CN215344560U

CN215344560U - 一种Ka波段多通道收发系统

Info

Publication number: CN215344560U
Application number: CN202121759682.6U
Authority: CN
Inventors: 姚常飞; 林昊; 顾希雅; 崔灿
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2021-12-28
Anticipated expiration: 2031-07-30

Abstract

本实用新型公开了一种Ka波段多通道收发系统，包括收发链路模块以及分别与之连接的衰减控制模块、电源模块和本振源模块；收发链路模块包括两路发射链路和四路接收链路，发射链路包括依次连接的第一滤波模块、发射链路数控衰减模块、发射链路混频模块、第二滤波模块和多级放大模块；接收链路包括依次连接的低噪声放大器模块、第三滤波模块、接收链路混频模块、第四滤波模块、接收链路数控衰减模块和放大模块。本实用新型具有发射功率大，带内波动小，接收增益大，噪声系数小等优点。

Description

一种Ka波段多通道收发系统

技术领域

本实用新型涉及微波电子器件领域，尤其涉及一种工作在Ka波段的多通道收发系统的设计方案。

背景技术

毫米波的特性决定了波长比较短，波长对应的范围介于 1mm-10mm，频率范围则对应的是 30-300GHz。毫米波主要有三大突出特性，分别是波长很短、频带比较宽、和大气之间的相互作用比较明显。由于毫米波波长比较短，因此进一步促进了毫米波模块的小型化。同时毫米波较短的波长也使毫米波具有方向性好、波束窄的特点；鉴于在多烟尘、多雾霾等恶劣的环境中，毫米波通信受到的影响很小，毫米波相当宽的频谱资源也使得毫米波具有巨大的商业前景，新一代的通信技术大量采用了毫米波技术，这在一定程度度上对于毫米波技术的发展起到了很大的促进作用。Ka波段是电磁频谱的微波波段的一部分，Ka波段的频率范围为26.5-40GHz。收发前端是无线通信系统核心部件之一，它的成本直接影响通信系统的架构，因此，设计具有高集成度、高性能、低成本的Ka波段收发前端是必要的。

目前发达国家在毫米波技术领域发展的较快，技术也比较成熟，在毫米波领域处于引导地位。随着毫米波技术不断地向前发展，更高的频段（亚毫米和太赫兹频段）越来越受到欧美等发达国家的重视。国内近年来随着国家的支持和资本投入，毫米波技术的发展也紧跟时代的步伐，一些性能优良的毫米波产品也相继被研发出来并投入使用。但是受制于国内芯片的性能以及加工工艺的限制，导致产品还有很大的提升空间。

综上所述，毫米波收发系统的设计致力于去实现高增益、大功率、高隔离、小型化和低噪声等性能。由于国内在毫米波技术领域起步晚，较国外还有不少差距，本实用新型也致力于缩小国内外差距。收发系统的设计中，不可避免地出现发射与接收通道的相互干扰以及噪声系统过大等问题，这就需要通过方案设计尽量减少通道间的相互干扰。

实用新型内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本实用新型提出了一种Ka波段多通道收发系统

为了实现上述技术目的，本实用新型的技术方案为：

一种Ka波段的收发系统，设置在一个外壳中，其特征在于，包括收发链路模块以及分别与之连接的衰减控制模块、电源模块和本振源模块；所述收发链路模块包括两路发射链路和四路接收链路，所述发射链路包括依次连接的第一滤波模块、发射链路数控衰减模块、发射链路混频模块、第二滤波模块和多级放大模块；所述接收链路包括依次连接的低噪声放大器模块、第三滤波模块、接收链路混频模块、第四滤波模块、接收链路数控衰减模块和放大模块。

可选的，所述本振源模块包括晶振和锁相介质振荡源，晶振的输出端连接锁相介质振荡源的输入端，锁相介质振荡源的输出端作为本振源模块的输出端。

可选的，所述衰减模块包括DB9串口模块、MAX3232模块和单片机模块；DB9串口的输出端连接MAX3232模块的输入端，MAX3232模块的输出端连接单片机模块的输入端，单片机模块的输出端作为衰减控制模块的输出端与收发链路模块连接。

