張康雷，王彥革，殷鵬程，張 博，鄭榮磊

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201108）

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)高可靠性器件在航天工程中得到了普遍應(yīng)用。目前，進(jìn)口元器件在實(shí)際使用中存在諸多問(wèn)題，如采購(gòu)周期長(zhǎng)、停產(chǎn)、部分無(wú)法進(jìn)行性能參數(shù)、可靠性篩選等。空間電子設(shè)備所處軌道不同，受到的輻射影響也不同，空間輻射環(huán)境中的帶電離子會(huì)導(dǎo)致電子系統(tǒng)發(fā)生單粒子效應(yīng)，嚴(yán)重影響航天器的可靠性和壽命[1]?？湛胀ㄐ艡C(jī)主要用于航天器之間的交會(huì)對(duì)接，不同型號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射時(shí)，空空通信機(jī)所處的輻射環(huán)境和力學(xué)環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，其中的頻接收模塊使用國(guó)產(chǎn)化抗輻器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并為現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）主芯片增加了力學(xué)加固工裝，加強(qiáng)了模塊可靠性。

1 硬件方案

空空通信機(jī)采用層疊式的安裝方案，中頻接收模塊安裝在最頂層，通過(guò)通信處理FPGA軟件和相應(yīng)硬件后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)的雙向功能[2]。除完成數(shù)據(jù)收發(fā)功能以外，中頻接收模塊還需要具備遙控、遙測(cè)的功能，其遙控包括根據(jù)指令切換功率、工作模式等，遙測(cè)用于監(jiān)測(cè)發(fā)射功率、單機(jī)溫度、當(dāng)前工作模式等狀態(tài)以及實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊解碼功能、軟件功能、同步信息等是否正常[3]。

結(jié)合宇航產(chǎn)品的可靠性要求，中頻處理模塊盡可能選取成熟且具具備宇航工作經(jīng)歷的元器件。綜合中頻接收模塊的功能需求，硬件設(shè)計(jì)主要從二次電源、內(nèi)部信號(hào)處理以及對(duì)外接口3方面展開(kāi)，硬件方案如圖1所示。

圖1 中頻接收模塊硬件方案

1.1 二次電源

中頻處理模塊使用5 V電壓對(duì)模塊進(jìn)行供電，內(nèi)部元器件需使用的電壓分別為3.3 V、2.5 V、1.5 V。本模塊選用了國(guó)產(chǎn)的3款LW5230系列線性穩(wěn)壓器，分別設(shè)計(jì)了電壓轉(zhuǎn)換電路以得到所需要的輸出電壓。LW5230系列穩(wěn)壓器輸出電壓變化≤±0.1%，線性調(diào)整率≤±0.1%，負(fù)載調(diào)整率≤±1%，輸出電壓精度高，且具備過(guò)壓、過(guò)流、輸出短路等保護(hù)功能。一款LW5230系列器件的電壓轉(zhuǎn)換電路如圖2所示，并在電路中設(shè)置輸出電壓測(cè)試點(diǎn)，可利用萬(wàn)用表對(duì)轉(zhuǎn)換后的電壓進(jìn)行測(cè)量，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)預(yù)期后再對(duì)后端電路進(jìn)行加電，保證后端電路及器件的安全性。

圖2 電壓轉(zhuǎn)換電路

1.2 內(nèi)部信號(hào)處理

根據(jù)實(shí)際資源使用需要，中頻接收模塊中使用了1片F(xiàn)PGA芯片，BQR2V3000作為主芯片，是等效系統(tǒng)門(mén)數(shù)為300萬(wàn)門(mén)的SRAM型FPGA，在中頻接收模塊中的作用是完成中頻信號(hào)解擴(kuò)、解調(diào)和基帶信號(hào)的編碼組幀輸出。電源需求為3.3 V和1.5 V，加載方式為slave SelectMap，上電時(shí)所有引腳配置為高電平。FPGA把組幀、編碼和擴(kuò)頻之后的數(shù)據(jù)分成I路和Q路，送至I路接口和Q路接口。

空空通信機(jī)有擴(kuò)頻與非擴(kuò)頻兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，信號(hào)處理硬件配置如圖3所示[4]。中頻接收模塊采用兩片PROM存儲(chǔ)芯片（17V16），用于存儲(chǔ)兩種傳輸模式下的軟件程序，程序之間的切換由外部遙控指令控制，反絨絲FPGA根據(jù)遙控指令讀取PROM存儲(chǔ)芯片中的軟件，并加載到主芯片中[5]。

