CN105610461A - 一种集成天线耦合特性的射频综合模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成天线耦合特性的射频综合模块，包括频率源单元、天线网络单元、发射单元和接收单元四个部分，天线网络单元包含射频通道和天线耦合电路。本发明通过天线网络单元将ACAS天线端口间的射频耦合特性以平面微带电路的形式集成于射频综合模块实现测试系统射频资源的一体化设计。通过射频综合设计，优化所需射频电路架构，节省占用射频资源，降低系统的成本、重量、复杂度，提高了集成化和可靠性。

Description

一种集成天线耦合特性的射频综合模块

技术领域

本发明涉及射频综合技术领域，特别涉及航空无线电综合技术领域。

技术背景

ACAS(机载防撞系统)是防止飞机空中相撞的有效技术手段，是保障飞行安全的核心设备之一。ACAS通过接收、处理其它飞机应答机的应答信号，解算出其它飞机距离、高度和方位信息，对周围其它飞机进行监视，并通过计算监视范围内其它飞机相对本机的飞行趋势，给出交通告警和避让建议，防止空中飞机危险接近和相撞事故的发生。

一种集成天线耦合特性的射频综合模块可用于ACAS收发主机研发调试、功能验证和性能测试。它可以对ACAS收发主机设备进行故障快速定位和问题分析，减少故障排除时间，提高日常维护效率，缩短了产品的研发和维护周期，为科研生产和保障任务节约了宝贵的时间。

比相体制ACAS收发主机工作需进行幅度和相位校准，以保证其发射时波束指向以及接收定向解算的准确性。实际应用中ACAS收发主机通过ACAS专用四端口定向天线各端口之间的耦合特性完成校准。为此射频综合模块需在其内部建立天线耦合电路以满足收发主机测试的校准需求。

由于ACAS收发主机总共含有8个输入输出端口，传统的射频设计需要8路射频资源。同时射频设计时需配备结构件进行结构支撑及保持屏蔽特性。为此测试使用的射频综合模块不免体积大、重量重，不方便日常测试平台搭建及外场保障，严重限制测试系统的应用发展。为此需对射频模块进行综合设计，减轻系统重量、体积、功耗、成本。

发明内容

本发明的发明目的是针对现有技术方案的不足，提供一种集成天线耦合特性的射频综合模块，通过设计天线耦合电路将ACAS天线端口间的射频耦合特性以平面微带电路的形式集成于射频综合模块实现满足比相体制ACAS收发主机综合测试需求的一体化设计。通过射频综合设计，优化所需射频电路架构，节省占用射频资源，降低系统的成本、重量、复杂度，提高了集成化和可靠性。

本发明为解决技术问题采用的技术方案是：

一种集成天线耦合特性的射频综合模块，包括频率源单元、天线网络单元、发射单元和接收单元；

所述频率源单元包含第一频率源电路和第二频率源电路，所述第一频率源电路用于产生四路脉冲调制信号发送到相应发射通道，所述第二频率源电路用于产生四路本振信号发送到相应接收通道；

所述发射单元包含四路发射通道，每路发射通道对应一路第一频率源电路发送的脉冲调制信号，发射通道将脉冲调制信号调制后发送到接收单元；

所述接收单元包含四路接收通道，每路接收通道包含依次连接的环形器及下变频电路，每个环形器还分别与相对应发射通道以及射频通道相连，所述下变频电路将接收信号与第二频率源电路发送的相应本振信号混频进行下变频处理；

所述天线网络单元包含四路射频通道和二个天线耦合电路，每路射频通道包含上下天线切换开关、上天线射频通道和下天线射频通道，上下天线切换开关的公共端与接收单元中相对应的环形器连接，上下天线切换开关的切换端分别连接上天线射频通道和下天线射频通道；所述上天线射频通道和下天线射频通道均包含功分器和校准切换开关矩阵，校准切换开关矩阵的公共端连接在功分器上，校准切换开关矩阵的切换端分别连接天线耦合电路和负载，功分器输入端还连接收发主机的相对应天线端口；所述二个天线耦合电路分别为上天线耦合电路和上天线耦合电路，所述上天线耦合电路包含与四个上天线射频通道的校准切换开关矩阵相连的四个上端口，相邻的二个上端口之间由若干个电阻和微带线组成；所述下天线耦合电路包含与四个下天线射频通道的校准切换开关矩阵相连的四个下端口，相邻的二个下端口之间由若干个电阻和微带线组成。

