CPCI在微波系统中的应用1 CPCI介绍1.1 定义EWEB 电子装备模块总线EW Equipment BusCPCI 紧凑型外设组件接口Compact Peripheral Component Interconnect HP 度量单位，1HP=5.08mm1.2 总线要点a)具备开放性、兼容性、成熟性和稳定的数字、视频、射频信号传输能力；b)便于传输控制、地址和处理信息，可适应多种功能模块集成；c)同类种功能模块应具备即插即用的互换性和稳定性；d)现场可更换，并具有相对独立的单元结构；e)具有自检和外部检测端口；f)在同一装备内应选择采用同一标准尺寸，确保电气连接的准确、可靠和现场更换操作；g)所开发研制的模块应经装备主管部门组织的设计定型或技术鉴定。
1.3 一般要求a)基本尺寸为233.35×160×20.32（4HP）,允许宽度上有4HP、8HP两种选择；b)相邻印制板插件上元器件之间高度极限距离应大于2.54mm，元器件的引脚长度应修整到 1.52mm，4HP厚度的模块上元器件高度极限12mm；c)数字和视频连接器等采用CPCI连接器，包括ADF-F-3-10-2-F-25,eHM-F2, UPM-F2, PC1H47M400A等；d)插盒模块的射频连接器优先选用如下表1所示SBMA连接器。
表1 SBMA连接器1.4 处理模块比较EWEB规定的五种模块接口样式（表2），建议使用基本数/模混合处理模块接口，功能如下图1。
图1 基本数/模混合处理模块接口功能该模块中J3用于总线连接并供电；J3用于自定义差分交换链路接口；J5是自定义的后IO接口也可供电，而且该接口样式提供了九路射频端口，足够绝大多数情况下使用。
相比之下其他的几种处理模块或者偏重于数字，或者射频接口太少。
尤其是基本数/模混合处理模块中J1、J3、XJ5接口分别被射频端口隔开，有效避免了走线的密集，同时两边的接口J1和XJ5可以充分利用周边的空间布线而不影响中间组件的安装。
表2 五种类型模块接口的比较DSP控制，可以不使用总线，而是自定义IO，使用基本数/模混合处理模块接口能很方便的在总线和自定义IO之间转换而无需额外设计。
更重要的是该模块有两种结构形式，如图2和图3所示。
形式1中印制板背面间距有限，仅能表贴较薄的芯片，但是上部空间超过15mm，大多数单面的组件都能放置，如果使用8HP的模块，安装空间更是可达35mm，目前已有的元器件中只有YIG滤波器超高，但是仍有超薄型的YIG滤波器可定制。
形式2中背部空间较多，上部空间相对较少，该形式4HP的模块对微波系统作用有限，但是可以广泛应用8HP的模块，这种形式最重要的地方是可以安装全封闭的屏蔽外壳（类似图7）。
假设金属外壳厚2mm，则底部距印制板正面4.61mm，上盖距印制板正面约33mm，可放已有大多数组件，甚至于可以将屏蔽盖作为底板安装微波组件，这类似于以往常用的插盒，既方便装配，又能散热，更有利的散热方式是屏蔽外壳侧面配打小圆孔或条纹孔形成风道。
图2和图3所示射频连接器均为SBMA-JWHD，实际可以使用带弯角件的接头SMA/SBMA-KFK或者替代，便于组件连接。
图2 基本数/模混合处理模块形式I图3 基本数/模混合处理模块形式II1.5 面板指示与检测接口图4是总线标准提供的面板示意图。
指示灯可固化在印制板上，建议只用一个+5V指示。
射频测试最好也只留一个，用作监测或者调试用，太多既不美观又占空间，连接器型号建议使用SMA-KFK2，相同类型中其长度最短小。
矩形插座可用来测试总线输出，同一系统中显然应该使用同规格的插座，但一般情况下建议使用DA15，其中7位用来连接不同的加电端，调试时供电，插入机箱工作时则监测电压变化；另8位用来连接控制信号，其中DDS、ATT 等组件的控制位多，关联性强，出错容易鉴别，又常常用矩形插座输入，调试方便，不需要再连接到面板上，而开关、调制等端口常需检测，又是焊接，可接至面板上，方便调试和监测，对此预留8位控制端应该足够。
图4 面板指示、检测区域划分示意图1.6 背板通常为多层印制板，规定厚度4.8mm，数字/视频插座使用CPCI连接器和CPCI Express的高速连接器，射频插座使用SBMA-KFB3G和SMA/SBMA –KFK。
要求宽度为4HP的模块单件热耗不超过40W，8HP不超过80W。
建议优选的背板示意图和外观如下，通用于模拟和数字混插的机箱。
图5 背板示意图图6 背板外形示意图2 电源2.1 电源介绍交流-直流电源中最常用的是线性电源和开关电源。
当线性电源提供精确输出电压时，它表现的特性犹如在输入和输出之间的一个可变电阻，器件的功耗是(V i-V o)×I o；而开关电源用控制负载平均功率的方法来控制负载上的平均电压，即通过极快的速度进行开关切换，该控制方法称为脉冲宽度调制（PWM）,负载上的平均电压为V o= (t on/T)×V i。
两种电源比较如下：表3 线性电源和开关电源典型值比较2.2 CPCI电源开关电源的体积重量和效率远优于线性电源，在CPCI中得到广泛应用，可定制符合接口要求的商用模块，尺寸为233.5×160×40.32mm，接插件选用型号为PCIH47M400A1。
标准的电压输出一般为±5V和±12V以及+3.3V，允许选用+24V，图7所示为一个定制的CPCI开关电源，输出为+5V50A、+3.3V30A、+12V10A、-12V3A，最大输出功率500W，外部有屏蔽壳。
