CN106603091B - 毫米波16通道收发变频信道组件 - Google Patents

毫米波16通道收发变频信道组件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及收发变频信道技术领域，是一种主要采用MMIC裸芯片与LTCC电路混合设计、通过一次或多次变频方式实现微小型化设计的毫米波16通道收发变频信道组件，整体呈三层结构，上层包括电源控制部分，中间层为变频电路部分，下层包括16路波导接口；所述变频电路部分包括16路接收通道、1路发射通道和本振处理电路，接收通道和发射通道共用16路波导接口，收发分时供电，通过射频开关进行通道切换，各层之间电源及控制信号通过微型低频连接器互连，射频信号通过射频绝缘子互连；各层内部通过过孔实现互连。实现了毫米波多通道收发变频信道的高密度集成化，体积小，重量轻，环境适应能力强，提高了系统在各种环境条件下工作的可靠性与稳定性。符合收发变频信道小型化的未来趋势。

Description

毫米波16通道收发变频信道组件
技术领域
本发明涉及收发变频信道技术领域，是一种主要采用MMIC裸芯片与LTCC电路混合设计、通过一次或多次变频方式实现微小型化设计的毫米波16通道收发变频信道组件。
背景技术
变频信道是连接射频部分和基带部分的桥梁，是现代无线电通信、无线电探测的关键部分。在现代信息化战争中，变频信道扮演着重要的角色。无线电收发装置(例如天线)的尺寸与其接收和发射的无线电波长成正比。携带信息的低频信号需通过一次或者多次变频，将频谱搬移至射频部分，便于使用合适尺寸的天线发射出去；天线接收到的无线电波，通过一次或者多次变频，将频谱搬移至中频部分，便于后级电路处理分析。变频信道在满足系统常温性能指标要求的情况下，还必须满足诸如弹载、机载等特殊的安装和使用环境，这对变频信道提出了更加苛刻的要求。
传统方式下的变频信道通常包括接收、发射和本振三大独立模块。接收模块通过预选滤波器选出需要接收的射频微弱信号，由限幅低噪声放大器将微弱信号放大后变频到中频，再通过中频滤波器提取出需要的中频信号，送至信号处理模块解调分析；发射模块将基带产生的中频信号变频到射频，然后通过滤波选出需要发射的射频信号，经放大后输出至天线；本振模块为接收模块和发射模块提供所需的本振驱动信号。面对各种各样的工作环境，传统方式下的变频信道已暴露出极大的局限性，主要包括以下几点：
1、传统方式的变频信道分为接收、发射、本振三个独立模块，各个模块功能单一，集成度低，系统体积庞大，电路组装复杂；
2、传统方式的变频信道器件种类、器件数量多，装配方式多样，在复杂的使用环境下可靠性、稳定性受到了极大挑战；
3、传统方式的变频信道采用软基片单面走线设计，元器件布局布线通常按照直线排列，空间利用率低；
4、传统方式的变频信道通常选用波导滤波器、腔体滤波器等体积较大、重量较大、温度稳定性较差的器件，无法满足弹载、机载、背负式等特殊的安装和使用环境。
发明内容
本发明克服了传统方式变频信道的局限性，提出一种以毫米波MMIC裸芯片和LTCC电路为核心的毫米波16通道收发变频信道组件，将毫米波变频部分所有的MMIC裸芯片、薄膜电路高密度集成在LTCC电路板材上。
本发明技术方案如下：
一种毫米波16通道收发变频信道组件，其特征在于：整体呈三层结构，上层包括电源控制部分，中间层为变频电路部分，下层包括16路波导接口；所述变频电路部分包括16路接收通道、1路发射通道和本振处理电路，接收通道和发射通道共用16路波导接口，收发分时供电，通过射频开关进行通道切换，各层之间电源及控制信号通过微型低频连接器互连，射频信号通过射频绝缘子互连；各层内部通过过孔实现互连。
