CN101262239A - 毫米波射频收发装置 - Google Patents

Abstract

本发明发射装置包括毫米波谐波上变频、毫米波稳幅放大和毫米波信号调制混合三个模块，接收装置包括毫米波谐波下变频、稳幅放大两个模块。本发明可产生单脉冲调制和混合脉冲调制两种信号，用于毫米波雷达及复杂通信信号的收发各参数指标的测试；发射装置的毫米波稳幅放大模块可提高输出信号在－10～60℃各态幅度的温度稳定性，便于对雷达接收机进行精确测量；毫米波信号调制混合模块可实现毫米波雷达不同距离多普勒回波信号的模拟，产生的毫米波脉冲前后沿小于8ns，100ns窄脉冲下不失真，具有大于90dB的大动态数控精确衰减；接收装置保证在40dB动态测试范围内脉冲不失真，便于测频和脉冲分析；本发明易于实现，采用的各器件成本低，装置尺寸小、便于携带。

Description

毫米波射频收发装置

技术领域

本发明属于毫米波技术领域，具体为一种毫米波射频收发装置。

背景技术

导弹寻的制导使用的导引头主要有光电导引头、微波导引头、毫米波导引头等类型，由于毫米波导引头具有灵敏度高、分辨力好，抗干扰性能强等特点，加之毫米波制导系统受导弹飞行中形成的等离子体的影响较小，同时兼有红外和微波的优点，因此国外先进的导弹末制导都采用了毫米波精确制导系统。毫米波寻的制导技术的研究始于20世纪70年代末，现在西方国家不仅在频率上覆盖了整个毫米波段，而且建立了从器件到导引头的研制生产、测试试验的完整研究体制。毫米波制导技术经常应用在多模复合制导中，多模制导模式可以根据干扰情况自动切换制导模式，美国的“黄蜂”、“战斧”等导弹均采用毫米波与红外双模制导系统。目前在毫米波技术领域占主导地位的主要是西方军事强国，我国在毫米波制导方面起步较晚，技术处于发展阶段，随着目前国内毫米波技术能力的提升，我国弹载导引头也从厘米波段向毫米波频段发展，作为毫米波导引头发展的关键技术之一，高性能的专用测试仪器“毫米波信号模拟器”的性能水准就显得尤为重要，特别是其射频部分的技术指标直接关系到毫米波精确制导系统的测试手段是否完备和准确。

毫米波信号模拟器主要包括毫米波信号收发装置，作为专用测试设备的毫米波模拟信号源，毫米波信号收发装置需要满足高精度、信号稳定等技术指标，目前国内现有的毫米波收发装置在性能指标上仍有待改进，并且单个装置不能实现多种信号源，需要具有高精度性能水平的毫米波信号收发装置填补国内毫米波制导系统的技术空白。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有毫米波收发装置在性能指标上仍有待改进，并且单个装置不能实现多种信号源，需要具有高精度性能水平的毫米波信号收发装置填补国内毫米波制导系统的技术空白。

本发明的技术方案是：毫米波射频收发装置，发射装置包括毫米波谐波上变频、毫米波稳幅放大和毫米波信号调制混合三个模块，接收装置包括毫米波谐波下变频、稳幅放大两个模块；信号经发射装置的毫米波谐波上变频模块变频后输入毫米波稳幅放大模块，毫米波稳幅放大模块的输出连接毫米波信号调制混合模块的输入，毫米波信号调制混合模块将信号分为两路分别进行调制和衰减，单独一路输出为单脉冲调制信号，两路合路输出混合脉冲调制信号。

本发明发射装置的毫米波谐波上变频模块为鳍线平衡混频器电路；毫米波稳幅放大模块采用饱和放大电路。毫米波信号调制混合模块采用魔T分路器将信号分为两路分别进行调制和衰减，其中一路信号衰减后输入高隔离单刀双开关，高隔离单刀双开关一路输出连接魔T合路器；另一路信号衰减后输入魔T合路器，高隔离单刀双开关选择单独一路输出单脉冲调制信号或魔T合路器输出混合脉冲调制信号。其中高隔离单刀双开关为二极管串并联电路，利用串联二极管衰减时的低通特性互补波导传输的高通特性，不仅实现大的隔离度，同时抑制了前面毫米波稳幅放大模块中产生的高次谐波，减小了大衰减输出时高次谐波对仪器计量的影响。

