CN107919879A - 一种110GHz开关滤波混频组件及方法 - Google Patents

一种110GHz开关滤波混频组件及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种110GHz开关滤波混频组件，输入的3Hz～110GHz射频信号经过开关双工复合电路实现分离传输，分离为3Hz～10MHz、10MHz～4GHz、4GHz～50GHz、50GHz～72GHz、72GHz～86GHz、86GHz～110GHz六路分别进行处理。本发明提出的110GHz开关滤波混频组件单次连接即可实现3Hz～110GHz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110GHz开关滤波混频组件及方法
技术领域
本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种110GHz开关滤波混频组件，还涉及一种110GHz开关滤波混频方法。
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需要先将信号频率下变频至易于处理的微波频段，并保留其幅度和频率特性。50GHz以上频率毫米波信号频谱特性测试现有解决方案是采用同轴频谱分析仪主机加毫米波扩频模块实现。
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)
其中，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。
毫米波扩频模块输入端为标准矩形波导，由于波导具有低频截止特性，毫米波扩频模块工作频率只能覆盖一个波导频段，不能实现从低频至波导频段的完全频率覆盖。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。
由式1中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1中“±”以准确测量被测信号频率将十分困难。
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110GHz开关滤波混频组件，在较小体积的模块内实现3Hz～110GHz信号分段开关选通和下变频功能。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种110GHz开关滤波混频组件，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，输入的3Hz～110GHz射频信号经过开关双工复合电路实现分离传输，分离为3Hz～10MHz、10MHz～4GHz、4GHz～50GHz、50GHz～72GHz、72GHz～86GHz、86GHz～110GHz六路分别进行处理；
两个输出端口分别输出3Hz～4GHz和4GHz～50GHz频率信号，50GHz～72GHz、72GHz～86GHz、86GHz～110GHz三路射频信号分别经带通滤波器后与本振信号混频产生中频信号，使得输出的中频信号频率fIF与射频信号频率fRF存在如下述公式3所示一一对应的关系，被测射频信号频率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由公式4给出且具有唯一性，被测射频信号的功率PRF由公式2计算得到，
PRF＝PIF+CL (2)
fIF＝fRF-fLO (3)
fRF＝fIF+fLO (4)
其中，PIF为中频信号功率，CL为谐波混频器变频损耗。
可选地，所述开关双工复合电路包括耦合双工器、单刀双掷开关、单刀三掷开关、零频扩展电路；
3Hz～110GHz射频信号经耦合双工器分离为3Hz～72GHz、72GHz～110GHz两路；
低频的3Hz～10MHz信号经零频扩展电路处理后与单刀三掷开关选通的10MHz～4GHz信号合路输出3Hz～4GHz信号；
10MHz～72GHz经单刀三掷开关选通为10MHz～4GHz、4GH～50GHz、50GHz～72GHz三路，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3Hz～4GHz信号；50GHz～72GHz信号输入第一滤波混频电路与第一本振信号混频，产生的中频信号经单刀四掷开关选通输出；
72GHz～110GHz信号经单刀双掷开关选通为72GHz～86GHz、86GHz～110GHz两路；72GHz～86GHz信号输入第二滤波混频电路与第二本振信号混频，产生的中频信号经单刀四掷开关选通输出；86GHz～110GHz信号输入第三滤波混频电路与第三本振信号混频，产生的中频信号经单刀四掷开关选通输出；
4GHz～50GHz信号与三个滤波混频电路产生的中频信号经单刀四掷开关选通输出组件。
可选地，使用同轴接头作为射频信号输入接口。
本发明还提出了一种110GHz开关滤波混频方法，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，将输入的3Hz～110GHz射频信号经过开关双工复合电路实现分离传输，分离为3Hz～10MHz、10MHz～4GHz、4GHz～50GHz、50GHz～72GHz、72GHz～86GHz、86GHz～110GHz六路分别进行处理；
两个输出端口分别输出3Hz～4GHz和4GHz～50GHz频率信号，50GHz～72GHz、72GHz～86GHz、86GHz～110GHz三路射频信号分别经带通滤波器后与本振信号混频产生中频信号，使得输出的中频信号频率fIF与射频信号频率fRF存在如下述公式3所示一一对应的关系，被测射频信号频率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由公式4给出且具有唯一性；被测射频信号的功率PRF由公式2计算得到，
PRF＝PIF+CL (2)
fIF＝fRF-fLO (3)
fRF＝fIF+fLO (4)
其中，PIF为中频信号功率，CL为谐波混频器变频损耗。