所述16路接收通道分别经两次变频，实现毫米波Ka波段信号至中频信号之间的变换；1路发射通道通过一次变频，实现中频L波段信号至毫米波Ka波段信号之间的变换，再通过1分16波导功分后送至16路波导接口连接至天线；电源控制部分为DC-DC电源，实现外部输入电压到内部供电电压之间的转换，同时实现收发切换和收发分时供电的控制。
所述电源控制部分包括PCB板、DC-DC电源模块电路、电源滤波电路、控制电路、开关驱动电路、内层屏蔽罩、腔体以及对外的低频接口；控制信号和外部电源从低频接口输入，DC-DC电源模块电路将输入的电源电压转换为内部所需的供电电压，再经电源滤波电路滤波；控制电路和开关驱动电路为相应的电路提供驱动电压和驱动电流，DC-DC电源模块电路置于内层屏蔽罩中，防止对敏感电路造成干扰，以上电路均以PCB板为载体，全部置于腔体内，实现模块化设计。
所述变频电路部分包括LTCC板、PCB板、小腔体、内部隔条、大腔体、接收链路、发射链路和本振链路，其中接收链路和发射链路共用波导微带探针过渡1和收发切换射频开关；接收链路、发射链路和本振链路的毫米波变频部分均置于小腔体内，以LTCC板为载体，并用内部隔条隔开改善隔离度；中频部分以PCB板为载体，小腔体和PCB板均置于大腔体内，实现模块化设计。
波导接口部分包括腔体、16路波导以及对外的波导接口。
毫米波变频部分以MMIC裸芯片和LTCC电路为核心，将毫米波变频部分所有的MMIC裸芯片、薄膜电路高密度集成在LTCC电路板材上；中频部分以多层微波板为载体，采用成熟可靠的表贴工艺，降低组装难度，提高系统的稳定性。
毫米波LTCC电路包括Ka波段信号放大器、滤波器、第一本振功率分配器、倍频器、第一混频器、第一中频滤波器和第一中频放大器电路，16个通道组成一个大腔体，每4个通道组成一个小腔体，小腔体内部用隔条隔开，改善通道间的隔离度。
毫米波变频部分的毫米波薄膜电路包括薄膜滤波器电路，其特征在于尺寸小、重量轻、插入损耗小、温度稳定性好；所述中频部分采用PCB板级LC滤波器，将滤波器元器件电感和电容等直接焊接在印制板上，其特征在于尺寸小、重量轻、布局灵活、便于装配和调试。
变频信道的接收链路为二次变频方式，第一次变频将Ka波段信号变换至L波段，第二次变频将L波段信号变换至150MHz信号，其好处在于不需要的信号距离中频频率很远，减小了中频滤波器的设计难度。
变频信道的第一本振信号为X波段信号，为了将Ka波段信号变换至L波段，第一本振信号需经过倍频、滤波放大之后再送至混频器与相应的信号进行频率变换。
变频信道的发射链路通过一分十六波导功分后送至16路波导接口连接至天线，波导结构采用对称设计，发射信号能被等幅等相地传输至天线。采用波导接口还具有驻波好、插入损耗小、温度稳定性好、装配调试量小的优点。
DC-DC电路采用屏蔽罩隔离，防止对其他电路造成干扰。同时，电源和控制部分位于叠层结构的最上层，有利于模块的散热。
本发明的有益效果如下：
1、叠层结构设计根据信号工作频率高低、信号类型不同、电路功能不同进行分层分区设计。其中上层电源和控制电路为低频电路，分别处理模拟电压电流信号和数字逻辑信号，拓扑设计为电源分区和控制逻辑分区。中间层毫米波处理电路为高频电路，毫米波变频之后为中频电路，拓扑设计为射频和中频两大分区：射频分区以LTCC电路为载体、通过MMIC裸芯片对毫米波进行滤波放大和频率变换，实现多信道小型化设计，将放在同一水平面的印制电路分解到空间垂直的多个水平面上，通过层间的垂直互连实现三维拓扑结构；中频分区处理的信号来自射频分区毫米波频段下变频到L波段之后的信号，故以多层微波板为载体，采用成熟可靠的表贴工艺，降低组装难度，提高系统的稳定性。下层波导接口电路功能简单，需要将16路天线接口等幅等相转接到相对集中的位置上，为了充分保证各路幅相一致性，仿真设计全部为对称结构，并采用温度性能稳定、损耗低的波导结构实现。