可选的，所述收发系统还包括一分二功分器和一分四功分器；本振源模块的输出端连接一分二功分器的输入端，一分二功分器的两个输出端分别连接两路发射链路混频模块；本振源模块的输出端连接一分四功分器的输入端，一分四功分器的四个输出端分别经放大器连接四路接收链路混频模块。

可选的，所述电源模块包括AD-DC模块、线性稳压器和两个DC-DC模块，AD-DC模块的输入端接入220V交流电压，AD-DC模块的输出端连接两个DC-DC模块的输入端，其中一个DC-DC模块的输出端连接线性稳压器的输入端，线性稳压器的输出端作为电源模块的一个输出端；另一个DC-DC模块的输出端作为电源模块的另一个输出端。

可选的，在发射链路中，第一滤波模块的输入端经微带线连接同轴接口，同轴接口作为发射链路的输入端，多级放大模块的输出端通过经微带线连接Ka波段标准波导口，Ka波段标准波导口的输出端作为发射链路的输出端。

可选的，在接收链路中，低噪声放大器模块的输入端经微带线连接Ka波段标准波导口，Ka波段标准波导口作为接收链路的输入端，放大模块的输出端通过微带线连接同轴接口，同轴接口的输出端作为接收链路的输出端。

可选的，所述Ka波段标准波导口连接天线；所述微带线采用厚度为0.508mm的介质基板；所述同轴接口连接信号发生器或者直接进行信号处理。

可选的，所述外壳的尺寸为20mm×320mm×75mm;外壳包含一个市电输入接口、两个发射通道接口，两个发射通道中频信号输入接口、四个接收通道接口、四个接收通道中频信号输入接口、一个DB9控制接口、一个TTL电平信号接口、一个晶振输出接口。

可选的，所述发射链路混频模块和接收链路混频模块采用二次谐波混频器。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本设计中实现了四收二发的多通道收发系统，满足发射链路在34.45-34.85GHz范围内发射功率约4W，通带内功率波动小于1dB；接收增益大于70dB，通带内增益波动在1dB以内，噪声系数小于5dB。由上述内容可以看出，本实用新型具有发射功率大，带内波动小，接收增益大，噪声系数小等优点。

附图说明

图1是本实用新型所述的收发链路框图。

图2是本实用新型所述的外形设计。其中，1为220V交流电接口；2为DB9串口；3为本振(LO)信号、中频(IF)信号、晶振信号以及TTL接口，详细的接口分布见图4。

图3是本实用新型所述的外形设计。其中，4为标准BJ320矩形波导口；5为四路接收链路；6为两路发射链路。

图4是本实用新型所述的接口一侧的平面图。

图5为本实用新型使用的发射链路中混频器的频响测试曲线。

图6为本实用新型使用的发射链路中驱动放大器的频响测试曲线。

图7为本实用新型使用的发射链路中功率放大器的频响测试曲线。

图8为本实用新型使用的接收链路中低噪放的频响测试曲线。

图9为本实用新型使用的接收链路中混频器的频响测试曲线。

图10为本实用新型使用的接收链路中中频放大器的频响测试曲线。

图11为本实用新型使用的接收链路中中频衰减器的频响测试曲线。

图12为本实用新型使用的接收链路中另一个中频放大器的频响测试曲线。

图13为本实用新型的一种实施方案。其中，7为中频(IF)信号源；8为中频(IF)信号的处理；9为本振(LO)信号源；10为电脑(PC)；11为高性能天线。

具体实施方式

以下将结合附图，对本实用新型的技术方案进行详细说明。

参阅图1。在以下描述的优先实施例中，一种Ka波段多通道收发系统包括：两路发射链路，四路接收链路，电源模块，衰减控制模块，本振源模块。

该收发组件为220V市电输入，经由RD-125B（220V入）AC-DC，输出5V（额定电流4.6A）和24V（额定电流4.6A），可以满足器件工作电压/电流+5V/3.0A和+24V/3.0A的要求。其+24V再经由DKE15B-12（24V入）DC-DC开关电源，输出-12V和12V。

当AC-DC和DC-DC开关电源输出的电压给各器件供电时，都会通过DC-DC线性稳压器做进一步稳压处理，以改善输出电压的纹波，分别给TR组件、晶振和PLDRO供电。