圖3 信號(hào)處理硬件框圖

1.3 對(duì)外接口

中頻接收模塊輸入輸出采用差分信號(hào)，需完成4組差分信號(hào)輸出、3組差分信號(hào)輸入，因此選用了B54系列B54LVDS031、B54LVDS32兩片國(guó)產(chǎn)LVDS芯片。這一系列芯片可支持處理400 Mb/s（200 MHz）頻率的信號(hào)，采用低功耗的CMOS工藝，340 mV標(biāo)準(zhǔn)差分輸入/輸出電壓，最大4 ns的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)[6]。

2 抗輻射和力學(xué)加固設(shè)計(jì)

2.1 抗輻射設(shè)計(jì)

中頻接收模塊中使用的FPGA主芯片是SRAM型FPGA，易受空間單粒子影響而產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)。FPGA主芯片本身抗電離總劑量能力為100 krad（Si），以中頻接收模塊為壁厚3 mm硬鋁等效屏蔽后軌道輻射總劑量385.0 rad（Si）為基準(zhǔn)，可計(jì)算輻射設(shè)計(jì)裕度為258.7，具備高抗輻能力。在設(shè)計(jì)時(shí)選用PROM來(lái)存儲(chǔ)程序，不存在單粒子翻轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)，所以當(dāng)FPGA內(nèi)部程序區(qū)數(shù)據(jù)被打翻時(shí)，芯片中程序可以通過(guò)重新加載得到恢復(fù)[7]。此外，中頻接收模塊利用反熔絲FPGA完成對(duì)FPGA主芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)程序回讀比對(duì)以及重加載等功能，在設(shè)備開(kāi)機(jī)即為回讀允許狀態(tài)，如果發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)進(jìn)而造成功能中斷，則對(duì)程序進(jìn)行重載，并不斷重復(fù)這個(gè)流程，以抗單粒子翻轉(zhuǎn)[8]。

二次電源設(shè)計(jì)中使用了LW5230系列器件，對(duì)外接口使用了B54系列國(guó)產(chǎn)LVDS芯片，以中頻接收模塊為壁厚3 mm硬鋁等效屏蔽后軌道輻射總劑量為385.0 rad（Si）為基準(zhǔn)，可計(jì)算輻射設(shè)計(jì)裕度（RDM）分別為129.5、776.7，均具備高抗輻能力。

2.2 力學(xué)加固設(shè)計(jì)

FPGA主芯片BQR2V3000是中頻接收模塊的關(guān)鍵器件，底部是高鉛含量的焊柱陣列，中部為陶瓷基板，集成芯片置于基板頂部。在防護(hù)不足情況下進(jìn)行大量級(jí)的力學(xué)試驗(yàn)，可能會(huì)產(chǎn)生晃絲現(xiàn)象，從而造成不可逆的損壞甚至功能喪失。

空空通信機(jī)采用了模塊式設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)上采用層疊安裝，其中中頻接收模塊位于空空通信機(jī)最頂層，最底面為安裝面，整機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。力學(xué)試驗(yàn)過(guò)程中，位于頂層的中頻接收模塊受到的力學(xué)響應(yīng)最大[9]。

圖4 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意

在FPGA主芯片BQR2V3000實(shí)物的四周增加了力學(xué)加固工裝，并在工裝與器件實(shí)物四角銜接處加注環(huán)氧膠防松，如圖5所示。

圖5 FPGA四周擋塊示意

在FPGA主芯片BQR2V3000增加力學(xué)加固工裝后進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，中頻接收模塊可以承受隨機(jī)振動(dòng)總均方根加速度為9.68 grms、正弦振動(dòng)為12 g、沖擊試驗(yàn)為1 500 g量級(jí)的試驗(yàn)條件[10]。

3 結(jié) 論

本文介紹了基于國(guó)產(chǎn)化器件的中頻接收模塊硬件方案，介紹了模塊二次電源、內(nèi)部信號(hào)處理、對(duì)外接口3個(gè)方面的元器件選型方案，從器件抗輻能力及增加的力學(xué)加固措施進(jìn)行闡述，具體指出國(guó)產(chǎn)器件對(duì)于中頻接收模塊的適用性及力學(xué)加固工裝的作用，對(duì)后續(xù)實(shí)現(xiàn)空空通信機(jī)中頻接收模塊國(guó)產(chǎn)化及工程使用具有實(shí)際意義。