优选地，所述第一频率源电路包含依次连接的第一锁相环电路和第一一分四功分器，第一锁相环电路用于产生1090MHz的脉冲调制信号，所述第一一分四功分器用于将1090MHz的脉冲调制信号进行一分四功分、放大后送到发射单元的相应发射通道。

优选地，所述第一锁相环电路和第一一分四功分器之间还串接单刀双掷开关，第一锁相环电路输出端串接一个单刀双掷开关，所述单刀双掷开关用于将需要的脉冲调制信号送至第一一分四功分器，将不需要的信号送至负载。

优选地，所述第二频率源电路包含依次连接第二锁相环电路和第二一分四功分器，所述第二锁相环电路用于产生970MHz的本振信号，所述第二一分四功分器用于将970MHz的本振信号进行一分四功分、放大后分别送到接收单元的相应接收通道。

优选地，所述发射通道依次相连的移相器和可调衰减器。

优选地，所述可调衰减器后还串接隔离器。

优选地，所述下变频电路包含依次连接的大功率衰减器、介质滤波器和混频器。

优选地，所述功分器中的隔离电阻为功率电阻。

优选地，所述校准切换开关矩阵为PIN二极管开关。

与现有技术相比，本发明通过天线耦合电路将ACAS天线端口间的射频耦合特性以平面微带电路的形式集成于射频综合模块实现满足比相体制ACAS收发主机综合测试系统射频资源的一体化设计。通过射频综合设计，优化所需射频电路架构，节省占用射频资源，降低系统的成本、重量、复杂度，提高了集成化和可靠性。

附图说明

图1为本发明的简单结构示意图；

图2为本发明的详细结构示意图；

图3为本发明中频率源单元的结构示意图；

图4为本发明中天线网络单元的结构示意图；

图5为本发明中天线耦合电路的结构示意图；

图6为本发明中接收单元的结构示意图；

图7为本发明中发射单元的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施实例。

本发明公开了一种集成天线耦合特性的射频综合模块，它包括频率源单元、天线网络单元、发射单元和接收单元四个部分，如图1所示。射频综合模块根据基带处理模块的控制完成信号的发射、接收和校准等功能。

如图2，所述频率源单元包含第一频率源电路和第二频率源电路，所述第一频率源电路包含第一锁相环电路和第一一分四功分器，第一锁相环电路受基带处理模块控制产生1090MHz的脉冲调制信号后送至第一一分四功分器进行一分四功分、放大后送到发射单元的A路发射通道、B路发射通道、C路发射通道、D路发射通道，提供发射模块进行下一步的幅度调制和相位调制。所述第二频率源电路包含第二锁相环电路和第二一分四功分器，第二锁相环电路受基带处理模块控制产生970MHz的本振信号后送至第二一分四功分器进行一分四功分、放大后分别送到接收单元的A路接收通道、B接收通道、C路接收通道、D路接收通道。提供给发射单元的脉冲调制信号和接收单元的本振信号在设计上选取不同频率，可以有效避免射频系统同频干扰。

如图3所示，作为优选，第一锁相环电路输出端串接一个单刀双掷开关，单刀双掷开关的输出端一个连接功分器，另一个连接负载。理想的PPM调制频率源为在所需的脉冲位置有特定幅度的信号输出，而不需要的脉冲位置需将射频信号幅度降至最低。此时不需要的射频信号将成为频率源的噪声，抬升系统的底噪(噪声)，造成噪声信号幅度过大，不能满足测试系统的需求。为进一步降低了频率源噪声，在第一锁相环电路的输出端串接一个单刀双掷开关，通过改变第一锁相环电路的功率关断管脚控制单刀双掷开关，当控制电平为高时，单刀双掷开关接通功分器，锁相环电路输出特定幅度信号送至射频通道。当控制电平为低时，单刀双掷开关接通负载，锁相环电路输出的频率源被负载吸收掉，极大降低了频率源噪底，满足机载防撞系统主机低灵敏度的测试功能。

