基于数据挖掘技术的微波多层全交换矩阵
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作者:宋庆辉 郑见树 李晓明
摘要：基于微波多层印制技术提出了一种工作于45～180MHz的平面化8×8全交换矩阵，同时建立了基于数据挖掘的数据分析和迭代体系，并据此对该矩阵进行了设计、测试、分析和调试一体的迭代设计。所实现的8×8全交换矩阵尺寸小于310 mm×170mm×25mm，小批量样机所有输入-输出通路增益范围小于3dB，输入、输出驻波比小于2，开关隔离度优于60 dB，输出-输出（同一输入）隔离优于15dB，输出-输出（不同输入）隔离度优于60dB，在大幅度缩减体积的前提下，指标总体优于传统方案。
关键词：全交换矩阵；微波多层印制技术；Delphiscript；数据挖掘
中图分类号：TN821文献标志码：A文章编号：1008-1739（2022）18-45-06
射频/中频全交换矩阵常用于多用户电子系y的信息共享，在军用电子系统中应用广泛。传统全交换矩阵采用十字盲插的模块化设计[1-2]，具有紧凑的结构和灵活的配置能力，但在当今强调小型化的背景下，模块化方案的尺寸和质量已难以令人接受。
微波多层印制技术[3-8]是基于传统多层PCB工艺的电路技术，可在单一PCB上集成多层微波电路、元件、天线及复杂的互联结构，是实现SIP的重要平台。本文采用微波多层印制技术，研制了一款平面化8×8中频全交换矩阵，将以往需要4U机箱实现的交换矩阵压缩至310 mm×170 mm×25 mm以内（包含屏蔽盒体和接头的尺寸），同时提供了优良的电路性能。
尽管微波多层印制技术可带来种种益处，但设计复杂度却大大增加，射频测试点也大幅减小，调试难度随端口数增加以非线性提高，同时还带来可靠性、维修性及电磁兼容等诸多问题。本文针对微波多层印制技术的设计特点，以所研制的8×8中频全交换矩阵为例，对复杂平面系统的设计思路进行了探讨，提出了基于数据挖掘[9-13]的测试-调试体系，并加以验证。
传统全交换矩阵方案采用模块化设计，复用度高，设计流程类似于“搭积木”，如图1（a）所示；而微波多层技术针对不同路数的方案移植性差，且内部走线复杂，如图1（b）所示，设计成本显著提高。为此，采用通用性设计原则，拟以8×8全交换矩阵为基本单元，分别向上、向下兼容，避免创新程度不高却耗时的重复设计，向上扩展、向下兼容的方式如图1（c）和图1（d）所示。
与传统方案相比，微波多层全交换矩阵的可维修性大幅降低，一方面因为高密的元件排布，另一方面也因为缺乏子一级模块，只能进行整件维修。作为补偿，采用高可靠性的设计思路，具体包括：使用高可靠性二次电源进行电路保护；不使用裸芯片；合理优化、简化方案，使用尽可能少的器件；采用基于数据挖掘的测试-调试体系，避免冗余电路调试，从而控制生产过程中的额外风险。
微波多层电路单位面积成本高，在实现功能指标的前提下，应尽可能减小电路面积，为此采用双面布局，如图1（b）所示。为减轻电磁兼容设计的负担，对中频和电源、控制部分的电路进行了分区。此外，为提高模块的易用性和扩展性，将中频输入、输出接头各自分组，布于模块的上下两侧，而将控制及电源接口置于模块的侧边。
研制交换矩阵虽工作于中频，但最高频率达到了180 MHz，相应空气中波长约1.67 m，介质中1/4波长（材料按Rogers RO4350计）约220 mm，与结构尺寸可比拟，为此应使用分布参数模型及微波网络理论进行分析和设计。
2.1 PCB叠层设计
考虑到可制造型和成本，基板材料选用0.2 mm厚的双面覆铜FR4芯板和0.1 mm厚FR4半固化片。为避免输入端口间的串扰，应为每个输入网络分配单独微波层，这需36层PCB工艺和极复杂的过孔方案，会造成高昂的成本和不可控的周期。为此，经大量仿真验证和方案调整，将8个射频层合并至4个，在满足通道间信号隔离的前提下，使PCB的层数缩减为20层，盲孔种类减少至3种。这大大改善了印制板加工的成品率，并可显著降低生产成本，所使用的叠层结构如图2所示。
2.2基于Delphiscript的版图绘制
随着集成元件数和互联复杂度提高，印制板绘制、审核难度及设计风险都急剧攀升。常用版图软件如Cadence Allegro和Altium Designer都提供了自动布线功能，以降低绘制复杂电路时的设计成本，减少人为失误。然而微波电路的设计需综合考虑电路匹配，分布参数效应、寄生参数效应、三维布局及电磁兼容等问题，难以通过自动布线妥善处理。
拟研制8×8交换矩阵在一块印制板上集成了8套宽带8分路器，8套8选1开关网络，8×8中频交换网络，输入、输出放大器及相应供电、控制电路，集成度很高。若在绘制中进行方案调整和优化，也容易牵一发而动全身，造成很大隐患。然而在另一方面，尽管全交换矩阵的拓扑结构复杂，却具有高度的对称性和规律性，适合利用计算机绘制。
Altium Designer支持DelphiScript脚本语言[14]，并为用户提供了丰富的接口，重复性或规律性强的原理图和版图命令均可通过脚本实现，可有效提高绘制效率并降低人为错误，如图3（a）所示。图3（b）为利用DelphiScript绘制的全交换矩阵版图草图。
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2.3印制板及模K加工
