射频MCM可同时实现DRFM的小型化和加固
时间：2021-09-06 15:22:09
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[导读]电子战（EW）系统通常部署在地面、海面和机载平台上，以维持在现代战场上的战略战术优势。随着威胁环境的发展，越来越需要在精确制导武器（PGW）中集成先进的电子战能力，这些平台对尺寸、重量和功率（SWaP）要求苛刻，给当今的国防微电子行业带来了挑战。对这些SWaP受限的电子战系统，已...
电子战（EW）系统通常部署在地面、海面和机载平台上，以维持在现代战场上的战略战术优势。随着威胁环境的发展，越来越需要在精确制导武器（PGW）中集成先进的电子战能力，这些平台对尺寸、重量和功率（SWaP）要求苛刻，给当今的国防微电子行业带来了挑战。对这些SWaP受限的电子战系统，已经掌握了生产出高性能、小型化和坚固型的射频元件和模块的相关技术。
电子战系统通常部署在地面、海面和机载平台上，在现代战场上提供战略和战术优势，同时，现代军事力量继续从常规武器向精确制导弹药和具有增强打击能力的导弹发展。对应的，对手则是转向使用电子攻击技术来破坏导航和精确制导武器（PGW）的制导系统，从而减少其功效，使其与20世纪上半叶使用的常规武器类似。为了应对这种新兴的电子攻击威胁，从地面、海面和空中平台发展来的的电子保护微电子学必须改变，须足够紧凑和坚固，大大缩小尺寸以适应PGW，实现这一目标需要数字射频存储器（DRFM）设计的观念发生根本性转变，以将电子战装备嵌入到现代PGW的极为有限的空间中。这些高度小型化的模块，像手掌般大小，非常适合在那些常规DRFM太大而无法应用的导弹和精确制导武器中应用。重新思考DRFM中的RF典型DRFM设计的模拟元件占据了分配的大多数设计空间，微型DRFM只能通过在缩小模拟电路的同时提供在最苛刻的预期作战环境下的坚固性，基于弹药和其特定特征作战环境可能会有很大变化。DRFM模块必须设计成能够承受高频机械振动，发射期间的高加速度，极端热冲击，以及暴露在湿气、盐水或腐蚀性的环境，仅仅解决这些挑战之一都是一项复杂的任务，而同时解决所有这些要求，DRFM架构师需要完全重新考虑模拟电路的设计方法。
多芯片模块（MCM）多芯片模块（MCM）可同时实现这些要求，如图1所示，这是MCM设备的一个例子，通过三个以上方面提高了小型化程度。
图1 射频MCM可同时实现DRFM的小型化和加固射频MCM设备的底部是一个球栅阵列（BGA），通过焊锡球为印刷电路板（PCB）传输电源和所需信号，PCB材料通过谨慎选择以平衡结构强度以及在空间狭窄情况下的散热要求，尽可能选择裸模器件以尽可能使电路小型化。但是，这也带来成本增加和可制造性降低的后果，在工程化设计这一原则下，利用工程化资源可以最大的克服后者带来的风险，然后，即使在最佳情况下，并非所有裸模器件也都可以集成，需要混装制造技术来生产高可靠性的MCM设备。加固数字组件DRFM模块的数字处理元件比射频模拟电路元件数量少的多，可小型化的可能性更小，且数字处理元件的尺寸受商业组件封装的限制，一方面，设计师可以利用三维包装技术，来减少二维平面阵列的DRAM模块的管脚数量。在高速DDR4内存模块中DRAM模块占75％，当嵌入到单个BGA设备中时，最终的封装可提供在极端环境条件下的可靠性优势，三维封装技术使用硅通孔进一步提高了未来SWaP进一步发展的期望，但是该技术具有尚未达到相应的成熟度水平，以满足军方对散热和机械强度的要求。DRFM设计用例在空间狭小的环境中使用的DRFM模块的设计人员一般将其设计空间视为二维平面，通常很少注意第三维， 应用于PGW的小型DRFM对空间要求非常严格，需要将所有可用体积视为可用的设计空间，垂直堆叠和多层印刷电路板的互连几乎将所有可用物理空间进行利用，如图2所示。但是，在如此狭窄的地方，设计师现在必须考虑板间信号的相互作用，同时也要确保整体电子封装的机械强度。