如图2和图4所示，天线网络单元主要用于实现三个功能：一是实现接收单元和发射单元与收发主机的射频通道。二是通过天线网络单元的天线耦合电路实现了收发主机定向天线四个天线端口间的耦合特性模拟，提供收发主机校准通路。三是通过上下天线切换开关选择实现收发主机上天线端口四路射频通道和下天线端口四路射频通道之间的切换选择。收发主机的天线端口包含分别连接至上四端口定向天线和下四端口定向天线的八个天线端口，即上天线A、上天线B、上天线C、上天线D、下天线A、下天线B、下天线C、下天线D，因此，天线网络单元包含四路射频通道和二个天线耦合电路。

四路射频通道分别为A路射频通道、B路射频通道、C路射频通道和D路射频通道，以A路射频通道为例，包含上下天线切换开关、上天线射频通道和下天线射频通道，上下天线切换开关实现上天线射频通道和下天线射频通道之间的切换。上天线射频通道包含功分器和校准切换开关矩阵，校准切换开关矩阵的公共端连接在功分器上，切换端分别连接天线耦合电路和负载，校准切换开关矩阵采用PIN二极管开关设计实现耦合电路的接通和关断。功分器还分别连接收发主机的上天线A和上下天线切换开关。天线网络单元通过功分器实现接收单元和发射单元的收发通路以及收发主机的校准通路。该功分器的隔离电阻采用功率电阻进行设计。下天线射频通道结构与上天线射频通道相同，只是功分器连接到下天线A上。B路射频通道、C路射频通道和D路射频通道的结构与A路射频通道相同，只是连接收发主机的天线不同，即B路射频通道的上天线射频通道的功分器连接上天线B，B路射频通道的下天线射频通道的功分器连接下天线B，C路射频通道的上天线射频通道的功分器连接上天线C，C路射频通道的下天线射频通道的功分器连接下天线C，D路射频通道的上天线射频通道的功分器连接上天线D，D路射频通道的下天线射频通道的功分器连接下天线D。

如图5所示，二个天线耦合电路分别为上天线耦合电路和下天线耦合电路，以上天线耦合电路为例，上天线耦合电路包含四个与上天线射频通道的校准切换开关矩阵相连的上端口，二个相邻的上端口之间由若干个电阻和微带线组成，通过串联阻值以及微带线长度的调整实现与比相制ACAS定向天线四端口相同的射频性能，包括幅度特性及相位特性。其中幅度特性主要有由功率电阻的阻值决定，相位特性由微带线的长度决定。下天线耦合电路同样包含四个与下天线射频通道的校准切换开关矩阵相连的下端口，二个相邻的下端口之间由若干个电阻和微带线组成。

如图2、图6所示，接收单元包含四路接收通道，分别为A路接收通道、B路接收通道、C路接收通道和D路接收通道，以A路接收通道为例，包含依次连接的环形器、大功率衰减器、介质滤波器后和混频器，混频器的输入端还与频率源单元的第二频率源电路输出的A路本振频信号相连。环形器还分别与A路射频通道和A路发射通道相连，环形器起到收发切换的作用，接收时信号由收发主机选定的四个端口流向四路接收通道；发射时信号由发射通道发出至收发主机选定的四个端口。B路接收通道、C路接收通道和D路接收通道与A接收通道结构相同，只是环形器连接的发射通道和射频通道，以及混频器连接的振频信号作相应调整。相比射频综合设计前节省了一半的射频资源，有利的降低了收发主机测试系统的重量、体积、功耗、成本。

如图2、图7所示，发射单元包含四路发射通道，分别为A路发射通道、B路发射通道、C路发射通道和D路发射通道。每路发射通道都包含依次相连的移相器、可调衰减器和隔离器。第一频率源电路产生的四路脉位调制信号分别送入相应的发射通道，每路发射通道分别通过不同的移相器进行相位调制，再通过可调衰减器进行幅度调制，经过接收单元的环形器及天线网络单元的射频通道发送给ACSA主机。发射单元在收发之间加入隔离器，防止接收到的收发主机的信号反灌进入发射单元。

工作时，射频综合模块S模式应答机广播信号模拟状态下，第一频率源电路产生A、B、C、D四路脉冲调制信号，先经过发射单元相对应的发射通道中的移相器、可调衰减器、隔离器，再经过接收单元中相对应的环形器，最后经过天线网络单元中相对应的上下天线切换开关、功分器、最终送到收发主机。四路上下天线切换开关选择收发主机对应的上定向天线四单元或下定向天线四单元。该状态下校准切换开关矩阵切换至功率负载。