加工的印制板母板及封装后的模块如图所示。图4（a）中，印制板母板包含电装用工艺边（电装完成后去除）。
传统方案中，全交换矩阵的指标会分解到具体模块，对模块进行单独调试和测试后，再进行整体装配和指标测试。平面化交换矩阵因改变了模块的层级结构，省掉了子模块测试、装配的大量工作，但对整体调试带来了巨大挑战。以8×8全交换矩阵为例，传统方案包括16个电路模块，每个模块有9个测试端口，内部测试端口共144个，易进行故障隔离。而平面方案中全部射频接口只有16个，故障隔离难度可想而知。
尽管如此，平面化结构高度对称，测试过程重复性强，适于进行自动测试。另外其产生的数据具有很好的规范性，方便进行数据挖掘。为此将其看作一个16端口黑箱系统，依托自动测试平台获取有代表性的数据，并以挖掘到的信息作为故障和指标的判决依据，对其进行指标调试和性能评估。
3.1自动测试平台
搭建自动测试平台所用的硬件和软件设备如表1所示。
3.2仪器设置及校准
根据指标要求，将矢网的工作频率设为45～180 MHz，输出电平设为-20 dBm。综合考虑测试数据的完整性和时间消耗，传输通路测试频率间隔设为1 MHz，测试项目包括输入回波损耗、输出回波损耗、通路传输增益和通路相移，单个模块的测试时间约1 h。开关隔离度、输出-输出隔离度（同一输入）、输出-输出隔离度（不同输入）的测试则只记录通带内的最大值。
该测试平台利用射频交换网络将2端口矢网扩展为16端口，无法在矢网端校准，需将校准面移至射频交换网络的8个输入端口和8个输出端口。考虑所用延长电缆非测试电缆，长度较长，无法保证TOSM校准的精度，只对64种通路组合做直通校准（后处理），对于所采集的输入、输出回波数据，只用作数据挖掘使用，而不采信为检验标准。
3.3数据分析及调试
使用前述系统对8×8全交换矩阵的一个30套样本进行测试，所得数据形成一个5维矩阵，5个维度分别是模块编号（21～50），输入端口编号（1～8），输出端口编号（1～8），频点序列（45～180），测试项目（输入回波损耗、传输增益、传输相移和输出回波损耗共4个离散点）。
3.3.1 Pearson相关系数分析
3.3.2传输增益分析
通带内传输增益的设计目标是13～16 dB，实测曲线如图5（a）所示，可见曲线簇的上部和下部分别存在若干离群曲线。对离群曲线的编号统计发现，增益较低（曲线簇下方）的离群曲线集中于模块28的输入8端口，范围在3.3.1所分析的异常曲线之内。增益较高的离群曲线则对应于模块43～45的输入7和输入8端口。经查实，该异常为调试人员调节增益时改小输入衰减所致，事后发现该端口存在自激，调试自激后，该端口放大器增益恢复正常，并致整体增益过高。调试模块28的输入8端口，并将模块44和45的衰减恢复至默认值，调整后的30套增益测试曲线如图5（b）所示。可见，增益曲线范围整体处于13.2～15 dB，无明显离群曲线。
以上分析基于通带内增益极值的范围，由于和设计指标相关，其价值普遍性更强。
3.3.3变换域分析
由3.3.1和3.3.2的分析结果知，自激是造成异常数据的主因之一，但3.3.1和3.3.2所述的方法并不能将全部自激通路准确分类。考察正常通路和自激通路的回损曲线发现：正常通路的回损随频率变化缓慢，大体光滑；而自激通路的回损曲线则存在剧烈抖动，相当于在正常曲线上叠加了一个噪声信号。对回损曲线做FFT变换，如图6所示。经观察发现，2组FFT曲线除低端和高端存在共同的高能分量外，中段谱线有明显差别，以此作为判别标准，准确定位到模块28，34和47的3组自激端口数据。
3.3.4一致性分析
θ交换矩阵而言，一致性体现在2个层面：一是单模块内部通路的一致性；另一个则是批量一致性。通过数据积累对产品一致性水平做出预估，有益于生产中的良品筛选和性能标定。图7（a）给出30套模块中不同输入、输出端口间通路相位的分布曲面图。可见各曲面具有高度相似性：输入端口号与输出端口号相差较小时，相移较小；输入端口号与输出端口号相差较大时，相移较大，这是因为平面布局中，各端口间传输通路不对称，输入、输出端口编号差距越大，通路信号的走行路径也越远，如图1（b）所示。传输路径差别除造成固有相移外，也会带来传输线增益差别，这可由图7（b）中各输入、输出端口间通路的增益分布得到验证。
单一模块上的通路差异可由衰减器和移相器预补偿，而不同模块间的一致性主要来源于元器件、传输线及测试、校准系统本身的不确定性，很难在不改变元器件类别、设计和测试方案的前提下改善，某种意义上可认为是一种“本底噪声”。图7（c）为剔除位置信息并对走行路径去嵌入后得到的相位偏移曲线，所有相位的偏移范围在±6°之内，这代表了该方案下测试相位一致性的极限控制水平。类似的，图5（b）也代表了增益一致性的控制水平。
与传统方案相比，本文提出的新型平面化8×8全交换矩阵在大幅缩减体积的前提下，获得了更好的技术指标，具有较高的工程应用价值。在研究过程中所使用的Delphiscipt脚本开发技术和基于数据挖掘的调试-测试技术降低了新方案的开发成本和风险，同时也大幅提高了调试和测试效率。
本文利用自有自动测试平台，获得了高冗余度的测试数据，以此进行简单的数据挖掘，获得了关于交换矩阵较为完整、准确的状态描述，并据此对异常通路进行调试，以低廉的成本获得了理想的调试效果。本文所做的这种尝试，或可为类似的研发过程提供参考。
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