CN106656253B - 一种用于云目标探测实验的Ka波段MIMO收发装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于云目标探测实验的Ka波段MIMO收发装置，其包括信号发送模块和信号接收模块；信号发送模块包括依次连接的上变频混频器、Ka波段带通滤波器和多通道开关选择输出单元；多通道开关选择输出单元包括输出选择开关、第一开关驱动单元，和至少2个信号输出支路；信号接收模块包括依次连接的多通道开关选择输入单元、低噪声放大器、下变频混频器、低通滤波器和中频放大器；多通道开关选择输入单元包括输入选择开关、第二开关驱动单元，和至少2个信号输入支路。本发明可以从多个接收通道收发电磁波，并把接收到的回波信号由毫米波信号转变为中频信号，便于对回波信号的后续处理，同时本发明装置可实现全相参体制，能够获取目标探测信号的相位信息。

Description

一种用于云目标探测实验的Ka波段MIMO收发装置

技术领域

本发明涉及毫米波MIMO探测技术领域，特别是一种用于云目标探测实验的Ka波段MIMO收发装置。

背景技术

毫米波MIMO技术在通信、成像、大气探测等方面表现出了广阔的应用前景。其中，在大气探测领域，尤其是云目标探测领域，该技术既利用了毫米波探测精度高的优点，又利用了MIMO技术在空间资源利用方面的优势，可以从多个角度观测云目标的结构与特征，获取高精度云内微观参数。

利用毫米波MIMO技术进行云目标探测尚属新的研究领域，需要进行大量的实验操作，因此研究用于云目标探测实验研究的Ka波段MIMO收发装置具有非常重要的意义。Ka波段MIMO收发装置主要实现多路Ka波段信号的发送与接收，并把接收信号下变频为便于处理的中频信号，整个装置需要满足利用MIMO技术进行云目标探测的实验要求。

目前，国内现有的Ka波段MIMO收发装置基本都是用于毫米波MIMO通信技术研究，系统庞大而复杂，如文献“宽带毫米波通信接收前端的研究”中的Ka波段MIMO接收前端设计指标与系统结构都针对于5G通信，不适用于云目标探测的实验研究。

发明内容

本发明的目的是：提供一种用于云目标探测实验的Ka波段MIMO收发装置，其可以从多个天线通道收发电磁波，并把接收到的回波信号由毫米波信号转变为中频信号，便于对回波信号的后续处理，同时可实现全相参体制，以获取目标探测信号的相位信息。

本发明采取的技术方案具体为：一种用于云目标探测实验的Ka波段MIMO收发装置，包括信号发送模块和信号接收模块；

信号发送模块包括依次连接的上变频混频器、Ka波段带通滤波器和多通道开关选择输出单元；上变频混频器的输入端输入中频信号和第一本振信号；多通道开关选择输出单元包括输出选择开关、第一开关驱动单元，和至少2个输入端分别连接输出选择开关输出端的信号输出支路；Ka波段带通滤波器的输出端连接输出选择开关的输入端，第一开关驱动单元控制输出选择开关循环的依次接通各输出支路；

信号接收模块包括依次连接的多通道开关选择输入单元、低噪声放大器、下变频混频器、低通滤波器和中频放大器；多通道开关选择输入单元包括输入选择开关、第二开关驱动单元，和至少2个输出端分别连接输入选择开关输入端的信号输入支路，第二开关驱动单元控制输入选择开关循环的依次接通各输入支路；输入选择开关的输出端连接低噪声放大器的输入端，下变频混频器的输入端还输入有第二本振信号，中频放大器的输出端输出中频信号；

所述第一本振信号与第二本振信号为频率、振幅和相位皆相同的信号；输入支路与输出支路的数量相同。

本发明中，上变频混频器用于将基带信号与本振信号进行混频，输出Ka波段的射频信号，提供给Ka波段带通滤波器，Ka波段带通滤波器用于滤除上变频混频器输出端的本振泄露信号、基带泄露信号以及谐波，保证输出纯净的Ka波段射频信号。低噪声放大器用于放大接收到的信号，同时保证接收端具有低噪声系数，增强整个接收部分的灵敏度。下变频混频器用于将接收信号与本振信号进行混频，输出中频信号。低通滤波器用于滤除下变频混频器中频输出端的本振泄露信号、射频泄露信号以及谐波信号，保证中频输出信号的纯净。

