于典型微波組件的設計制造。2 引用文件下列文件中的有關條款通過引用而成為本文件的條款。凡注日期或版次的引用文件，其后的任何修改單（不包括勘誤的內容）或修訂版本都不適用于本文件，但提倡使用本文件的各方探討其使用最新版本的可能性。凡不注日期或版次的引用文件，其最新版本適用于本文件。SJ20527A-2003 微波組件設計規(guī)范3 術語和定義略。4 概述4.1任務來源和設計依據為了減少微波分機體積，縮簡研制周期，規(guī)范設計流程，特別對微波系統(tǒng)中常用的混頻濾波和開關濾波，這兩種基本架構進行重新設計和規(guī)范，設

3、計著重于結構外觀的通用和標準，在具體的微波電路上，以此前常用的頻段為示范，特別適用于 8GHz 以下頻率。更高的頻率由于要改換濾波器而不適用，而且高頻器件往往體積很小，對空間的需求較低，雜散和串擾也更為嚴重，在此不予考慮。組件的結構要適用于 CPCI 插盒安裝，一切 CPCI 規(guī)范中的要求，如小型化、散熱情況、電源、電磁兼容等都應該予以考慮。特別在設計中參考了國內外其它公司的成熟組件， 如美國 General Microwave 公司的開關矩陣和接收機開關模塊，開關隔離度高而體積小巧，其機載多功能模塊大量采用了大量集成芯片，包括2 片數控衰減器、 7 只放大器、 1 個功分器、 2 個開關、

4、3 個Word 文檔.耦合器、 6 個溫度補償網絡、 1 個壓控衰減器和16 片高速 PIN 驅動，而大小僅 8916518mm 3，這些芯片都是該公司其它模塊中常用的，可見我們首先要構筑一套基本器件組成庫，優(yōu)化選用，避免一些生僻芯片的使用影響進度，使設計目標難以預知。此外，美國 MITEQ 公司的產品也很值得參考，該公司的組件集成度往往不如前一公司，但是類型更為多樣，使用空間更為廣泛，如三段下變頻組件、微波傳輸組件、射頻分路模塊、開關放大組件等，而且各種組件都已形成系列，一般可以提供覆蓋 0.5GHz18GHz 頻率的產品。相對于我部而言，類似的產品更有借鑒意義，因為我們的產品設計和生產周期

5、往往有限，不可能設計那些功能大而全的組件，應該事先設計好幾種標準的、通用性的模塊，如混頻濾波組件、開關濾波組件、功分放大組件、時鐘產生組件和倍頻鏈這幾種模塊就頗為常用，可以事先在結構上予以定型，這樣對建模和歸檔都十分有利，可以預見，這樣大量具有典型功能的模塊必將大大加快項目的進程。當然，模塊的選擇決不能泛濫，下面主要以混頻濾波組件和開關濾波組件為例探討一二。4.2用途和功能幾乎所有的產品都需要進行混頻，所以混頻濾波組件對于產品是典型而且必須的，對組件的要求是濾波特性要好， 還要做好端口的隔離， 為適應 CPCI 機箱甚至機載的場合，電源選擇不能過多，考慮到散熱的需求，電流也不能過大，最關鍵的是

6、體積決不能大。開關濾波組件也是如此。目前，外購開關價格很高，濾波器的價格則相對較低，最早設計的開關濾波組件反而是外購開關，自制濾波器，設計完成后往往發(fā)生串擾，帶內也極不平坦；再后來兩者均為自制，但是有限的人力使得帶內平坦度還是很難保證；目前的做法是自制開關而外購濾波器，這樣，雖然體積縮小有限，但是成本大為降低，控制和接線也大大減少，方便了在系統(tǒng)尤其是小型化設備中的使用。4.3需求分析和特點Word 文檔.針對 CPCI規(guī)范的要求以及機載等苛刻條件的限制， 幾種組件無論在外形還是在內部都有極大的限制，應合理規(guī)范才能確確實實的作為典型組件使用，才能滿足“三化”的要求，設計指導思想如下：a) 采用成

7、熟的和有繼承性的技術、器件，需要完成與組件配套的芯片的選型，避免使用冷僻的器件；b) 采用模塊化設計、全數字化控制，以保證組件具有非常強的可靠性、可測性和可維護性；c) 結構合理設計、合理布局，做到美觀與實用相結合，尤其還應該考慮到系統(tǒng)中散熱、電磁兼容等的需求；d) 充分滿足現(xiàn)有需要，增強通用性、可擴展性，這樣的典型組件應該能形成系列，在不同使用情況下，更換部分芯片就能使用于新的產品中。5 組成“三化”規(guī)劃中有基帶變頻這一分機，將 50MHz 450MHz 信號上變頻，輸入功率范圍 -10dBm -20dBm ，中間先變頻到 550MHz 950MHz ，再第二次變頻輸出信號 2GHz4GHz

