微波射频电路杂波干扰问题技术分析及改进研究

射频百花潭 2022-11-30 00:01

微波射频电路在实际运行过程中,受自身电路设计和外界电磁环境的影响,会产生相应的杂波干扰信号,影响整个射频电路稳定、可靠运行。杂波干扰信号特点各有不同,影响也存在差异化,从而导致相关的抗干扰工作较为复杂。为了有效解决这一问题,应加强微波射频电路杂波干扰问题技术分析,并针对性提出相应的改进措施,提高微波射频电路抗杂波干扰能力。

(射频百花潭配图)
本文在解决微波射频电路抗干扰的技术问题决时,注重提高电路自身抗外部干扰的能力,通过电路内部设计优化,降低电路内部的干扰,从而实现微波射频电路的高抗杂波干扰能力。

1 微波射频电路杂波干扰技术问题分析


(1)电磁环境复杂。在应用过程中,微波射频电路所处的电磁环境较为复杂、空间干扰源较多,使得微波射频电路容易受到空间杂波信号的干扰,从而影响整个电路的指标和正常运行。

(2)微波电路体积小导致电路复杂。随着相控阵技术、多通道射频TR前端的发展,对微波射频前端电路的体积要求越来越小,从而导致微波内部电路的复杂度提高,具体表现为设备、线路以及元器件之间的距离较近,存在交叉布置的问题,容易产生干扰。

(3)数模混合布板带来干扰。随着微波射频电路集成度的提高,数模混合布板越来越常见,数字地和模拟地的分割、数字信号和模拟信号的交叉、数字电源和模拟电源的干扰等,会给模拟电路带来干扰,影响电路质量和指标。

2 微波射频电路杂波干扰技术改进


2.1 针对空间电磁环境复杂的改进技术

为了有效解决微波射频电路电磁环境复杂的问题,可以从RF布局实施改进,具体包括物理分区和电气分区设计。

(1)物理分区设计。在实施物理分区方面:主要包括元器件布局、元器件朝向设置、金属屏蔽功能设置等内容。主要设计思想:相同功能电路布局到一块,与其它功能电路进行分区和空间隔离,干扰源独立布置且独立分腔设计或加屏蔽罩,实现电路与干扰源的隔离,避免产生干扰。

(2)电气分区设计。电气分区设计方面:具体包括电源分配、RF走线、敏感电路和信号以及接地分区。其中,与印地板具有连接关系的电源,必须进行去耦处理,然后通过开关和稳压器实施分配。在PCB布线线宽选择时,电源线直径应尽量较粗。高频率放大器电源可以单独设置电流线,尽量增加宽度,避免发生传输降压问题。放大器、缓冲器、滤波器等设置时,RF输出端应与RF输入端保持较大距离,避免其发生自激振荡,从而造成强烈干扰。

2.2 针对电路体积小和复杂性高的电路改进设计

在实践中,针对微波射频电路体积较小,复杂性较高,从而导致电磁干扰的问题,技术改进的关键在于接收电路部分的优化设计,从而提升电路的接收性能和电磁兼容性、减少整个电路板的成本和尺寸,节约空间。除此以外,还要进行接地设计,消除敏感信号的强烈干扰。详细设计如下。

(1)通过分块处理优化电路结构。针对微波射频电路体积较小、复杂性较高的问题,应进行电路结构优化设计,做到布局合理,距离适宜。采取电路分块处理时,主要包括加高频放大电路、混频电路以及调节电路等内容。最大限度的将强电信号和弱电信号分开设置,将数字信号电路和模拟信号电路分开设计。对于能够完成同一功能的电路,应尽量设置在一定范围之内,缩小信号环路面积,节约电路空间。对于各部分电路的滤波网络,采取就近连接的模式,减少辐射,降低被干扰的几率,提高电路抗干扰能力。

(2)合理进行构件距离设置。微波射频电路内部的元器件、线路、设备等之间的距离是否合理,将会直接影响电路的抗干扰能力。通常情况下,距离越大,干扰信号越弱,距离越小,干扰信号越强。但由于电路体积有限,距离不适宜过大。下面以混频管之间的距离设计为例,详细说明。