本发明在应用时，信号发射部分，输出选择开关从多个输出支路中依次选择一路输出Ka波段信号，信号接收部分，输入选择开关从多个输入支路中依次选择一路输出到低噪声放大器。

优选的，本发明还包括功率分配器，功率分配器的输入端输入本振信号源，第一本振信号和第二本振信号为本振信号源经功率分配器进行功率分配后输出的两路相同的本振信号。

进一步的，本发明信号发送模块中还包括功率放大器，功率放大器的输入端连接Ka波段带通滤波器的输出端，输出端连接输出选择开关的输入端。功率放大器可用于放大带发射信号的功率。

优选的，本发明中，第一开关驱动单元控制输入选择开关以时分方式循环的依次接通各输出支路；第二开关驱动单元控制输入选择开关以时分方式循环的依次接通各输入支路。时分方式可保证多通道输入输出的同时有效性，保证MIMO形式的实现，提高信号收发处理的效率。

更进一步的，本发明还包括用于提供装置工作电压的电源模块。各单元分别连接电源以维持工作。

优选的，本发明输入选择开关和输出选择开关皆为单刀四掷开关，输入支路和输出支路皆为4个。输入选择开关和输出选择开关可选用现有的电子开关，相应的开关驱动单元亦可采用现有产品，开关驱动单元的控制方式可采用TTL信号控制，输出正负10mA电流，作为发射与接收部分中单刀四掷开关的驱动电流，控制开关的通断，以及不同输入或输出支路的接通。

进一步的，本发明还包括金属腔壳，金属腔壳中分隔有至少5个腔室，低噪声放大器、下变频混频器、上变频混频器、Ka波段带通滤波器和输入选择开关位于第一腔室中，低通滤波器和中频放大器位于第二腔室中，第二开关驱动模块位于第三腔室中，第一开关驱动模块位于第四腔室中，选择输出开关位于第五腔室中。可避免开关驱动部分、中频输出部分以及射频电路之间的干扰。功率分配器也与射频电路部分同位于第一腔室中。以上电路部分的分隔可方便调整发射天线与接收天线的距离，并方便根据需要增加其他器件对发射射频信号进行处理，如增加功率放大器用于放大发射功率。

优选的，上述金属腔壳为2个，第一腔室、第二腔室、第三腔室位于第一金属腔壳内，第四腔室和第五腔室位于第二金属腔壳内。第一金属腔壳上设有用于连接第二选择输入开关的信号接收端口、用于连接功率分配器的本振输入端口、用于连接信号分析处理设备的中频输出端口、用于连接输出选择开关的射频输出端口，和中频信号输入端口。第二金属腔壳上设有用于连接前述射频输出端口的射频输入端口，和信号发送端口。这种设置方式将射频输出部分与其它部分电路进行了分离，通过在腔壳上设置端口进行信号之间的传输。金属腔壳内的腔室分隔可为中部横向分隔后根据需要再纵向分隔。优选的，第一腔室位于金属腔壳的前部，第二腔室和第三腔室位于金属腔壳的背部；第四腔室和第五腔室分别位于第二金属腔壳的前部和背部。由于将射频发射部分与其它部分进行了分离，故本发明电源也需要设置两个，发射部分的第一开关驱动单元和相应的电源位于同一腔室中，接收部分的第二开关驱动单元和电源位于同一腔室中。

有益效果

1）本发明利用射频开关选择输入输出信号，考虑到云目标变化缓慢，通过时分方式实现多输入多输出（MIMO），相比实现MIMO形式的多通道接收与发射系统，该装置结构简单，成本较低，适用于云目标的实验室观测研究；

