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雷达接收前端是雷达系统和外部环境的中间桥梁,高集成密度,小型化,低成本的雷达接收前端是雷达技术发展的一个重要方向。本文设计了以低温共烧陶瓷(LTCC)作为电路基板的雷达接收前端组件。论文分别从总体方案的选择,基板中的微波互连设计,无源电路的设计,有源单片的选取,整个基板的布局及电磁兼容五个方面详细阐释了接收前端的设计过程。
首先,本文选用了超外差式的接收前端架构,分配了电路各组件的技术指标,根据具体电路指标,选择了微波限幅器,放大器,衰减器,混频器等单片电路。在此基础上利用系统设计工具ADS对整个接收前端进行了系统级仿真,仿真结果满足系统设计要求;
其次,本文研究了LTCC基板中的主要传输线,结合LTCC工艺规范,对网格地情况下的传输线特性作了仿真分析。针对LTCC高密度封装结构中线间耦合严重的问题,研究了隔离通孔对线间耦合的抑制作用,仿真结果显示在平行微带/带状线之间加上隔离通孔阵列能较好的抑制线间耦合。
然后,本文根据前端中无源电路的指标分配,重点研究了无源电路的设计方法。利用电磁场仿真软件HFSS对垂直通孔互连的传输特性作了分析,提取了垂直通孔互联结构的等效电路,研究了不连续性激发的腔体谐振模并提出了相应的抑制方法。在奇偶模分析的基础上,本文设计了耦合度为-30dB的微带耦合器,其仿真结果满足预期指标。
本文设计了两款在接收前端中起选频作用的带通滤波器,分别以集总参数电路和分布参数电路的形式实现。本文对LTCC基板中常见的集总参数元件进行了三维建模和参数抽取,并在此基础上完成了带传输零点集总参数带通滤波器的设计,其阻带抑制度高且所占电路面积小,满足设计初衷。本文编制了任意阶数,任意零点个数的广义切比雪夫滤波器耦合矩阵的综合及优化程序,并利用开口谐振环结构作为谐振单元,设计了一种结构新颖的内埋置多层带通滤波器,该滤波器的谐振单元在两个平面上排列,通过在中间隔离面开缝实现相互间的耦合,这种多层结构避免了平面结构中容易产生多余耦合的问题,而且充分利用了LTCC多层布线的优势,实现了滤波器的小型化。结合实际的加工工艺误差,本文对设计的两款滤波器做了容差分析,仿真结果说明电路加工工艺带来的误差对滤波器性能的影响在可接受的范围之内。本文还对主要的无源器件进行了电磁兼容方面的讨论,为整个前端的布局布线提供了依据。
在对主要无源器件作了电磁兼容分析的基础上,用场到路的链接对整个系统进行了仿真。仿真结果满足预期指标,验证了设计的可行性。本文最后对整个接收前端在十二层基板中进行了布局布线,得到了可用于实际加工的版图。整个接收前端总体积为48mm×28mm×1.2mm,其中有源芯片处于电路表层,主要无源电路在基板内部埋置,实现了微波模块小型化的目的。