定制电源只宜作为单个机箱电源使用，不宜用来给其它机箱供电，否则会因互连损耗而降低输出电压和电磁兼容性能，也会因发热集中致使可靠性降低。
必须集中供电时，输出连接线应尽可能短粗，连接器的接触电阻尽可能小，同时要特别注意接地。
接地是抑制电磁噪声和防止干扰的重要方法，包括单点接地、多点接地和混合接地。
单点接地是指在一个线路中，只有一个物理点被定义为接地参考点。
其它各个需要接地的点都直接接到这一点上。
多点接地是指某一个系统中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上，以使接地引线的长度最短。
接地平面，可以是设备的底板，也可以是贯通整个系统的地导线，在比较大的系统中，还可以是设备的结构框架等等。
混合接地是将那些只需高频接地点，利用旁路电容和接地平面连接起来，但应尽量防止出现旁路电容和引线电感构成的谐振现象。
图7 CPCI开关电源2.3 稳压和滤波很多情况下元器件需要不同的电压值，或者需要抑制浪涌信号以保护电路，这样稳压器得到了广泛的应用。
通常所用的LM7805等芯片是简单的三端稳压器，常用的稳压器还包括低压差线性稳压器（low dropout voltage linear regulator —LDO）和开关稳压器等。
开关稳压器种类很多，既有改变压值的升压型和降压型稳压器，也有改变输入电压极性的反相稳压器，还有用于电气隔离的正激和反激型稳压器等。
这些稳压器输出中含有开关脉冲，往往会对模拟电路造成影响，因而更多的应用在数字电路中。
线性稳压器，特别是LDO，具有较高的效率和稳压性能，常用作恒压/恒流调节器或者开关电源的输出稳压。
它不能升压，有些还不能滤波，但输入电压范围较大，输出噪声往往较低，一些型号的输出电压可调，如凌力尔特公司(Linear Technology )的LT3080，MSK公司的MSK5100-00等。
滤波是抑制和防止干扰的一项重要措施。
滤波器可以显著地减小传导干扰的电平，因为干扰频谱成份不等于有用信号的频率，滤波器对于这些与有用信号频率不同的成份有良好的抑制能力，从而起到其它干扰抑制难以起到的作用。
所以，采用滤波网络无论是抑制干扰源和消除干扰耦合，或是增强接收设备的抗干扰能力，都是有力措施。
用阻容和感容去耦网络能把电路与电源隔离开，消除电路之间的耦合，并避免干扰信号进入电路。
对高频电路可采用两个电容器和一个电感器（高频扼流圈）组成的π型滤波器。
滤波器的种类很多，选择适当的滤波器能消除不希望的耦合。
在实际工程中，要滤除的电磁噪声频率往往高达数百MHz，甚至超过1GHz。
对这样高频的电磁噪声必须使用穿心电容才能有效地滤除。
普通电容之所以不能有效地滤除高频噪声，是因为两个原因，一个原因是电容引线电感造成电容谐振，对高频信号呈现较大的阻抗，削弱了对高频信号的旁路作用；另一个原因是导线之间的寄生电容使高频信号发生耦合，降低了滤波效果。
穿心电容之所以能有效地滤除高频噪声，是因为穿心电容不仅没有引线电感造成电容谐振频率过低的问题，而且穿心电容可以直接安装在金属面板上，利用金属面板起到高频隔离的作用。
但是在使用穿心电容时，要注意安装问题。
穿心电容怕高温和温度冲击，这在将穿心电容往金属面板上焊接时造成困难，许多电容在焊接过程中发生损坏。
特别是当需要将大量的穿心电容安装在面板上时，只要有一个损坏，就很难修复，因为在将损坏的电容拆下时，会造成邻近其它电容的损坏。
随着电子设备复杂程度的提高，设备内部强弱电混合安装、数字逻辑电路混合安装的情况越来越多，电路模块之间的相互骚扰成为严重的问题。
解决这种电路模块相互骚扰的方法之一是用金属隔舱将不同性质的电路隔离开。
但是所有穿过隔舱的导线要通过穿心电容，否则会造成隔离失效。
当不同电路模块之间有大量的联线时，在隔舱上安装大量的穿心电容是十分困难的事情。
为了解决这个问题，一些厂商开发了“滤波阵列板”，这是用特殊工艺事先将穿心电容焊接在一块金属板构成的器件，使用滤波阵列板能够解决大量导线穿过金属面板的问题。
2.4 电源对元器件的影响通常我们在微波电路中使用线性电源，这是一种比较保险的方法，因为开关电源和数字电路都会“污染”电源，开关电源主要是因为纹波很大，而数字电路中因为混入大量噪声和杂乱脉冲信号，对模拟电路的负面影响更大。
为了更好的应用电源，对一些常用元器件在开关电源和接有数字/模拟混合电路的电源两种情况下进行了实验。
只使用开关电源时，除了锁相环，包括功率放大器、晶体振荡器、有源谐波发生器在内的元器件都工作正常，这里值得注意的是接地的影响，接电源地和大地都正常，但接入数字地则在频谱仪上出现很多毛刺。
而在数字/模拟混合电路中情况更为恶劣，就连放大器、有源谐波发生器等都会有寄生信号，基底噪声也会抬高。
对于PLL，若在VCO与鉴相器的电源中混有噪声和纹波，则输出波形中产生寄生成分，相位噪声增加；另外，鉴相器常将输入信号与分频器的输出信号通过数字处理进行比较。
为此，鉴相器容易产生输入频率与其高次谐波成分构成的噪声，这些噪声经由电源影响着VCO，这就是使输出信号频谱劣化的主要原因；此外，常用的老式三端稳压器也会导致输出波形失真，当负载较轻时，在三端集成稳压器内部的负反馈电路中产生峰值，将使其噪声增大。