2）本发明采取全相参工作方式，发射与接收部分利用相同的本振信号，可以有效获得相位信息；同时，该装置把发射部分的开关选择输出模块分离，利于随意调整发射与接收的位置与相对距离，利于更好地发挥MIMO形式的优势。

附图说明

图1所示为本发明原理结构示意图；

图2所示为本发明第一金属腔壳的第一腔室结构示意图；

图3所示为本发明第一金属腔壳的第二腔室结构示意图；

图4-1和图4-2所示分别为本发明第二金属腔壳的前部和背部结构示意图；

图5所示为本发明Ka波段带通滤波器示意图；

图6所示为本发明CMRC低通滤波器示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

参考图1所示，本发明用于云目标探测实验的Ka波段MIMO收发装置，包括信号发送模块和信号接收模块；

信号发送模块包括依次连接的上变频混频器Mixer1、Ka波段带通滤波器BPF和多通道开关选择输出单元2；上变频混频器Mixer1的输入端输入中频信号IF_IN和第一本振信号LO1；多通道开关选择输出单元2包括输出选择开关、第一开关驱动单元，和至少2个输入端分别连接输出选择开关输出端的信号输出支路；Ka波段带通滤波器BPF的输出端连接输出选择开关的输入端，第一开关驱动单元控制输出选择开关循环的依次接通各输出支路；

信号接收模块包括依次连接的多通道开关选择输入单元、低噪声放大器LNA、下变频混频器Mixer2、低通滤波器LPF和中频放大器IFA；多通道开关选择输入单元包括输入选择开关、第二开关驱动单元，和至少2个输出端分别连接输入选择开关输入端的信号输入支路，第二开关驱动单元控制输入选择开关循环的依次接通各输入支路；输入选择开关的输出端连接低噪声放大器LNA的输入端，下变频混频器Mixer2的输入端还输入有第二本振信号LO2，中频放大器IFA的输出端输出中频信号IF_OUT；

所述第一本振信号LO1与第二本振信号LO2为频率、振幅和相位皆相同的信号；输入支路与输出支路的数量相同。

实施例1

本实施例还包括功率分配器，功率分配器的输入端输入本振信号源LO，第一本振信号LO1和第二本振信号LO2为本振信号源LO经功率分配器进行功率分配后输出的两路相同的本振信号。

信号发送模块中还包括功率放大器，功率放大器的输入端连接Ka波段带通滤波器的输出端，输出端连接输出选择开关的输入端。功率放大器可用于放大带发射信号的功率。

第一开关驱动单元控制输入选择开关以时分方式循环的依次接通各输出支路；第二开关驱动单元控制输入选择开关以时分方式循环的依次接通各输入支路。时分方式可保证多通道输入输出的同时有效性，保证MIMO形式的实现，提高信号收发处理的效率。

本实施例还包括用于提供装置工作电压的电源模块。各单元分别连接电源以维持工作。

本实施例中输入选择开关和输出选择开关皆为单刀四掷开关，输入支路和输出支路皆为4个，其中输入支路端口分别对应接收信号Re_Sign1、Re_Sign2、Re_Sign3和Re_Sign4，输出支路端口分别对应发送信号Tr_Sign1、Tr_Sign2、Tr_Sign3和Tr_Sign4。输入选择开关和输出选择开关可选用现有的电子开关，相应的开关驱动单元亦可采用现有产品，开关驱动单元的控制方式可采用TTL信号控制，输出正负10mA电流，作为发射与接收部分中单刀四掷开关的驱动电流，控制开关的通断，以及不同输入或输出支路的接通。

在应用时，中频输入信号从接口IF_IN输入，与本振LO1通过上变频混频器输出射频信号RF_Sign，再通过Ka波段带通滤波器滤除谐波与本振泄露，输出较为纯净的35GHz射频信号，该信号从接口RF_OUT输出。

四路接收信号从接口Re_Sign1、Re_Sign2、Re_Sign3、Re_Sign4输入，通过开关选择输出模块选择一路接收信号到低噪声放大器，放大后的信号与本振LO2经过下变频混频器混频，再经过低通滤波器、中频放大器，输出中频信号到接口IF_OUT。本振LO1与本振LO2由外部接口LO_IN输入的本振信号LO经过功率分配器均分所得，两者幅值与相位保持相同。

