CN106093566B - 一种开关变频组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种开关变频组件，包括射频输入双工电路，射频输入双工电路由零频扩展电路和单刀四掷开关构成，实现低频输入信号和高频输入信号的分离传输；所述零频扩展电路具有在低频范围内低损耗传输特性，且对高频信号具有滤波效应，实现低频输入信号和高频输入信号两路信号分别低损耗传输的作用；两个输出端口分别输出低频输出信号和中频输出信号。本发明提出的开关变频组件单次连接即可实现3Hz～86GHz信号频率、功率参数的精确测量；且具有结构简单、加工难度低、成本低的优点，解决了现有频谱测试方案测试效率低、频率功率参数测量准确性差的问题。

Description

一种开关变频组件
技术领域
本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种开关变频组件。
背景技术
随着毫米波雷达、制导、通信等系统的发展，对工作频率覆盖毫米频段的高性能宽带毫米波频谱分析仪提出了迫切的需求，主要用于各种微波毫米波通信设备和元器件研发生产过程中进行测试、评估。要求一台频谱分析仪能够覆盖的频率范围足够宽，在满足各种通信装备测试需求的情况下尽量减少测试仪器的数量，降低测试成本，缩短测试时间且方便维护。
目前由于技术条件的限制，无法实现50GHz以上频率的宽带预选滤波器，因此50GHz以上频率信号频谱测试一般采用同轴频谱分析仪与波导接口的毫米波扩频模块组成毫米波频谱测试系统实现。
毫米波扩频模块中的主要部件是毫米波谐波混频器，其主要功能是采用谐波混频方式实现50GHz以上信号的下变频。被测射频信号通过标准矩形波导输入毫米波扩频模块，与主机提供的本振信号进行谐波混频，混频产生的中频信号输入频谱分析仪主机进行处理。
根据谐波混频的工作原理，被测射频信号的频率fRF(GHz)和功率PRF(dBm)分别由式1和式2给出：
fRF＝N×fLO±fIF (1)
PRF＝PIF+CL (2)
N为毫米波扩频模块中谐波混频器的谐波次数，fLO为频谱分析仪提供的本振信号频率，fIF为混频输出中频信号的频率；PIF为中频信号功率，CL为谐波混频器变频损耗。
由式(1)毫米波模块测量信号频率原理可知，由于没有预选滤波器，确定式中“±”以准确测量被测信号频率将十分困难。
由于毫米波扩频模块输入端为标准矩形波导，波导具有低频截止特性，毫米波扩频模块工作频率只能实现频率范围覆盖一个波导频段的频谱测试，不能实现从低频至波导频段的完全频率覆盖，且毫米波扩频模块存在压缩点低、假信号识别困难的问题。要实现低频至波导频段的频率扫描，只能采用带毫米波扩频模块和不带毫米波扩频模块两种方式进行多次连接测试实现，测试效率较低。且因为波导与同轴端口之间需要转接，使得测试较为复杂，同时引入了测量结果的不确定性。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明提出了一种开关变频组件，在较小体积的模块内实现3Hz～86GHz信号分段开关选通和下变频功能，有效降低3Hz～10MHz低频信号传输损耗，并实现50GHz～86GHz频率信号低损耗、高镜像抑制下变频，成为超宽带频谱分析仪高可集成度、高可靠性、低损耗的射频前端解决方案，从而将同轴频谱分析仪的频率上限扩展至86GHz，实现3Hz～86GHz信号频谱特性一次扫频测试，实现高效、准确的毫米波信号频谱特性测试。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种开关变频组件，包括射频输入双工电路，射频输入双工电路由零频扩展电路和单刀四掷开关构成，实现低频输入信号和高频输入信号的分离传输；所述零频扩展电路具有在低频范围内低损耗传输特性，且对高频信号具有滤波效应，实现低频输入信号和高频输入信号两路信号分别低损耗传输的作用；两个输出端口分别输出低频输出信号和中频输出信号；
其中，高频输入信号又被从低到高细分为第一高频输入信号、第二高频输入信号、第三高频输入信号和第四高频输入信号，第三高频输入信号和第四高频输入信号经单刀四掷开关分别选通后经带通滤波器滤除杂散频率分量后与频率为fLO的本振信号混频产生中频信号，从而使得输出的中频输出信号频率fIF与射频输入信号频率fRF存在如公式(3)所示一一对应的关系，被测射频输入信号频率由该频段输出的中频输出信号频率fIF计算得到；本振信号频率fLO是已知的，则射频输入信号频率fRF计算公式由式(3)给出且具有唯一性，从而实现了细化的高频范围内精确测量射频信号频率精确测量；
fIF＝fRF-fLO (3)。
可选地，输入的3Hz～86GHz射频信号经过由零频扩展电路与单刀四掷开关构成的射频输入双工电路实现分离传输。