由于DRFM微电子组件被分配给垂直堆叠的单个印刷电路板，因此模块化的概念变得非常重要，如果使用组件，完成同一功能的组件在集成在同一块板上可实现最大的空间利用效率。例如，所有数字组件都已放在图2中的一块板上，而模拟电路位于另一个单独的板上。模块化还提供了其他好处，将数字处理模块与噪声敏感的RF电路分隔开可以天然的实现整个接收链路更高的性能。此外，如果性能受限器件–例如模数转换器（ADC）或现场可编程门阵列（FPGA）–由制造商进行了升级，模块化可在重复使用时不进行设计更改即可实现快速升级，此外，模块化能及早发现并解决制造缺陷，否则在对完全组装的DRFM进行最终测试之前，这些缺陷都不会被发现。
图2 具有模拟和数字功能的常规DRFM设备（左）与同一二维平面上使用三维堆叠的微型DRFM（右）模块化板的对比
空间限制和任务概况将决定需要在设计中进行哪些取舍以优化整体系统性能。例如，如果任务需要实现更高的动态范围，则需要稍微扩大堆叠的DRFM模块的尺寸，因为更大的外形尺寸更适合解决增加动态范围所需功耗而带来的散热问题。与传统的DRFM模块有望具有多年的使用寿命不同，针对PGW定制设计的DRFM模块只需在作战环境中使用几分钟，在完成任务即被自然销毁了，由于使用寿命极短，PGW的DRFM可以运行在非常高的功率水平下–远远超出了常规设计和使用的DRFM –从而需要提供短途飞行中有效的电子保护能力。由于数字化电路工作电压较低，因此这种高功率要求使整个系统的电源设计复杂化，即DRFM系统电源必须在高电流和低电压下运行，并且要求噪声水平非常低。21世纪的精确制导武器武器系统的微电子部件的射频性能与处理复杂性必将持续提升，以应对现代威胁环境的演变，微电子的小型化和坚固性将不足以应对，从模块化和全系统优化出发，微电子产品必须针对现实用例场景专门设计。保持战略和战术优势需要国防体系继续依托商业技术的进步，部署创新和可升级的微电子平台。 雷达通信电子战定位于领域内知识的科普和前沿跟踪，并为铁杆会员提供丰富的资料便捷下载，专业知识的整理共享等服务！今日资料下载关键词：0904
电子战系统通常部署在地面、海面和机载平台上，在现代战场上提供战略和战术优势，同时，现代军事力量继续从常规武器向精确制导弹药和具有增强打击能力的导弹发展。对应的，对手则是转向使用电子攻击技术来破坏导航和精确制导武器（PGW）的制导系统，从而减少其功效，使其与20世纪上半叶使用的常规武器类似。为了应对这种新兴的电子攻击威胁，从地面、海面和空中平台发展来的的电子保护微电子学必须改变，须足够紧凑和坚固，大大缩小尺寸以适应PGW，实现这一目标需要数字射频存储器（DRFM）设计的观念发生根本性转变，以将电子战装备嵌入到现代PGW的极为有限的空间中。这些高度小型化的模块，像手掌般大小，非常适合在那些常规DRFM太大而无法应用的导弹和精确制导武器中应用。重新思考DRFM中的RF典型DRFM设计的模拟元件占据了分配的大多数设计空间，微型DRFM只能通过在缩小模拟电路的同时提供在最苛刻的预期作战环境下的坚固性，基于弹药和其特定特征作战环境可能会有很大变化。DRFM模块必须设计成能够承受高频机械振动，发射期间的高加速度，极端热冲击，以及暴露在湿气、盐水或腐蚀性的环境，仅仅解决这些挑战之一都是一项复杂的任务，而同时解决所有这些要求，DRFM架构师需要完全重新考虑模拟电路的设计方法。
多芯片模块（MCM）多芯片模块（MCM）可同时实现这些要求，如图1所示，这是MCM设备的一个例子，通过三个以上方面提高了小型化程度。