35GHz射频信号由RF_IN接口输入，经过单刀四掷开关按时分方式依次选择输出给四路输出接口Tr_Sign1、Tr_Sign2、Tr_Sign3、Tr_Sign4。

实施例2

参考图1至图4所示，本实施例装置结构上分为收发装置主体1和射频发送部分2两个部分，分别置于两个分立的金属腔壳中。射频发送部分2包括多通道开关选择输出单元，及为其供电的电源模块。装置分为两个部分的目的是便于实际中调整发射天线与接收天线的相对位置与距离，同时便于外加功率放大器增大发射功率。

收发装置主体1和射频发送部分2两个部分都分别包含电源模块。为了减少外界电磁干扰以及增加系统的稳定性，两部分分别置于两个金属腔壳中，为了减少模块之间的相互干扰，本实施例对两个金属腔壳进行了分腔处理。

参考图2至图4，两个金属腔壳中分隔有共5个腔室，第一腔室、第二腔室、第三腔室位于第一金属腔壳内，第四腔室和第五腔室位于第二金属腔壳内。第一腔室位于金属腔壳的前部，第二腔室和第三腔室位于金属腔壳的背部；第四腔室和第五腔室分别位于第二金属腔壳的前部和背部。低噪声放大器12、下变频混频器13、上变频混频器15、ka波段带通滤波器16和输入选择开关11位于第一腔室中，低通滤波器20和中频放大器21位于第二腔室中，第二开关驱动模块18位于第三腔室中，第一开关驱动模块位于第四腔室中，选择输出开关位于第五腔室中。可避免开关驱动部分、中频输出部分以及射频电路之间的干扰。功率分配器也与射频电路部分同位于第一腔室中。

如图2和图3所示，第一金属腔壳上设有用于连接第二选择输入开关的信号接收端口3（4、5、6）、用于连接功率分配器的本振输入端口9、用于连接信号分析处理设备的中频输出端口22、用于连接输出选择开关的射频输出端口7，和中频信号输入端口8。第二金属腔壳上设有用于连接前述射频输出端口的射频输入端口和信号发送端口。这种设置方式将射频输出部分与其它部分电路进行了分离，通过在腔壳上设置端口进行信号之间的传输。金属腔壳内的腔室分隔可为中部横向分隔后根据需要再纵向分隔。由于将射频发射部分与其它部分进行了分离，故本发明电源也需要设置两个，发射部分的第一开关驱动单元和相应的电源位于同一腔室中，接收部分的第二开关驱动单元18和电源19位于同一腔室中。第一金属腔壳上还设有九针串口17。

本装置中，所有的信号输入输出端口接头选择2.92mm接头，这种接头上限使用频率高达40GHz，其中，接头3-6之间相邻间距为15mm，该距离可以减小天线间的相互耦合。开关选择输入与选择输出模块中的射频开关选择MA4AGSW4，该开关的通断由偏置网络提供的驱动电流控制，通路的驱动电流为-10mA，断路的驱动电流为+10mA。低噪声放大器选择HMC1040LP3CE，在35GHz时增益为23dB，噪声系数为2.2dB。上变频与下变频混频器都选择AMMP6545，该器件同时具有上变频与下变频功能，内部含有本振信号倍频器，变频损耗约为13dB。功率分配器选择威尔金森功分器，由于混频器内部含有本振倍频器，该功率分配器的中心频率为17.35GHz。

本实施例中射频电路基板即第一腔室各电路所在基板，选用Roger RT5880，厚度0.254mm。为降低系统损耗，选择接地共面波导(CPWG)作为Ka波段信号传输线结构。

本实施例中，中频放大器选择HMC741,增益约为20dB,采用单电源供电。中频信号由下变频混频器的中频输出端通过细同轴线穿过金属腔，连接到低通滤波器的输入端。

如图5所示，为Ka波段窄带带通滤波器示意图，该滤波器采用基片集成波导双模圆腔与椭圆腔级联的结构，中心频率35GHz，带宽1GHz，带内插损约为3.5dB，带外34.4GHz与35.6GHz处的带外抑制大于20dB。