可选地，低频的3Hz～10MHz射频信号经零频扩展电路处理，10MHz～86GHz射频信号经单刀四掷开关选通为10MHz～4GHz、4GHz～50GHz、40GHz～72GHz、72GHz～86GHz四路。
可选地，10MHz～4GHz射频信号与经零频扩展电路处理后的3Hz～10MHz射频信号合路输出。
可选地，50GHz～72GHz射频信号经单刀四掷开关选通后，输入第一滤波混频电路与经单刀双掷开关选通的本振信号混频，产生的中频信号与72GHz～86GHz频段混频产生的中频信号和4GHz～50GHz射频信号经单刀三掷开关选通后输出组件。
可选地，72GHz～86GHz射频信号经单刀四掷开关选通后，输入第二滤波混频电路与经单刀双掷开关选通的本振信号混频，产生的中频信号与50GHz～72GHz频段混频产生的中频信号和4GHz～50GHz射频信号经单刀三掷开关选通后输出组件。
可选地，4GHz～50GHz射频信号与50GHz～72GHz和72～86GHz两路混频产生的中频信号经单刀三掷开关选通后输出组件。
可选地，使用同轴接头作为射频信号输入接口。
可选地，所述零频扩展电路中，输入信号经低通滤波器、对地电容和电阻构成的匹配网络、放大器处理后，再经与输入端相同的匹配网络、低通滤波器与单刀四掷开关选通的第一高频输入信号合路输出。
本发明的有益效果是：
(1)工作频带宽：可实现3Hz～86GHz的超宽带频率覆盖；
(2)输入射频信号频率可精确测量：3Hz～50GHz信号频率测量已有成熟的测量方案，可精确测量其频率；50GHz～72GHz和72～86GHz的射频信号分别经带通滤波滤除杂散信号后与已知频率的本振信号混频输出4GHz～50GHz的中频信号，其频率与混频产生的中频信号频率具有一一对应的关系，从而也可精确计算得到，且准确度与3Hz～50GHz一致；
(3)输入信号功率可精确计算：因采用同轴一体化设计方案，3Hz～86GHz信号在单一模块内进行处理，各分段输入至输出通道的损耗可精确计算，从而可由输出信号功率计算得到被测的输入信号功率；
(4)可实现3Hz～86GHz超宽频带信号高效测量：因采用同轴一体化设计方案，3Hz～86GHz信号在单一模块内进行处理，无需分为同轴测量和波导测量两步，减少互联操作次数，大大提高了测试效率；
(5)结构简单、加工难度低：3Hz～86GHz开关变频组件采用混合集成工艺实现，全部电路制作在微带电路上，并安装在在具有同轴接头的腔体内，相比波导结构具有结构简单、加工难度低的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种开关变频组件的原理框图；
图2为本发明零频扩展电路的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所实现的3Hz～86GHz开关变频组件包括射频输入双工电路，射频输入双工电路由零频扩展电路和单刀多掷开关构成，实现低频输入信号和高频输入信号的分离传输。零频扩展电路具有低频范围内低损耗传输特性，且对高频信号具有较好的滤波效应，避免了高频信号向低频端口泄露引起的损耗增大现象，实现低频输入信号和高频输入信号两路信号分别低损耗传输的作用。零频扩展电路实现方式如图2所示，输入信号经低通滤波器8、对地电容和电阻构成的匹配网络9、放大器10等处理后，再经与输入端相同的匹配网络19、低通滤波器18与单刀四掷开关3选通的10MHz～4GHz信号合路输出3Hz～4GHz信号。
两个输出端口分别输出低频输出信号和中频输出信号，由于已有成熟的精确测量方案，其频率可精确测量得到。
其中，高频输入信号又被从低到高细分为第一高频输入信号、第二高频输入信号、第三高频输入信号和第四高频输入信号，第三高频输入信号和第四高频输入信号经单刀四掷开关3分别选通后经带通滤波器滤除杂散频率分量后与频率为fLO的本振信号混频产生中频信号，从而使得输出的中频输出信号频率fIF与射频信号频率fRF存在如公式(3)所示一一对应的关系。因此，被测射频信号频率可由该频段输出的中频信号频率fIF计算得到。由于本振信号频率fLO是已知的，则射频信号频率fRF计算公式由式(3)给出且具有唯一性，从而实现了细化的高频范围内精确测量射频信号频率精确测量的功能。
fIF＝fRF-fLO (3)。
被测射频信号的功率PRF仍可由式2计算得到。