该收发组件结构外形如图2所示：外形尺寸220mm×320mm×75mm。

接口由图3和图4所示，定义如下：（1）市电输入接口；（2）T1和T2分别表示发射通道1和通道2输出口（都标准的BJ320矩形波导），其对应于发射上变频的中频信号输入接口为T1-IF和T2-IF。R1、R2、R3和R4分别表示接收通道1、2、3和4输入口（标准的BJ320矩形波导，其对应于接收下变频后的中频信号输出接口为R1-IF、R2-IF、R3-IF和R4-IF；（3）控制接口插座为标准DB9；（4）TTL控制输入为SMA-F；（5）100MHz晶振输出为SMA-F。

发射链路中输入的中频信号0.45-0.85GHz（-10dBm）经带通滤波器、2dB衰减均衡器后输入至5位的HMC470ALP3E数字衰减器（步进1dB、最大衰减31dB），后经RAM-4+放大和2dB衰减均衡器输出约-8dBm的中频信号，该信号经HMC338分谐波混频器与17.2GHz（PLDRO）的本振信号上变频后输出约-10dBm的34.45-34.85GHz射频信号，经腔体滤波和两级TGA4040驱动放大器后输出17dBm的信号至发射机的末级功率放大器，完成发射输出4W的信号。

接收链路中由波导口输入34.45~34.85GHz的射频信号，首先经过XL1000低噪放，再经过31~39GHz的带通滤波器，与本振信号通过HMC338进行混频，输出的中频信号经过通带在0.45GHz以下的低通滤波器，之后经过WHM0003AE放大器、HMC470ALP3E数控衰减、RAM3+放大器、LFCN1200低通滤波器、RAM4+放大器、RAM8+放大器、LFCN1200低通滤波器、HMC470ALP3E数控衰减和HMC478功率放大器。四路接收链路设计在一起，本振信号也是通过一分四功分器到达每条接收链路的混频器，一分四功分器使用微带线设计完成。

选用的数控衰减器HMC470ALP3E为5位步进（步进1dB、最大衰减31dB）如图2所示，我们选为后4位，其可以满足发射增益控制步进2dB、发射增益控制范围0-30dB的要求。为了控制系统中所有的数控衰减器，使用STM32F103作为整个系统的数控衰减控制终端，再有PC端通过DB9串口对该终端下达指令。

由于该发射机为线性工作，其发射信号带内平坦度主要由器件的频响波动决定，根据器件的工作特点，如图5、图6和图7所示，分别为混频器、放大器、功率放大器的频响测试曲线，根据该曲线可以看出混频器、驱动放大器和功率放大器在带内的波动分别为0.5dB、0.25dB和0.5dB，考虑到驱动放大器为两级，综合得出总的带内波动为1.5dB。因此，在发射机的中频链路上，设计衰减均衡器改善发射机发射增益波动1.5dB的目的，最终可以满足输出功率平坦度±1.0dB的要求。

同样地在接收链路中，其接收信号带内平坦度主要由器件的频响波动决定，根据器件的工作特点，如图8、图9、图10、图11和图12所示，分别为毫米波低噪放、毫米波混频器、中频放大器、中频衰减器、中频放大器的频响测试曲线，根据该曲线可以看出他们在带内的波动分别为0.5dB、0.5dB、1.0dB、0.5dB、2.0dB，计算出需要的均衡量为4.5dB，设计衰减均衡器改善接收机增益波动，达到接收机增益平坦度±1dB的要求。

一种工作模式按照图13波导口处连接上高性能天线，信号接口连上本振信号源、中频信号源以及信号处理部分，DB9串口连上电脑，接上220V交流电。在中频(IF)输入口输入经过调制的信号，经过发射链路中的滤波、放大、上变频等处理之后，经由波导口传导到天线上辐射出去；天线接收到相应频段的信号，经由波导口到达接收链路，经过放大、滤波、下变频等操作，输出到信号处理端便可得到有效的信息。