图1 射频MCM可同时实现DRFM的小型化和加固射频MCM设备的底部是一个球栅阵列（BGA），通过焊锡球为印刷电路板（PCB）传输电源和所需信号，PCB材料通过谨慎选择以平衡结构强度以及在空间狭窄情况下的散热要求，尽可能选择裸模器件以尽可能使电路小型化。但是，这也带来成本增加和可制造性降低的后果，在工程化设计这一原则下，利用工程化资源可以最大的克服后者带来的风险，然后，即使在最佳情况下，并非所有裸模器件也都可以集成，需要混装制造技术来生产高可靠性的MCM设备。加固数字组件DRFM模块的数字处理元件比射频模拟电路元件数量少的多，可小型化的可能性更小，且数字处理元件的尺寸受商业组件封装的限制，一方面，设计师可以利用三维包装技术，来减少二维平面阵列的DRAM模块的管脚数量。在高速DDR4内存模块中DRAM模块占75％，当嵌入到单个BGA设备中时，最终的封装可提供在极端环境条件下的可靠性优势，三维封装技术使用硅通孔进一步提高了未来SWaP进一步发展的期望，但是该技术具有尚未达到相应的成熟度水平，以满足军方对散热和机械强度的要求。DRFM设计用例在空间狭小的环境中使用的DRFM模块的设计人员一般将其设计空间视为二维平面，通常很少注意第三维， 应用于PGW的小型DRFM对空间要求非常严格，需要将所有可用体积视为可用的设计空间，垂直堆叠和多层印刷电路板的互连几乎将所有可用物理空间进行利用，如图2所示。但是，在如此狭窄的地方，设计师现在必须考虑板间信号的相互作用，同时也要确保整体电子封装的机械强度。
由于DRFM微电子组件被分配给垂直堆叠的单个印刷电路板，因此模块化的概念变得非常重要，如果使用组件，完成同一功能的组件在集成在同一块板上可实现最大的空间利用效率。例如，所有数字组件都已放在图2中的一块板上，而模拟电路位于另一个单独的板上。模块化还提供了其他好处，将数字处理模块与噪声敏感的RF电路分隔开可以天然的实现整个接收链路更高的性能。此外，如果性能受限器件–例如模数转换器（ADC）或现场可编程门阵列（FPGA）–由制造商进行了升级，模块化可在重复使用时不进行设计更改即可实现快速升级，此外，模块化能及早发现并解决制造缺陷，否则在对完全组装的DRFM进行最终测试之前，这些缺陷都不会被发现。
图2 具有模拟和数字功能的常规DRFM设备（左）与同一二维平面上使用三维堆叠的微型DRFM（右）模块化板的对比
空间限制和任务概况将决定需要在设计中进行哪些取舍以优化整体系统性能。例如，如果任务需要实现更高的动态范围，则需要稍微扩大堆叠的DRFM模块的尺寸，因为更大的外形尺寸更适合解决增加动态范围所需功耗而带来的散热问题。与传统的DRFM模块有望具有多年的使用寿命不同，针对PGW定制设计的DRFM模块只需在作战环境中使用几分钟，在完成任务即被自然销毁了，由于使用寿命极短，PGW的DRFM可以运行在非常高的功率水平下–远远超出了常规设计和使用的DRFM –从而需要提供短途飞行中有效的电子保护能力。由于数字化电路工作电压较低，因此这种高功率要求使整个系统的电源设计复杂化，即DRFM系统电源必须在高电流和低电压下运行，并且要求噪声水平非常低。21世纪的精确制导武器武器系统的微电子部件的射频性能与处理复杂性必将持续提升，以应对现代威胁环境的演变，微电子的小型化和坚固性将不足以应对，从模块化和全系统优化出发，微电子产品必须针对现实用例场景专门设计。保持战略和战术优势需要国防体系继续依托商业技术的进步，部署创新和可升级的微电子平台。 雷达通信电子战定位于领域内知识的科普和前沿跟踪，并为铁杆会员提供丰富的资料便捷下载，专业知识的整理共享等服务！今日资料下载关键词：0904
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