在微波射频电路的接收电路设计中,每一组电路中的两个混频二极管之间距离是否科学合理,皆会影响实际的信号接收效果。为了解决这一问题,可以优化设计回波信号和本振信号产生的等值相移的距离。根据实践研究,相移距离可以对混频发生之后两个调制信号共模和差模成分产生影响,从而影响差分放大器效率,影响整个电路。为了使滤波器输出调制信号的效率最大化,必须增加差模信号幅度,即最大化,具体可以转化为求解下述公式最大值。

在一个确定的电路之中,x和y则属于正负号相同的常数,函数主要受到相移距离φ影响,能够取值最大化的条件如下:

所以,φ的最优解为π/2,AB两点对应的相移距离的最优数值为λg/4。

(3)接地设计。通过电路接地设计,能够抑制电磁噪声、控制电磁干扰,尽量降低接地电阻阻抗,保证阻抗信号回流路径最小。对于RF电路板,适宜采用多点串联接地的模式,并对每个地线系统分开铺设,使其与高频系统之间保持一定距离。地线选择的原则为短、直、粗。例如,某电路为双面板且无地线层,在进行接地线宽度设置时,应不低于1.5mm。地线布置如图1所示。

图1 地线的直尺结构与非直尺结构
2.3 数模混合布板下的地分割和滤波处理改进设计

(1)RF布线设计。布线设计工作开展,主要考虑走线宽度、线间距和走线阻抗的问题,通过布线设计解决地分割问题。RF走线具有短、直、粗的特点,应根据需要设置线宽度,且宽度应体现一致性,初始阻抗合理分配。RF走线应尽量位于表层,拐角位置角度以45度为宜。

(2)并行滤波器法。这一方法在实际应用过程中,主要是在杂波出现概率较大的频段之内,设置一组凹口位置具有差异性的杂波抑制滤波器,每个滤波器均可以对输入信号实施滤波处理,并对输出端每个滤波器输出的杂波剩余情况进行判定,选取剩余杂波最小的作为杂波抑制之后的输出。

在设计时,信号抗干扰滤波器应满足以下要求:其一,截止频率范围较宽,在几百KHz到几百MHz之间。其二,滤波器的源阻抗与负载阻抗能够与连接电路的阻抗相协调。其三,应尽量保证滤波器的Q值较小。基于上述原则,设置抗干扰滤波器电路如下所示:

图2 抗干扰滤波器电路

(3)屏蔽设计。当前使用的屏蔽结构主要分为屏蔽格、屏蔽盒、双层屏蔽、敷铜箔绝缘板屏蔽结构四种类型。屏蔽电路布线应遵循以下原则:其一,对于进入金属屏蔽罩的数字信号线,应位于内层,信号层位于接地层之上,中间没有其他层结构;其二,RF信号线通过屏蔽罩缺口时,应在缺口周围大量布地,通过打过孔将不同层上的地连接在一起。

金属屏蔽罩接地设计如果未满足相关要求,将会影响屏蔽功能发挥。对于双层屏蔽罩接地位置设置,应考虑其对电流的影响情况,将信号电路输出端与内屏蔽罩连接在一起。梁屏蔽罩间连接、外屏蔽罩接地位置选在为信号电路输出端。

3 结论


    综上说述,微波射频电路杂波干扰技术,存在电磁环境复杂、体积小、构成复杂、数模板混合等问题,从而产生较大的干扰,不利于电路系统运行。可以合理进行物理分区和电气分区设计,改善其电磁环境,合理设置电路结构,改进混频管距离,节约空间,并设置接地,降低干扰。除此以外,还可以通过合理布线,优化滤波器设计等进行杂波处理,设置金属屏蔽装置,解决线模板混合设置的干扰问题。保证电路优质高效运行。

作者:孙建华,滕新友,牟光红,李亮
来源:电子元器件与信息技术

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