如图6所示为CMRC低通滤波器示意图，该滤波器具有阻带宽的优点，可以很好地抑制泄露的Ka波段射频信号、本振信号以及下变频混频器输出的谐波，保证中频输出的纯净。

本实施例中开关驱动模选择驱动芯片BHD-P3514，该芯片为两路驱动器，通过TTL信号控制可输出±10mA的开关驱动电流，TTL控制信号通过九针串口输入。

本实施例中电源模块利用低噪声低压降线性稳压器LT1965、电压反转芯片ADM8660以及低噪声低压降线性稳压器LT1964，可提供+2.5V、+5V与-5V的输出电压，分别为低噪声放大器、开关驱动以及中频放大器供电。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于云目标探测实验的Ka波段MIMO收发装置，其特征是，包括信号发送模块和信号接收模块；

信号发送模块包括依次连接的上变频混频器、Ka波段带通滤波器和多通道开关选择输出单元；上变频混频器的输入端输入中频信号和第一本振信号；多通道开关选择输出单元包括输出选择开关、第一开关驱动单元，和至少2个输入端分别连接输出选择开关输出端的信号输出支路；Ka波段带通滤波器的输出端连接输出选择开关的输入端，第一开关驱动单元控制输出选择开关循环的依次接通各输出支路；

信号接收模块包括依次连接的多通道开关选择输入单元、低噪声放大器、下变频混频器、低通滤波器和中频放大器；多通道开关选择输入单元包括输入选择开关、第二开关驱动单元，和至少2个输出端分别连接输入选择开关输入端的信号输入支路，第二开关驱动单元控制输入选择开关循环的依次接通各输入支路；输入选择开关的输出端连接低噪声放大器的输入端，下变频混频器的输入端还输入有第二本振信号，中频放大器的输出端输出中频信号；

所述第一本振信号与第二本振信号为频率、振幅和相位皆相同的信号；输入支路与输出支路的数量相同；

第一开关驱动单元控制输入选择开关以时分方式循环的依次接通各输出支路；第二开关驱动单元控制输入选择开关以时分方式循环的依次接通各输入支路；

还包括金属腔壳，金属腔壳为2个，金属腔壳中分隔有至少5个腔室，低噪声放大器、下变频混频器、上变频混频器、Ka波段带通滤波器和输入选择开关位于第一腔室中，低通滤波器和中频放大器位于第二腔室中，第二开关驱动模块位于第三腔室中，第一开关驱动模块位于第四腔室中，选择输出开关位于第五腔室中；第一腔室、第二腔室、第三腔室位于第一金属腔壳内，第四腔室和第五腔室位于第二金属腔壳内。

2.根据权利要求1所述的用于云目标探测实验的Ka波段MIMO收发装置，其特征是，还包括功率分配器，功率分配器的输入端输入本振信号源，第一本振信号和第二本振信号为本振信号源经功率分配器进行功率分配后输出的两路相同的本振信号。

3.根据权利要求1所述的用于云目标探测实验的Ka波段MIMO收发装置，其特征是，信号发送模块中还包括功率放大器，功率放大器的输入端连接Ka波段带通滤波器的输出端，输出端连接输出选择开关的输入端。

4.根据权利要求1所述的用于云目标探测实验的Ka波段MIMO收发装置，其特征是，还包括用于提供装置工作电压的电源模块。

5.根据权利要求1至4任一项所述的用于云目标探测实验的Ka波段MIMO收发装置，其特征是，输入选择开关和输出选择开关皆为单刀四掷开关，输入支路和输出支路皆为4个。

6.根据权利要求1所述的用于云目标探测实验的Ka波段MIMO收发装置，其特征是，第一腔室位于金属腔壳的前部，第二腔室和第三腔室位于金属腔壳的背部；第四腔室和第五腔室分别位于第二金属腔壳的前部和背部。

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