2、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：实现了毫米波多通道收发变频信道的高密度集成化，体积小，重量轻，环境适应能力强，提高了系统在各种环境条件下工作的可靠性与稳定性。符合收发变频信道小型化的未来趋势。
附图说明
图1为本发明组成框图。
图2为本发明原理框图。
图3为本发明毫米波频段采用的薄膜滤波器拓扑结构。
图4为本发明中频电路采用的板级LC滤波器拓扑结构。
附图中：电源控制部分1，接收通道2、发射通道3，本振处理电路4。
具体实施方式
实施例1
一种毫米波16通道收发变频信道组件整体呈三层结构，上层包括电源控制部分1，中间层为变频电路部分，下层包括16路波导接口；所述变频电路部分包括16路接收通道2、1路发射通道3和本振处理电路4，接收通道2和发射通道3共用16路波导接口，收发分时供电，通过射频开关进行通道切换，各层之间电源及控制信号通过微型低频连接器互连，射频信号通过射频绝缘子互连；各层内部通过过孔实现互连。叠层结构设计根据信号工作频率高低、信号类型不同、电路功能不同进行分层分区设计。其中上层电源和控制电路为低频电路，分别处理模拟电压电流信号和数字逻辑信号，拓扑设计为电源分区和控制逻辑分区。中间层毫米波处理电路为高频电路，毫米波变频之后为中频电路，拓扑设计为射频和中频两大分区：射频分区以LTCC电路为载体、通过MMIC裸芯片对毫米波进行滤波放大和频率变换，实现多信道小型化设计，将放在同一水平面的印制电路分解到空间垂直的多个水平面上，通过层间的垂直互连实现三维拓扑结构；中频分区处理的信号来自射频分区毫米波频段下变频到L波段之后的信号，故以多层微波板为载体，采用成熟可靠的表贴工艺，降低组装难度，提高系统的稳定性。下层波导接口电路功能简单，需要将16路天线接口等幅等相转接到相对集中的位置上，为了充分保证各路幅相一致性，仿真设计全部为对称结构，并采用温度性能稳定、损耗低的波导结构实现。
实施例2
一种毫米波16通道收发变频信道组件，其特征在于：整体呈三层结构，上层包括电源控制部分1，中间层为变频电路部分，下层包括16路波导接口；所述变频电路部分包括16路接收通道2、1路发射通道3和本振处理电路4，接收通道2和发射通道3共用16路波导接口，收发分时供电，通过射频开关进行通道切换，各层之间电源及控制信号通过微型低频连接器互连，射频信号通过射频绝缘子互连；各层内部通过过孔实现互连。
所述16路接收通道2分别经两次变频，实现毫米波Ka波段信号至中频信号之间的变换；1路发射通道3通过一次变频，实现中频L波段信号至毫米波Ka波段信号之间的变换，再通过1分16波导功分后送至16路波导接口连接至天线；电源控制部分1为DC-DC电源，实现外部输入电压到内部供电电压之间的转换，同时实现收发切换和收发分时供电的控制。
所述电源控制部分1包括PCB板、DC-DC电源模块电路、电源滤波电路、控制电路、开关驱动电路、内层屏蔽罩、腔体以及对外的低频接口；控制信号和外部电源从低频接口输入，DC-DC电源模块电路将输入的电源电压转换为内部所需的供电电压，再经电源滤波电路滤波；控制电路和开关驱动电路为相应的电路提供驱动电压和驱动电流，DC-DC电源模块电路置于内层屏蔽罩中，防止对敏感电路造成干扰，以上电路均以PCB板为载体，全部置于腔体内，实现模块化设计。
所述变频电路部分包括LTCC板、PCB板、小腔体、内部隔条、大腔体、接收链路、发射链路和本振链路，其中接收链路和发射链路共用波导微带探针过渡1和收发切换射频开关；接收链路、发射链路和本振链路的毫米波变频部分均置于小腔体内，以LTCC板为载体，并用内部隔条隔开改善隔离度；中频部分以PCB板为载体，小腔体和PCB板均置于大腔体内，实现模块化设计。
波导接口部分包括腔体、16路波导以及对外的波导接口。