可选地，所述开关双工复合电路包括耦合双工器、单刀双掷开关、单刀三掷开关、零频扩展电路；
3Hz～110GHz射频信号经耦合双工器分离为3Hz～72GHz、72GHz～110GHz两路；
低频的3Hz～10MHz信号经零频扩展电路处理后与单刀三掷开关选通的10MHz～4GHz信号合路输出3Hz～4GHz信号；
10MHz～72GHz经单刀三掷开关选通为10MHz～4GHz、4GH～50GHz、50GHz～72GHz三路，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3Hz～4GHz信号；
50GHz～72GHz信号输入第一滤波混频电路与第一本振信号混频，产生的中频信号经单刀四掷开关选通输出；
72GHz～110GHz信号经单刀双掷开关选通为72GHz～86GHz、86GHz～110GHz两路；
72GHz～86GHz信号输入第二滤波混频电路与第二本振信号混频，产生的中频信号经单刀四掷开关选通输出；
86GHz～110GHz信号输入第三滤波混频电路与第三本振信号混频，产生的中频信号经单刀四掷开关选通输出；
4GHz～50GHz信号与三个滤波混频电路产生的中频信号经单刀四掷开关选通输出组件。
可选地，使用同轴接头作为射频信号输入接口。
本发明的有益效果是：
(1)、工作频带宽：可实现3Hz～110GHz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、72GHz～86GHz、86GHz～110GHz三路射频信号分别经带通滤波后与已知频率的本振信号混频产生50GHz以下频率的中频信号，射频信号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～110GHz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～110GHz超宽频带信号高效测量：因采用同轴一体化设计方案，3Hz～110GHz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：110GHz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110GHz开关滤波混频组件的原理框图。
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。
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，这种方式只能实现频率范围覆盖一个波导频段的频谱测试，且毫米波扩频模块存在压缩点低、假信号识别困难的问题。如需测试信号微波频段至毫米波频段的频谱特性，需要多次连接实现同轴测量模式与波导测量模式分别测量，工作效率较为低下。
本发明提出了一种110GHz开关滤波混频组件，在较小体积的模块内实现3Hz～110GHz信号分段选通和下变频功能，有效降低3Hz～10MHz低频信号传输损耗，并实现50GHz～110GHz频率信号分段低损耗、高镜频抑制下变频，是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。将同轴频谱分析仪的频率上限扩展至110GHz，实现3Hz～110GHz信号频谱特性一次扫频测试。
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～110GHz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止而无法实现低频频率覆盖的弊端。
本发明所实现的110GHz开关滤波混频组件结构如图1所示，在该结构中，输入的3Hz～110GHz射频信号经过开关双工复合电路1实现分离传输，分离为3Hz～10MHz、10MHz～4GHz、4GHz～50GHz、50GHz～72GHz、72GHz～86GHz、86GHz～110GHz六路分别进行处理。
两个输出端口分别输出3Hz～4GHz和4GHz～50GHz频率信号，由于已有成熟的精确测量方案，其频率可精确测量得到。50GHz～72GHz、72GHz～86GHz、86GHz～110GHz三路射频信号分别经带通滤波器后与点频的本振信号混频产生中频信号，从而使得输出的中频信号频率fIF与射频信号频率fRF存在如下述公式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4给出且具有唯一性，从而实现了50GHz～110GHz频率范围内精确测量射频信号频率精确测量的功能。
fIF＝fRF-fLO (3)
fRF＝fIF+fLO (4)
被测射频信号的功率PRF仍可由式2计算得到。
110GHz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。
因采用同轴一体化设计方案，3Hz～110GHz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。
下面结合说明书附图，对110GHz开关滤波混频组件的结构及工作原理进行详细说明。
如图1所示，开关双工复合电路1包括耦合双工器2、单刀双掷开关3、单刀三掷开关4、零频扩展电路5。
3Hz～110GHz射频信号经耦合双工器2分离为3Hz～72GHz、72GHz～110GHz两路；
低频的3Hz～10MHz信号经零频扩展电路5处理后与单刀三掷开关4开关选通的10MHz～4GHz信号合路输出3Hz～4GHz信号；
10MHz～72GHz经单刀三掷开关4选通为10MHz～4GHz、4GH～50GHz、50GHz～72GHz三路，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3Hz～4GHz信号；
50GHz～72GHz信号输入第一滤波混频电路6与点频的第一本振信号10混频，产生的中频信号经单刀四掷开关9选通输出；
72GHz～110GHz信号经单刀双掷开关3选通为72GHz～86GHz、86GHz～110GHz两路；
72GHz～86GHz信号输入第二滤波混频电路7与点频的第二本振信号20混频，产生的中频信号经单刀四掷开关9选通输出；