下面给出本发明所实现的开关变频组件的一个具体实施例，如图1所示，在该结构中，输入的3Hz～86GHz射频信号经过由零频扩展电路2与单刀四掷开关3构成的双工电路1实现分离传输：(1)、低频的3Hz～10MHz信号经零频扩展电路2处理后与单刀四掷开关3开关选通的10MHz～4GHz信号合路输出；(2)、10MHz～86GHz射频信号经单刀四掷开关3选通为10MHz～4GHz、4GHz～50GHz、40GHz～72GHz、72GHz～86GHz四路，其中10MHz～4GHz信号与经零频扩展电路处理后的3Hz～10MHz低频信号合路输出；50GHz～72GHz信号经单刀四掷开关3选通后，输入第一滤波混频电路4与经单刀双掷开关6选通的本振信号混频，产生的中频信号与72GHz～86GHz频段混频产生的中频信号和4GHz～50GHz射频信号经单刀三掷开关7选通后输出组件；72GHz～86GHz信号经单刀四掷开关3选通后，输入第二滤波混频电路5与经单刀双掷开关6选通的本振信号混频，产生的中频信号与50GHz～72GHz频段混频产生的中频信号和4GHz～50GHz射频信号经单刀三掷开关7选通后输出组件；4GHz～50GHz射频信号与50GHz～72GHz和72～86GHz两路混频产生的中频信号经单刀三掷开关选通后输出组件。
由于同轴接头可在直流至毫米波的超宽频带内具有低损耗传输信号的特性，本发明使用同轴接头作为射频信号输入接口，从而使得本发明提出的开关变频组件可工作在3Hz～86GHz的超宽频率范围，避免采用矩形波导作为输入接口导致的低频信号被截至而无法实现低频频率覆盖的弊端。
本发明的开关变频组件通过高性能双工电路实现3Hz～10MHz和10MHz～86GHz信号分离传输，由零频扩展电路与单刀四掷开关实现射频双工电路，零频扩展电路具有3Hz～10MHz信号低损耗传输和防止10MHz～86GHz信号泄露的作用，从而可获得3Hz～86GHz信号低传输损耗性能；10MHz～86GHz信号经开关选通为四路信号分别进行处理，50GHz～72GHz和72GHz～86GHz两路高频信号经带通滤波滤除杂散信号，然后与本振信号混频产生的中频信号和4GHz～50GHz信号经开关选通后输出；10MHz～4GHz信号经开关选通与3Hz～10MHz合路输出；改进后结构具有低损耗、超宽带、结构紧凑、毫米波信号频率测量准确性高的特点。
本发明提出的开关变频组件单次连接即可实现3Hz～86GHz信号频率、功率参数的精确测量；且具有结构简单、加工难度低、成本低的优点，解决了现有频谱测试方案测试效率低、频率功率参数测量准确性差的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种开关变频组件，其特征在于，包括射频输入双工电路，射频输入双工电路由零频扩展电路和单刀四掷开关构成，输入的3Hz～86GHz射频信号经过由零频扩展电路与单刀四掷开关构成的射频输入双工电路实现低频输入信号和高频输入信号的分离传输；低频的3Hz～10MHz射频信号经零频扩展电路处理，10MHz～86GHz射频信号经单刀四掷开关选通为10MHz～4GHz、4GHz～50GHz、40GHz～72GHz、72GHz～86GHz四路；10MHz～4GHz射频信号与经零频扩展电路处理后的3Hz～10MHz射频信号合路输出；所述零频扩展电路中，3Hz～10MHz经低通滤波器、对地电容和电阻构成的匹配网络、放大器处理后，再经与输入端相同的匹配网络、低通滤波器与单刀四掷开关选通的10MHz～4GHz射频信号合路输出，所述零频扩展电路具有在低频范围内低损耗传输特性，且对高频信号具有滤波效应，实现低频输入信号和高频输入信号两路信号分别低损耗传输的作用；两个输出端口分别输出低频输出信号和中频输出信号；
50GHz～72GHz射频信号和72GHz～86GHz射频信号经单刀四掷开关分别选通后经带通滤波器滤除杂散频率分量后与频率为fLO的本振信号混频产生中频信号，从而使得输出的中频输出信号频率fIF与射频输入信号频率fRF存在如公式(3)所示一一对应的关系，被测射频输入信号频率由该频段输出的中频输出信号频率fIF计算得到；本振信号频率fLO是已知的，则射频输入信号频率fRF计算公式由式(3)给出且具有唯一性，从而实现了细化的高频范围内精确测量射频信号频率精确测量；
fIF＝fRF-fLO (3)
4GHz～50GHz射频信号与50GHz～72GHz和72～86GHz两路混频产生的中频信号经单刀三掷开关选通后输出组件。
2.如权利要求1所述的开关变频组件，其特征在于，50GHz～72GHz射频信号经单刀四掷开关选通后，输入第一滤波混频电路与经单刀双掷开关选通的本振信号混频，产生的中频信号与72GHz～86GHz频段混频产生的中频信号和4GHz～50GHz射频信号经单刀三掷开关选通后输出组件。
3.如权利要求1所述的开关变频组件，其特征在于，72GHz～86GHz射频信号经单刀四掷开关选通后，输入第二滤波混频电路与经单刀双掷开关选通的本振信号混频，产生的中频信号与50GHz～72GHz频段混频产生的中频信号和4GHz～50GHz射频信号经单刀三掷开关选通后输出组件。
4.如权利要求1至3任一项所述的开关变频组件，其特征在于，使用同轴接头作为射频信号输入接口。
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