毫米波变频部分以MMIC裸芯片和LTCC电路为核心，将毫米波变频部分所有的MMIC裸芯片、薄膜电路高密度集成在LTCC电路板材上；中频部分以多层微波板为载体，采用成熟可靠的表贴工艺，降低组装难度，提高系统的稳定性。
毫米波LTCC电路包括Ka波段信号放大器、滤波器、第一本振功率分配器、倍频器、第一混频器、第一中频滤波器和第一中频放大器电路，16个通道组成一个大腔体，每4个通道组成一个小腔体，小腔体内部用隔条隔开，改善通道间的隔离度。
毫米波变频部分的毫米波薄膜电路包括薄膜滤波器电路，其特征在于尺寸小、重量轻、插入损耗小、温度稳定性好；所述中频部分采用PCB板级LC滤波器，将滤波器元器件电感和电容等直接焊接在印制板上，其特征在于尺寸小、重量轻、布局灵活、便于装配和调试。
变频信道的接收链路为二次变频方式，第一次变频将Ka波段信号变换至L波段，第二次变频将L波段信号变换至150MHz信号，其好处在于不需要的信号距离中频频率很远，减小了中频滤波器的设计难度。
变频信道的第一本振信号为X波段信号，为了将Ka波段信号变换至L波段，第一本振信号需经过倍频、滤波放大之后再送至混频器与相应的信号进行频率变换。
变频信道的发射链路通过一分十六波导功分后送至16路波导接口连接至天线，波导结构采用对称设计，发射信号能被等幅等相地传输至天线。采用波导接口还具有驻波好、插入损耗小、温度稳定性好、装配调试量小的优点。
DC-DC电路采用屏蔽罩隔离，防止对其他电路造成干扰。同时，电源和控制部分位于叠层结构的最上层，有利于模块的散热。
叠层结构设计根据信号工作频率高低、信号类型不同、电路功能不同进行分层分区设计。其中上层电源和控制电路为低频电路，分别处理模拟电压电流信号和数字逻辑信号，拓扑设计为电源分区和控制逻辑分区。中间层毫米波处理电路为高频电路，毫米波变频之后为中频电路，拓扑设计为射频和中频两大分区：射频分区以LTCC电路为载体、通过MMIC裸芯片对毫米波进行滤波放大和频率变换，实现多信道小型化设计，将放在同一水平面的印制电路分解到空间垂直的多个水平面上，通过层间的垂直互连实现三维拓扑结构；中频分区处理的信号来自射频分区毫米波频段下变频到L波段之后的信号，故以多层微波板为载体，采用成熟可靠的表贴工艺，降低组装难度，提高系统的稳定性。下层波导接口电路功能简单，需要将16路天线接口等幅等相转接到相对集中的位置上，为了充分保证各路幅相一致性，仿真设计全部为对称结构，并采用温度性能稳定、损耗低的波导结构实现。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：实现了毫米波多通道收发变频信道的高密度集成化，体积小，重量轻，环境适应能力强，提高了系统在各种环境条件下工作的可靠性与稳定性。符合收发变频信道小型化的未来趋势。
如图2原理框图所示，毫米波16通道收发变频信道组件主要由接收链路、发射链路和本振链路组成。原理框图上半部分为接收链路，中间部分为本振链路，下半部分为发射链路。接收链路将Ka波段的射频信号，经过第一次混频变换到L波段，再经过第二次混频，产生150MHz的中频信号。发射链路将L波段的中频信号，经过一次混频，产生Ka波段的发射信号。本振链路分为第一本振和第二本振：第一本振经一分二功分器，一路送至接收链路，另一路送至发射链路；第二本振为接收链路混频器提供所需的驱动信号。
收发信号经波导端口进行传输，故首先通过波导微带探针过渡1，将信号传输媒体变换为相应的形式，再通过射频开关实现接收链路和发射链路的切换，如图2所示。