86GHz～110GHz信号输入第三滤波混频电路8与点频的第三本振信号30混频，产生的中频信号经单刀四掷开关9选通输出；
4GHz～50GHz信号与三个滤波混频电路产生的中频信号经单刀四掷开关9选通输出组件。
本发明提出的110GHz开关滤波混频组件单次连接即可实现3Hz～110GHz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。
本发明还提出了一种110GHz开关滤波混频方法，其工作原理与上述110GHz开关滤波混频组件相同，这里不再赘述。
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 (6)

1.一种110GHz开关滤波混频组件，其特征在于，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，输入的3Hz～110GHz射频信号经过开关双工复合电路实现分离传输，分离为3Hz～10MHz、10MHz～4GHz、4GHz～50GHz、50GHz～72GHz、72GHz～86GHz、86GHz～110GHz六路分别进行处理；
两个输出端口分别输出3Hz～4GHz和4GHz～50GHz频率信号，50GHz～72GHz、72GHz～86GHz、86GHz～110GHz三路射频信号分别经带通滤波器后与本振信号混频产生中频信号，使得输出的中频信号频率fIF与射频信号频率fRF存在如下述公式3所示一一对应的关系，被测射频信号频率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由公式4给出且具有唯一性，被测射频信号的功率PRF由公式2计算得到，
PRF＝PIF+CL (2)
fIF＝fRF-fLO (3)
fRF＝fIF+fLO (4)
其中，PIF为中频信号功率，CL为谐波混频器变频损耗。
2.如权利要求1所述的一种110GHz开关滤波混频组件，其特征在于，
所述开关双工复合电路包括耦合双工器、单刀双掷开关、单刀三掷开关、零频扩展电路；
3Hz～110GHz射频信号经耦合双工器分离为3Hz～72GHz、72GHz～110GHz两路；
低频的3Hz～10MHz信号经零频扩展电路处理后与单刀三掷开关选通的10MHz～4GHz信号合路输出3Hz～4GHz信号；
10MHz～72GHz经单刀三掷开关选通为10MHz～4GHz、4GH～50GHz、50GHz～72GHz三路，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3Hz～4GHz信号；50GHz～72GHz信号输入第一滤波混频电路与第一本振信号混频，产生的中频信号经单刀四掷开关选通输出；
72GHz～110GHz信号经单刀双掷开关选通为72GHz～86GHz、86GHz～110GHz两路；72GHz～86GHz信号输入第二滤波混频电路与第二本振信号混频，产生的中频信号经单刀四掷开关选通输出；86GHz～110GHz信号输入第三滤波混频电路与第三本振信号混频，产生的中频信号经单刀四掷开关选通输出；
4GHz～50GHz信号与三个滤波混频电路产生的中频信号经单刀四掷开关选通输出组件。
3.如权利要求1所述的一种110GHz开关滤波混频组件，其特征在于，使用同轴接头作为射频信号输入接口。
4.一种110GHz开关滤波混频方法，其特征在于，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，将输入的3Hz～110GHz射频信号经过开关双工复合电路实现分离传输，分离为3Hz～10MHz、10MHz～4GHz、4GHz～50GHz、50GHz～72GHz、72GHz～86GHz、86GHz～110GHz六路分别进行处理；
两个输出端口分别输出3Hz～4GHz和4GHz～50GHz频率信号，50GHz～72GHz、72GHz～86GHz、86GHz～110GHz三路射频信号分别经带通滤波器后与本振信号混频产生中频信号，使得输出的中频信号频率fIF与射频信号频率fRF存在如下述公式3所示一一对应的关系，被测射频信号频率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由公式4给出且具有唯一性；被测射频信号的功率PRF由公式2计算得到，
PRF＝PIF+CL (2)
fIF＝fRF-fLO (3)
fRF＝fIF+fLO (4)
其中，PIF为中频信号功率，CL为谐波混频器变频损耗。
5.如权利要求4所述的一种110GHz开关滤波混频方法，其特征在于，
所述开关双工复合电路包括耦合双工器、单刀双掷开关、单刀三掷开关、零频扩展电路；
3Hz～110GHz射频信号经耦合双工器分离为3Hz～72GHz、72GHz～110GHz两路；
低频的3Hz～10MHz信号经零频扩展电路处理后与单刀三掷开关选通的10MHz～4GHz信号合路输出3Hz～4GHz信号；
10MHz～72GHz经单刀三掷开关选通为10MHz～4GHz、4GH～50GHz、50GHz～72GHz三路，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3Hz～4GHz信号；
50GHz～72GHz信号输入第一滤波混频电路与第一本振信号混频，产生的中频信号经单刀四掷开关选通输出；
72GHz～110GHz信号经单刀双掷开关选通为72GHz～86GHz、86GHz～110GHz两路；
72GHz～86GHz信号输入第二滤波混频电路与第二本振信号混频，产生的中频信号经单刀四掷开关选通输出；
86GHz～110GHz信号输入第三滤波混频电路与第三本振信号混频，产生的中频信号经单刀四掷开关选通输出；
4GHz～50GHz信号与三个滤波混频电路产生的中频信号经单刀四掷开关选通输出组件。
6.如权利要求4所述的一种110GHz开关滤波混频方法，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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