本实用新型设计的指标如下：

工作频段 Ka波段

工作带宽 0.4GHz

工作模式脉冲、连续波

发射中频中心频率 600MHz

发射中频信号带宽 400MHz

发射中频信号功率 -10dBm

发射功率 4W

发射增益控制范围 0-30dB

发射增益控制步进 2dB

发射信号带内平坦度 ±1dB

发射信号杂散抑制度 45dBc

发射通道间隔离度 ≥50dBc

接收平坦度 ±1dB

接收噪声系数 5dB

接收增益 70dB

接收增益控制范围 0-50dB

接收增益控制步进 2dB

接收中频中心频率 210MHz

接收中频信号带宽 400MHz

接收中频信号谐波抑制 ≥45dBc 中频输出0dBm时测量

接收中频信号杂波抑制 ≥45dBc

接收通道间隔离 ≥80dBc

发射至接收隔离 ≥80dBc

控制方式 RS422 2发、4收独立控制

供电电压 220V

实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims

1.一种Ka波段的收发系统，设置在一个外壳中，其特征在于，包括收发链路模块以及分别与之连接的衰减控制模块、电源模块和本振源模块；所述收发链路模块包括两路发射链路和四路接收链路，所述发射链路包括依次连接的第一滤波模块、发射链路数控衰减模块、发射链路混频模块、第二滤波模块和多级放大模块；所述接收链路包括依次连接的低噪声放大器模块、第三滤波模块、接收链路混频模块、第四滤波模块、接收链路数控衰减模块和放大模块。

2.根据权利要求1所述的Ka波段的收发系统，其特征在于，所述本振源模块包括晶振和锁相介质振荡源，晶振的输出端连接锁相介质振荡源的输入端，锁相介质振荡源的输出端作为本振源模块的输出端。

3.根据权利要求1所述的Ka波段的收发系统，其特征在于，所述衰减模块包括DB9串口模块、MAX3232模块和单片机模块；DB9串口的输出端连接MAX3232模块的输入端，MAX3232模块的输出端连接单片机模块的输入端，单片机模块的输出端作为衰减控制模块的输出端与收发链路模块连接。

4.根据权利要求1所述的Ka波段的收发系统，其特征在于，所述收发系统还包括一分二功分器和一分四功分器；本振源模块的输出端连接一分二功分器的输入端，一分二功分器的两个输出端分别连接两路发射链路混频模块；本振源模块的输出端连接一分四功分器的输入端，一分四功分器的四个输出端分别经放大器连接四路接收链路混频模块。

5.根据权利要求1所述的Ka波段的收发系统，其特征在于，所述电源模块包括AD-DC模块、线性稳压器和两个DC-DC模块，AD-DC模块的输入端接入220V交流电压，AD-DC模块的输出端连接两个DC-DC模块的输入端，其中一个DC-DC模块的输出端连接线性稳压器的输入端，线性稳压器的输出端作为电源模块的一个输出端；另一个DC-DC模块的输出端作为电源模块的另一个输出端。

6.根据权利要求1所述的Ka波段的收发系统，其特征在于，在发射链路中，第一滤波模块的输入端经微带线连接同轴接口，同轴接口作为发射链路的输入端，多级放大模块的输出端通过经微带线连接Ka波段标准波导口，Ka波段标准波导口的输出端作为发射链路的输出端。

7.根据权利要求1所述的Ka波段的收发系统，其特征在于，在接收链路中，低噪声放大器模块的输入端经微带线连接Ka波段标准波导口，Ka波段标准波导口作为接收链路的输入端，放大模块的输出端通过微带线连接同轴接口，同轴接口的输出端作为接收链路的输出端。

8.根据权利要求6或7所述的Ka波段的收发系统，其特征在于，所述Ka波段标准波导口连接天线；所述微带线采用厚度为0.508mm的介质基板；所述同轴接口连接信号发生器或者直接进行信号处理。

9.根据权利要求1所述的Ka波段的收发系统，其特征在于，所述外壳的尺寸为20mm×320mm×75mm;外壳包含一个市电输入接口、两个发射通道接口，两个发射通道中频信号输入接口、四个接收通道接口、四个接收通道中频信号输入接口、一个DB9控制接口、一个TTL电平信号接口、一个晶振输出接口。

10.根据权利要求1所述的Ka波段的收发系统，其特征在于，所述发射链路混频模块和接收链路混频模块采用二次谐波混频器。