S波段单元数字化接收通道设计

唐亮 刘海明 陈利杰

（中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088）

1 概述

数字阵列雷达是一种新体制相控阵雷达，其特点是每个收发通道都由数字方式完成。随着数模混合集成技术的发展，模数转化器（ADC）采样率和直接数字频率合成（DDS）输出频率均不断提高，数字阵列雷达将会更多的采用单元数字化集成方式。本文根据S波段数字化接收通道的指标要求，完成组件方案设计，利用成熟的商用软件完成组件内部四通道模拟接收电路板、数字子板电路板的布版、信号完整性分析和电磁场仿真，并在此基础上完成了四通道数字组件的实物研发和测试验证。

2 数字化接收通道设计

2.1 电路设计

单元数字化接收通道工作在2.2GHz～2.4GHz，通过下变频将频谱搬移到360MHz，内部涉及到微波芯片、数字芯片、片式元件、BGA塑封元器件等多种形式元器件，集成度高，要求在有限的腔体平面内布局4个射频通道和1个数字子板。鉴于单通道增益高达75dB，在设计时采用射频和数字电路分板设计和分腔隔离。其中单通道末级中频放大器和低通滤波器采用BT基板载体和塑封的形式形成BGA封装的独立模块，通过回流焊装配到数字子板上。射频基板为CLTE基材双面布线的正片结构，即顶层走线为不同逻辑连接的信号线和离散的电源、控制线；数字子板为FR4基材8层布线的负片结构，即每层基本上是相同逻辑连接。

2.2 BGA封装设计

BGA做为先进的封装互联技术之一，已经被广泛应用于数字或低频电路的高密度封装中，具有互联密度高、互联一致性好、互联间距小和组装占用面积小等突出优点。因此对于原理图里中频滤波放大电路，在版图里采用4×4 BGA阵列封装实现设计，通过回流焊工艺装配在数字子板上。电路基板采用FR4板材，Er=3.4、H=0.2mm。BGA焊球采用无铅锡球，直径0.6mm。MMIC和表层微带线之间采用金丝互联传输方式，通过HFSS软件对BGA封装进行建模，对传输线尺寸和BGA焊盘进行优化设计，减小传输过程中的损耗，提高射频信号的完整性。

2.3 SI分析

在信号链路中影响信号完整性的主要因素包括损耗、反射、串扰等。基板布线图上的不连续点会带来信号反射；过孔和垂直过渡引起的阻抗不匹配；高速信号差分对之间的串扰。

对基板中部分带有过孔的信号线进行S参数仿真并提取时域TDR/TDT信号。在HFSS中对高速信号链路提取各网络走线的S参数，得出插损及回损。在ADS软件中对中频电路信号链进行行为级建模。对于BGA封装、通孔结构、信号走线和差分对加入所提取的走线参数模型及器件模型进行瞬态仿真。对中频电路信号链路模型，加入有源器件行为级模型，代入传输线和通孔的HFSS仿真结果，利用瞬态仿真模块进行时间同步数据流仿真来拟合眼图。

其在10Gbps速率下的眼图如图1所示，由图1可以看出，此时眼高为131mV，眼宽为57ps，满足10Gbps传输要求。

图1：眼图仿真结果

2.4 电磁分析

通过HFSS软件对接收通道射频链路腔体进行建模仿真，计算谐振频率，分析腔体效应对电路的影响。

从求解结果可以看出，各模式的谐振频率远离接收通道工作频率。

由电磁场理论得知，矩形谐振腔基模为TE10模，根据本征模式仿真结果，对组件射频链路腔体中基模在电路基板切向面上的电场和磁场进行分析。

图2：腔体谐振模式仿真结果

根据仿真结果，数控衰减器控制信号线附近电磁场场强较大，位于腔体中间，有源器件远离该位置。设计的腔体满足工作频段下电路基板的应用，可以有效地避免信号在腔体内的自激。

根据上述各类仿真，对电路板图设计进行了局部优化，最终完成四通道数字组件设计，结构示意图如图3所示。

3 测试验证

根据上述设计，研制S波段单元数字化接收通道，并对其电讯指标进行了测试，具体测试结果曲线见图4和图5。在工作频带内接收瞬时动态≥40dB，中频输出功率≥13.5dBm，满足系统使用要求。

图4：信噪比测试结果

图5：中频输出测试结果

4 总结

针对S波段单元数字化接收通道设计，利用Cadence软件进行原理图和版图设计、HFSS软件进行无源电路频域和时域传输特性建模仿真、ADS软件完成信号链路SI仿真分析，有效地分析了基板布线、腔体结构对电路性能的影响，并依据仿真结果完成了数字组件优化设计和实物研制，有效地减少后期实物迭代的改版次数，真正的缩短电讯单机交付周期，实现降本增效。