8、，功率范圍 -5dBm +5dBm ，平坦度同輸入基帶信號，雜散惡化小于 3dB，原理如下。LO1.0GHz2.75GHz-4.75GHz2.0-2.6GHzS2.2-3.0GHzS0.05-0.45GHz0.55-0.95GHzP2 4GHzP濾波放大2.6-3.4GHz55T3.0-3.8GHzT3.4-4.0GHz圖 1基帶變頻電路以往使用分立元器件，僅放大器就需要五個，每一個體積為432415mm 3，總計近 20 個元器件，接頭和電纜也多，須兩個 350260 mm 2 的 8N 插盒，占用了大量空間，成本高昂且接線繁瑣，降低了可靠性?，F(xiàn)在電路采Word 文檔.用兩個混頻濾波組件和一

9、個開關濾波組件后，只需要一個233.3516040.64mm 3（8HP）的 CPCI規(guī)范的插盒就能安置。6 性能特性6.1性能指標a) 輸入基帶信號： 50MHz 450MHz ，功率范圍 -10dBm -20dBm ；b) 輸出基帶信號： 2GHz4GHz，功率范圍 -5dBm +5dBm ，平坦度同輸入基帶信號，雜散惡化小于 3dB；c) 接口： SMA；6.2環(huán)境適應性在電訊設計時，元器件選型嚴格按軍標要求，進口元器件選用MIL-883以上等級元器件。國內元器件按國軍標要求，以提高可靠性與環(huán)境適應性。a) 工作溫度： -40 +55 ；b) 存儲溫度： -50 +65 ；c) 相對濕度

10、： 098%（+25 ）；d) 保護：抗震動、防潮濕、防霉菌、防鹽霧、防風等措施；6.3可靠性略。6.4維修性組件采用模塊化設計思路，獨立可更換，信號接口簡單、功能明確，便于維修，當器件損壞時，可立即更換備件?？删S護性： MTTR0.5h。6.5測試性組件接口簡單，容易自測。6.6電磁兼容性本分系統(tǒng)具有良好的電磁兼容性能，能夠適應各種訓練試驗的電磁環(huán)境。電磁兼容設計按 GJB151A-97軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射的敏感性要求 、GJB152A-97軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射的敏感性測試的有關要求進行設計。Word 文檔.電磁兼容性設計是系統(tǒng)設計的一個非常重要的問題，如果在設計研制階段不重視，設備

11、就無法正常工作。為了達到較好電磁兼容性，要從設計上就重視，提高各模塊的抗干擾性能，減少電磁輻射，具體步驟如下：a) 在電路設計中，充分利用濾波、接地、屏蔽以及合理布線等設計技術，以改善電磁兼容性；b) 克服公共地阻抗耦合干擾，此種干擾是由不同的電路或組件，所用電源要經過一段公共地線構成回路而產生的，在設計中要考慮地線的有效性，嚴格保證地線的焊接質量，通過多點接地等措施減小、消除公共地阻抗耦合干擾造成的影響；c) 所用組件，結構件采用導電氧極化表面處理技術，保證密封良好、接地良好；d) 所用器件都經過充分的環(huán)境實驗及篩選，保證產品的可靠性及質量。6.7接口接口如下表：表1混頻濾波組件 1 接口模

12、塊信號接口形式備注輸入 1GHz 本振SMA-K功率 -15 +5dBm混頻濾波輸入信號50 450MHzSMA-K功率 -10 -20dBm組件 1輸出信號550 950MHzSMA-K功率 -10 0dBm電源PDS90+12V表2混頻濾波組件 2 接口模塊信號接口形式備注輸入 2.75 4.75GHz 本振SMA-K功率 -10 +5dBm混頻濾波輸入信號550 950MHzSMA-K功率 -10 0dBm組件 2輸出信號2 4GHzSMA-K功率 -5 +5dBm電源PDS90+12V表3開關濾波組件接口模塊信號接口形式備注開關濾波輸出信號2 4GHzSMA-K功率 -5 +5dBm輸

13、出信號2 4GHzSMA-K功率 -15 -5dBmWord 文檔.組件電源PDS905V6.8能耗能耗：均小于 10W。7 設計7.1混頻濾波組件電路原理典型電路組成原理如圖所示，需要兩個組件才能實現(xiàn)。圖 2典型組成原理電路結構現(xiàn)在設計的電路實際上是以往使用過的類似電路的總結，最早使用的混頻濾波組件均為長方形，一般經過放大混頻 濾波 放大后輸出，這樣總長超過 160mm ，寬度不超過 33mm ，且加電端子總多，三個側面都有輸出，安裝極為不便，很快就舍棄了這種設計。后來的設計大大提高了集成度，某混頻濾波組件原理如下：RFilter1Filter2Filter3LPFLOIFLO12GHz +