所述接收链路由收发芯片1、滤波器1、混频器1、滤波器2、放大器1、可变衰减器1、放大器2、混频器2、滤波器3、放大器3、温补衰减器、放大器4、预留衰减器1组成。所述收发芯片1的输入端接开关的输出端，其输出端接所述滤波器1的输入端，它对开关的输出信号进行低噪声放大；所述滤波器1的输出端接混频器1的相应输入端，它对收发芯片1的输出信号进行滤波，滤波器1为薄膜滤波器，具有尺寸小、重量轻、插入损耗小、温度稳定性好的优点，其拓扑结构如图3所示；所述混频器1的输出端接滤波器2的输入端，它将所述滤波器1的输出信号变换至L波段；所述滤波器2的输出端接放大器1的输入端，它对所述混频器1的输出信号进行滤波；所述放大器1的输出端接可变衰减器1的输入端，它对所述滤波器2的输出信号进行低噪声放大；所述可变衰减器1的输出端接放大器2的输入端，它对所述放大器1的输出信号进行幅度控制；所述放大器2的输出端接混频器2的相应输入端，它对所述可变衰减器1的输出信号进行低噪声放大；所述混频器2的输出端接滤波器3的输入端，它将所述放大器2的输出信号变换至150MHz中频信号；所述滤波器3的输出端接放大器3的输入端，它对所述混频器2的输出信号进行滤波，滤波器3采用PCB板级LC滤波器，其拓扑结构如图4所示；所述放大器3的输出端接温补衰减器的输入端，它对所述滤波器3的输出信号进行放大；所述温补衰减器的输出端接放大器4的输入端，它对接收链路的小信号增益进行温度补偿；所述放大器4的输出端接预留衰减器1的输入端，它对所述温补衰减器的输出信号进行放大；所述预留衰减器1的输出端为基带所需的中频150MHz信号，它对所述放大器4的输出信号进行幅度调整。
所述发射链路由预留衰减器2、滤波器6、放大器5、可变衰减器2、放大器6、混频器3、滤波器7、放大器7、滤波器8、收发芯片2、波导微带探针过渡2、一分十六功分器3、波导微带探针过渡3组成。所述预留衰减器2的输出端接滤波器6的输入端，它对发射中频输入信号进行幅度调整；所述滤波器6的输出端接放大器5的输入端，它对所述预留衰减器2的输出信号进行滤波；所述放大器5的输出端接可变衰减器2的输入端，它对所述滤波器6的输出信号进行放大；所述可变衰减器2的输出端接放大器6的输入端，它对所述放大器5的输出信号进行幅度控制；所述放大器6的输出端接混频器3的相应输入端，它对所述可变衰减器2的输出信号进行放大；所述混频器3的输出端接滤波器7的输入端，它将所述放大器6的输出信号变换至Ka波段；所述滤波器7的输出端接放大器7的输入端，它对所述混频器3的输出信号进行滤波；所述放大器7的输出端接滤波器8的输入端，它对所述滤波器7的输出信号进行放大；所述滤波器8的输出端接收发芯片2的输入端，它对所述放大器7的输出信号进行滤波；所述滤波器7和滤波器8均采用薄膜滤波器，其拓扑结构如图3所示；所述收发芯片2的输出端接波导微带探针过渡2的输入端，它对所述滤波器8的输出信号进行驱动放大；所述波导微带探针过渡2的输出端接一分十六功分器3的输入端，它将信号传输媒体由微带形式转换为波导形式；所述一分十六功分器3的输出端接波导微带探针过渡3的输入端，它对所述波导微带探针过渡2的输出信号进行功率分配；所述波导微带探针过渡3的输出端接开关的输入端，它将信号传输媒体由波导形式转换为微带形式，再将信号传输至所述开关的相应输入端。
所述本振链路包括第一本振和第二本振：第一本振由一分二功分器、一分十六功分器1、倍频器1、滤波器4、倍频器2、滤波器9组成，第二本振由滤波器5、一分十六功分器2组成。所述一分二功分器的输出端接一分十六功分器1的输入端，它将第一本振信号分为两路，一路送至接收链路，另一路送至发射链路；所述一分十六功分器1的输出端接倍频器1的输入端，它将接收链路的第一本振信号分为16路，分别供给16路接收通道2；所述倍频器1的输出端接滤波器4的输入端，它对所述一分十六功分器1的输出信号进行倍频和放大；所述滤波器4的输出端接混频器1的相应输入端，它对所述倍频器1的输出信号进行滤波；所述倍频器2的输出端接滤波器9的输入端，它对所述一分二功分器的输出信号进行倍频和放大；所述滤波器9的输出端接混频器3的相应输入端，它对所述倍频器2的输出信号进行滤波；所述滤波器4和滤波器9均采用薄膜滤波器，其拓扑结构如图3所示；所述滤波器5的输出端接一分十六功分器2的输入端，它对第二本振信号进行滤波；所述一分十六功分器2的输出端接混频器2的相应输入端，它将接收链路的第二本振信号分为16路，分别为16路接收通道2提供第二本振信号。