射频综合模块接收收发主机询问信号状态下，A、B、C、D四路接收信号先经过天线网络单元中相应的功分器、上下天线切换开关，再经过接收单元中相应的环形器、大功率衰减器、介质滤波器后和本振信号在混频器中进行下变频最终输出A、B、C、D四路中频信号至基带处理模块。该状态下四路上下天线选择开关切换至收发主机对应的上定向天线四单元或下定向天线四单元。

收发主机测向功能进行测试验证状态下，基带处理模块根据查找表控制发射模块对发射信号进行指定角度的脉冲位置调制、幅度调制、相位调制，产生四路不同S模式应答机广播信号，收发主机对四路信号进行解算并将得到的方位信息显示于控制盒上。根据方位信息与查找表对照，完成主机的测向功能测试验证。

收发主机校准状态下，天线耦合电路前置的校准切换开关矩阵切换至天线耦合电路。

以上所述仅为本发明的一个具体实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种集成天线耦合特性的射频综合模块，包括频率源单元、天线网络单元、发射单元和接收单元，其特征在于：

所述频率源单元包含第一频率源电路和第二频率源电路，所述第一频率源电路用于产生四路脉冲调制信号发送到相应发射通道，所述第二频率源电路用于产生四路本振信号发送到相应接收通道；

所述发射单元包含四路发射通道，每路发射通道对应一路第一频率源电路发送的脉冲调制信号，发射通道将脉冲调制信号调制后发送到接收单元；

所述接收单元包含四路接收通道，每路接收通道包含依次连接的环形器及下变频电路，每个环形器还分别与相对应发射通道以及射频通道相连，所述下变频电路将接收信号与第二频率源电路发送的相应本振信号混频进行下变频处理；

所述天线网络单元包含四路射频通道和二个天线耦合电路，每路射频通道包含上下天线切换开关、上天线射频通道和下天线射频通道，上下天线切换开关的公共端与接收单元中相对应的环形器连接，上下天线切换开关的切换端分别连接上天线射频通道和下天线射频通道；所述上天线射频通道和下天线射频通道均包含功分器和校准切换开关矩阵，校准切换开关矩阵的公共端连接在功分器上，校准切换开关矩阵的切换端分别连接天线耦合电路和负载，功分器的输入端口连接收发主机的相对应天线端口；所述二个天线耦合电路分别为上天线耦合电路和上天线耦合电路，所述上天线耦合电路包含与四个上天线射频通道的校准切换开关矩阵相连的四个上端口，相邻的二个上端口之间由若干个电阻和微带线组成；所述下天线耦合电路包含与四个下天线射频通道的校准切换开关矩阵相连的四个下端口，相邻的二个下端口之间由若干个电阻和微带线组成。

2.根据权利要求1所述的射频综合模块，其特征在于所述第一频率源电路包含依次连接的第一锁相环电路和第一一分四功分器，第一锁相环电路用于产生1090MHz的脉冲调制信号，所述第一一分四功分器用于将1090MHz的脉冲调制信号进行一分四功分、放大后送到发射单元的相应发射通道。

3.根据权利要求2所述的射频综合模块，其特征在于所述第一锁相环电路和第一一分四功分器之间还串接单刀双掷开关，第一锁相环电路输出端串接一个单刀双掷开关，所述单刀双掷开关用于将需要的脉冲调制信号送至第一一分四功分器，将不需要的信号送至负载。

4.根据权利要求1所述的射频综合模块，其特征在于所述第二频率源电路包含第二锁相环电路和第二一分四功分器，所述第二锁相环电路用于产生970MHz的本振信号，所述第二一分四功分器用于将970MHz的本振信号进行一分四功分、放大后分别送到接收单元的相应接收通道。

5.根据权利要求1所述的射频综合模块，其特征在于所述发射通道包含依次相连的移相器和可调衰减器。

6.根据权利要求5所述的射频综合模块，其特征在于所述可调衰减器后还串接隔离器。

7.根据权利要求1所述的射频综合模块，其特征在于所述下变频电路包含依次连接的大功率衰减器、介质滤波器和混频器。

8.根据权利要求1所述的射频综合模块，其特征在于所述功分器中的隔离电阻为功率电阻。

9.根据权利要求1所述的射频综合模块，其特征在于所述校准切换开关矩阵为PIN二极管开关。