毫米波信号调制混合模块的调制器为三腔六级GaAs二极管并联电路形式，每两级GaAs二极管分为一腔，三腔隔离。毫米波信号调制混合模块的衰减器采用π型网络进行滤波，波导与微带的转换采用探针耦合，衰减器电流为隔离度最大时的工作电流。

本发明发射装置各模块，发射装置毫米波信号调制混合模块的各功能部分位于不同的金属腔体内，腔体缝隙放置毫米波吸收材料。由于毫米波频段色散效应的影响远大于微波频段，同时其波长短极易谐振，因而加大了在毫米波频段实现高性能模拟信号的难度。本发明采用了多腔电路设计有效遏制毫米波频段色散效应和电磁串扰及谐振对信号大动态衰减和信号调制深度的影响，产生的毫米波脉冲信号调制深度大于90dB，前后沿小于8ns，并具有大于90dB的大动态数控精确衰减。

本发明毫米波射频收发装置的发射装置可产生两路毫米波模拟信号，一路输出单脉冲调制信号，另一路可输出单脉冲调制或混合脉冲调制两种信号，用于毫米波雷达及复杂通信信号的收发各参数指标的测试。发射装置的毫米波稳幅放大模块使发射装置在-10～60℃温度范围内的输出信号各态幅度的温度稳定性得到大幅提高，便于对雷达接收机进行精确测量；发射装置的毫米波信号调制混合模块可实现毫米波雷达不同距离多普勒回波信号的模拟，产生的毫米波脉冲前后沿小于8ns，100ns窄脉冲下不失真(过冲不大于10％)，具有大于90dB的大动态数控精确衰减；接收装置保证在40dB动态测试范围内脉冲不失真(过冲不大于10％)，便于测频和脉冲分析；本发明易于实现，采用的各器件成本低，装置尺寸小、便于携带。

附图说明

图1为本发明毫米波射频发射装置原理图。

图2为本发明毫米波射频接收装置原理图。

图3为本发明发射装置的毫米波谐波上变频模块原理框图。

图4为本发明发射装置的毫米波稳幅放大模块原理框图。

图5为本发明发射装置的高隔离单刀双开关电路原理图。

图6为本发明魔T结构示意图。

图7为本发明毫米波信号调制混合模块的调制器的电路原理图。

图8为本发明毫米波信号调制混合模块的衰减器的电路原理图。

具体实施方式

如图1和图2，本发明毫米波射频收发装置的发射装置包括毫米波谐波上变频、毫米波稳幅放大和毫米波信号调制混合三个模块，接收装置包括毫米波谐波下变频、稳幅放大两个模块；信号经发射装置的毫米波谐波上变频模块变频后输入毫米波稳幅放大模块，毫米波稳幅放大模块的输出连接毫米波信号调制混合模块的输入，毫米波信号调制混合模块采用魔T分路器将信号分为两路，根据外部信号处理的控制信号分别进行相应的调制和衰减，实现毫米波雷达不同距离多普勒回波信号的模拟，其中一路信号衰减后输入高隔离单刀双开关，高隔离单刀双开关连接魔T合路器，另一路信号衰减后输入魔T合路器，高隔离单刀双开关选择单独一路输出单脉冲调制信号或魔T合路器输出混合脉冲调制信号。

本发明毫米波射频收发装置采用毫米波谐波上/下变频，将厘米波段功能扩展到毫米波频段，这样可充分利用现有成熟的厘米波段的技术和资源，降低毫米波信号模拟器的成本。本发明发射装置的毫米波谐波上变频模块工作原理框图如图3，其中四次谐波混频器技术要求为：

中频频率：C波段；

本振频率：X波段；

输出频率：Ka波段；

上变频器选用鳍线平衡混频器电路形式，它具有宽频带、高中频、易与波导连接等优点，采用微组装工艺技术实现。国外从80年代中期开始，出现了悬置带线、鳍线、介质波导等结构形式的混频器，但应用最多的还是鳍线结构，因为它结构紧凑，既有平面电路的特点，又可以和波导方便的连接，电路形式是：信号通过对称鳍线馈给一对混频二极管，本振通过鳍线-共面线过渡传输到混频二极管上，运用场分析优化、电路阻抗匹配进行综合设计，获得较好的混频特性。