Claims (5)

1.一种毫米波16通道收发变频信道组件，其特征在于：整体呈三层结构，上层包括电源控制部分（1），中间层为变频电路部分，下层包括16路波导接口；所述变频电路部分包括16路接收通道（2）、1路发射通道（3）和本振处理电路（4），接收通道（2）和发射通道（3）共用16路波导接口，收发分时供电，通过射频开关进行通道切换，各层之间电源及控制信号通过微型低频连接器互连，射频信号通过射频绝缘子互连；各层内部通过过孔实现互连；
变频电路部分包括毫米波LTCC电路，毫米波LTCC电路包括集成在以LTCC板作为载体上的开关、收发芯片、滤波器、混频器、功分器和倍频器，16个通道组成一个大腔体，每4个通道组成一个小腔体，小腔体内部用隔条隔开；
第一本振信号为X波段信号，为了将Ka波段信号变换至L波段，第一本振信号需经过倍频、滤波放大之后再送至混频器与相应的信号进行频率变换；发射链路通过一分十六波导功分后送至16路波导接口连接至天线，波导结构采用对称设计，发射信号能被等幅等相地传输至天线；DC-DC电路采用屏蔽罩隔离；
所述16路接收通道（2）分别经两次变频，实现毫米波Ka波段信号至中频信号之间的变换；1路发射通道（3）通过一次变频，实现中频L波段信号至毫米波Ka波段信号之间的变换，再通过1分16波导功分后送至16路波导接口连接至天线；电源控制部分（1）为DC-DC电源，实现外部输入电压到内部供电电压之间的转换，同时实现收发切换和收发分时供电的控制；
所述电源控制部分（1）包括PCB板、DC-DC电源模块电路、电源滤波电路、控制电路、开关驱动电路、内层屏蔽罩、腔体以及对外的低频接口；控制信号和外部电源从低频接口输入，DC-DC电源模块电路将输入的电源电压转换为内部所需的供电电压，再经电源滤波电路滤波；控制电路和开关驱动电路为相应的电路提供驱动电压和驱动电流，DC-DC电源模块电路置于内层屏蔽罩中，防止对敏感电路造成干扰，以上电路均以PCB板为载体，全部置于腔体内，实现模块化设计；
所述变频电路部分包括LTCC板、PCB板、小腔体、内部隔条、大腔体、接收链路、发射链路和本振链路，其中接收链路和发射链路共用波导微带探针过渡和收发切换射频开关；接收链路、发射链路和本振链路的毫米波变频部分均置于小腔体内，以LTCC板为载体，并用内部隔条隔开改善隔离度；中频部分以PCB板为载体，小腔体和PCB板均置于大腔体内，实现模块化设计。
2.根据权利要求1所述的毫米波16通道收发变频信道组件，其特征在于：波导接口部分包括腔体、16路波导以及对外的波导接口。
3.根据权利要求1所述的毫米波16通道收发变频信道组件，其特征在于：毫米波变频部分以MMIC裸芯片和LTCC电路为核心，将毫米波变频部分所有的MMIC裸芯片、薄膜电路高密度集成在LTCC电路板材上。
4.根据权利要求1所述的毫米波16通道收发变频信道组件，其特征在于：毫米波变频部分的毫米波薄膜电路包括薄膜滤波器电路；所述中频部分采用PCB板级LC滤波器，将滤波器电感和电容直接焊接在印制板上。
5.根据权利要求1所述的毫米波16通道收发变频信道组件，其特征在于：变频信道的接收链路为二次变频方式，第一次变频将Ka波段信号变换至L波段，第二次变频将L波段信号变换至150MHz信号。
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