14、10dBm2.25-4.25GHz13GHz +10dBm0dBm圖3某混頻濾波組件原理該組件結構設計非常困難，主要是應用了大量嵌入式的模塊，如采用了三個去掉可拆卸接頭的MITEQ 的混頻器；兩個自制高頻放大模塊；兩個自制平行耦合線濾波器；一個自制的懸置微帶濾波器。不僅如此，高頻和低頻部分也有所不同，高頻采用標準 3mm 3mm 走線槽，低頻部分采用普通微帶板，Word 文檔.蓋板有三塊。雖然尺寸不大，為 164mm 97mm 15mm ，且只有一面，但是圖紙還是使用了 A1 幅面，尺寸標注數千項，設計用時一個半月。由于標注復雜，嵌入的模塊高度不一，加工條件有限，殼體多次返工，加之項目末期有設

15、計更改，最后用時比 SP5T開關濾波組件還多。圖4某混頻濾波組件結構圖這種結構的出發(fā)點是好的，但是以我們目前的實際條件，不僅設計加工困難，調試也極為不便，加之接頭很多，難以安裝，不便于擴展使用，不具備繼承性，所以當時在總裝聯(lián)調時就有多個類似結構被還原成分立元件電路，新的結構設計考慮到了上述優(yōu)缺點，實際尺寸的結構如下：Word 文檔.圖 5典型混頻濾波組件結構圖圖中 A 區(qū)為射頻輸入放大器和混頻器，輸入電平過大時，可以僅安置衰減網絡而不添加放大器， 完全比例的電路圖如圖6 所示；B 區(qū)為本振輸入放大器，如果本振太小，可以使用兩級放大以保證混頻器驅動功率；C 區(qū)為濾波器，2長寬不宜超過 4013m

16、m ，如合肥博侖的 C1B 型濾波器結構； D 區(qū)為放大器，2有需要時可以增至兩級放大，也可以放置小于4017mm 的濾波器構成兩級濾波。該電路的特點是：a) 結構簡單便于安裝： 大小為 606015mm 3，所有接頭都在同一側面；設計有兩對不同的安裝孔，其中兩個通孔可以疊放，兩個螺孔用來貼底面安裝；只用了一個加電端子且放置在接頭側面，從底面通孔加電；上下面都有 1mm 厚鋁面板，氣密性好；接頭居于中線，正反安裝都不須另加墊塊。b) 電路典型宜于擴展使用。 在 8GHz 以下，所有器件均是常用器件， 電路的性能可以預估；除了圖 2 所示的典型電路以外，幾乎通用于其它任何混頻電路；該電路對外均是

17、放大器，能很好的與外界元器件隔離，提高了組件的實用性。Word 文檔.c)結構宜于擴展。目前的分立元件構成的功分器特別是1GHz 以上頻率，需要外購功分器，隔離度有限，往往需要用隔離器、放大器或濾波器作為隔離，所設計的典型混頻濾波結構只需要稍微更改A 區(qū)和 B 區(qū)的電路就可實現(xiàn)。圖6放大濾波電路圖7.2開關濾波組件電路原理2.0-2.6GHzS2.2-3.0GHzSPP2 4GHz2.6-3.4GHz55T3.0-3.8GHzT3.4-4.0GHz圖7典型開關濾波電路電路結構開關濾波組件是一成熟的類型，國外如MITEQ 公司有成系列的產品，我部產品中也多次使用，歷年來設計制造的類似組件上十種，

18、在不同產品中發(fā)揮了巨大的作用。其中設計難度最高為一個頻率高達18GHz 的開關濾波組件，背面走線，原理如下：SFilter 1SPFilter 2P5Filter 35Filter 4TFilter 5TWord 文檔.圖8 某開關濾波組件原理圖該組件采用自制的平行耦合線濾波器，第一次試制結構如圖9，尺寸為142mm 76mm 15mm ，銅鍍金，一個月后完成調試，基本滿足指標。除了加工問題，為了保證抑制，還使用了約200 個螺釘，致使調試非常麻煩；在指標上，自制的濾波器高端損耗很大導致全頻帶內平坦度較差；此外，在焊臺上點焊 SP5T過程中發(fā)現(xiàn)組件尺寸過大，影響了組裝進度。圖9開關濾波組件結構

19、圖為了便于組裝調試，同時也易于檢測和維護，正式件（四個）投產時將SP5T單獨設計（包括壓塊等一系列附件），如圖 9。設計僅一周，一個月后到貨，再一個月完成所有安裝調試并交付。圖10 SP5T開關模塊上述電路的設計達到了預期的效果，但是雖然我們能自制各種頻率、各種類型的開關，仍無法滿足過多的需求，更無法形成大批量。且受工藝和加工周期的限制，不建議使用五路以上開關，實際應用時，五路以上開關可以分兩級或更多級制作，便于功率配平和雜散等指標的調試。開關應統(tǒng)一采用嵌入式的模塊，正著手將該類模塊從調制器到SP5T予以定型，便于嵌入組件。Word 文檔.以前也曾嘗試將外購的開關去除接頭嵌入組件， 使用的頻率一般為 4GHz 以下，但大多仍然失敗了。這種結構的組件安裝不易，焊線也困難，開關信號分路后放在同一塊印制板上極易形成串擾，導致雜散無法滿足指標。曾經定制過泰