本发明发射装置采用了毫米波稳幅放大技术，使发射装置在-10～60℃温度范围内的输出信号各态幅度的温度稳定性得到大幅提高，便于对雷达接收机进行精确测量。稳幅放大可以采用AGC增益控制电路和饱和放大电路两种方式，考虑到脉冲信号在AGC电路中容易产生脉冲过冲的问题，本发明采用饱和放大电路形式，本发明发射装置的毫米波稳幅放大模块工作原理方框图如图4，AMP表示放大器，BPF为滤波器，电路选用多级单片微波集成电路MMIC芯片，满足增益、输出功率要求，确保在最小输入功率情况下，最后一级放大器工作于饱和状态，从而实现稳幅功能，在脉冲工作时，脉冲的顶部也不会出现过冲，电路采用微组装工艺技术实现。

发射装置的毫米波信号调制混合模块中，高隔离单刀双开关为二极管串并联电路，具有较大的隔离度，如图5，利用串联二极管衰减时的低通特性互补波导传输的高通特性，不仅实现大的隔离度，同时抑制了前面毫米波稳幅放大模块中产生的高次谐波，减小了大衰减输出时高次谐波对仪器计量的影响。

毫米波信号调制混合模块中的魔T分路器和魔T合路器实际均为魔T，魔T是一种3dB定向耦合器，具有较高的隔离度，色散效应影响弱，常用于功率分配器，如图6，它由ET和HT接头合并而成，在接头内部加上匹配装置，经HFSS计算机场分析软件优化，使各路反射消失，达到最佳效果。因为在ET分支和HT分支与主波导连接处尺寸突变，所以有高次模式产生和出现反射波，如欲消除反射，可在双T接头内部放入一些电抗元件，产生新的反射，使其与双T接头的不连续性产生的反射互相抵消，从而获得匹配，放入的电抗元件，应不致破坏双T的对称性。本发明采用的匹配元件是一个金属圆锥体，它充当了一个E臂的功率分配器；90度E面的弯曲；以及四分之一波长的阻抗变换器，适当调整其顶部的金属圆杆可以在H臂达到匹配，E臂端口的匹配由粘贴吸收材料来实现。该魔T在±10％频带内，驻波比小于1.15。

毫米波信号调制混合模块的调制器为三腔六级GaAs二极管并联电路形式，如图7，每两级GaAs二极管分为一腔，三腔隔离。利用GaAs器件的高速特性可实现前后沿小于5ns，100ns的毫米波窄脉冲，同时采用ADS优化设计和HFSS场分析通过分腔设计，有效遏制毫米波频段色散效应和电磁串扰对调制深度的影响，最终可获得大于90dB调制深度的毫米波脉冲信号。

本发明毫米波信号调制混合模块的衰减器如图8。为了对不同距离的多普勒回波信号进行模拟，要求发射系统具有较大的动态范围，实现在输出-80～+10dB(90dB)范围内的精确衰减，同时为便于对接收信号进行精确测量，要求大衰减状态下输出信号幅度的温度稳定性。影响毫米波衰减隔离度的主要因素有以下几方面：器件工作点；主传输通路与直流通路的隔离；腔体的微波屏蔽性能。对此，本发明采用了如下措施：

1)选择恰当的衰减器件和设计优良的电路拓扑

器件的最佳工作点会影响其最大隔离度，由于衰减器使用的芯片为电流器件，可以调节芯片电流为隔离度最大时的工作电流，从而进一步增大最大衰减量；

2)微波与直流的隔离

由于直流通路直接与微波通路相连，虽然直流传输线Q值对于微波来说极低，如果不做滤波处理，仍然会有少量的微波从直流通路泄漏，对于大衰减隔离度这样的指标，这种程度的泄漏也是不可忽略的，采用π型网络进行有效滤波是必须进行的工作，另外选用探针耦合的方法设计波导与微带转换，利用波导的高通性实现微波与直流的隔离；

3)加强腔体间的屏蔽，增大衰减隔离度

毫米波寄生效应非常明显，腔体的来回反射也会形成微波振荡，不合理的腔体结构极易形成微波谐振，严重影响衰减性能。本发明采用分腔设计，腔体内部距离小于该频率的截止波长，将各器件分置于不同的腔体中，金属导体的屏蔽作用使得空间串扰得到有效遏制，有效提高了隔离度。由于盒体安装过程中不可避免会有少量的缝隙，放置少量毫米波吸收材料，可以抑制这些缝隙产生的毫米波谐振。

为使整个发射装置能有效遏制毫米波频段色散效应和电磁串扰，以及谐振对信号大动态衰减和信号调制深度的影响，本发明发射装置各模块，发射装置毫米波信号调制混合模块的各功能部分位于不同的金属腔体内，腔体缝隙放置毫米波吸收材料。

表1为本发明输出功率的测试结果，变频放大后的信号经毫米波信号调制混合模块的魔T分路器分为A、B两路，A路调制衰减后输入高隔离单刀双开关，B路调制衰减后输入魔T合路器。

表1

其中FLO表示本振频率，FIF表示中频频率。从表1可看出本发明毫米波射频收发装置的A路、B路输出功率均大于10dBm，A+B路输出功率大于8dBm。

表2为A路、A+B路和B路在不同输入频率下的调制深度、衰减度测试结果。

表2

A路	33.5GHz	34GHz	34.5GHz	35GHz	35.5GHz	36GHz	36.5GHz
								调制	95	96	93	94	92	92	93
衰减	97	97	98	97	97	96	97
								A+B路	33.5GHz	34GHz	34.5GHz	35GHz	35.5GHz	36GHz	36.5GHz
调制	99	96	98	95	97	94	96
								衰减	96	95	98	96	97	99	98
B路	33.5GHz	34GHz	34.5GHz	35GHz	35.5GHz	36GHz	36.5GHz
								调制	97	98	95	94	93	95	98
衰减	95	96	98	95	98	97	98

从表2可看出本发明毫米波射频收发装置的毫米波脉冲信号调制深度大于90dB，并具有大于90dB的大动态数控精确衰减。

Claims (9)

1、毫米波射频收发装置，其特征是发射装置包括毫米波谐波上变频、毫米波稳幅放大和毫米波信号调制混合三个模块，接收装置包括毫米波谐波下变频、稳幅放大两个模块；信号经发射装置的毫米波谐波上变频模块变频后输入毫米波稳幅放大模块，毫米波稳幅放大模块的输出连接毫米波信号调制混合模块的输入，毫米波信号调制混合模块将信号分为两路分别进行调制和衰减，单独一路输出为单脉冲调制信号，两路合路输出混合脉冲调制信号。

2、根据权利要求1所述的毫米波射频收发装置，其特征是发射装置的毫米波谐波上变频模块为鳍线平衡混频器电路；毫米波稳幅放大模块采用饱和放大电路。

3、根据权利要求1或2所述的毫米波射频收发装置，其特征是毫米波信号调制混合模块采用魔T分路器将信号分为两路分别进行调制和衰减，其中一路信号衰减后输入高隔离单刀双开关，所述高隔离单刀双开关为二极管串并联电路，高隔离单刀双开关一路输出连接魔T合路器；另一路信号衰减后输入魔T合路器，高隔离单刀双开关选择单独一路输出单脉冲调制信号或魔T合路器输出混合脉冲调制信号。

4、根据权利要求1或2所述的毫米波射频收发装置，其特征是毫米波信号调制混合模块的调制器为三腔六级GaAs二极管并联电路形式，每两级GaAs二极管分为一腔，三腔隔离；毫米波信号调制混合模块的衰减器采用π型网络进行滤波，波导与微带的转换采用探针耦合，衰减器电流为隔离度最大时的工作电流。

5、根据权利要求3所述的毫米波射频收发装置，其特征是毫米波信号调制混合模块的调制器为三腔六级GaAs二极管并联电路形式，每两级GaAs二极管分为一腔，三腔隔离；毫米波信号调制混合模块的衰减器采用π型网络进行滤波，波导与微带的转换采用探针耦合，衰减器电流为隔离度最大时的工作电流。

6、根据权利要求1或2所述的毫米波射频收发装置，其特征是发射装置各模块，发射装置毫米波信号调制混合模块的各功能部分位于不同的金属腔体内，腔体缝隙放置毫米波吸收材料。

7、根据权利要求3所述的毫米波射频收发装置，其特征是发射装置各模块，发射装置毫米波信号调制混合模块的各功能部分位于不同的金属腔体内，腔体缝隙放置毫米波吸收材料。

8、根据权利要求4所述的毫米波射频收发装置，其特征是发射装置各模块，发射装置毫米波信号调制混合模块的各功能部分位于不同的金属腔体内，腔体缝隙放置毫米波吸收材料。

9、根据权利要求5所述的毫米波射频收发装置，其特征是发射装置各模块，发射装置毫米波信号调制混合模块的各功能部分位于不同的金属腔体内，腔体缝隙放置毫米波吸收材料。

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