CN108199737B - 一种大动态毫米波变频组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大动态毫米波变频组件。该组件包括中频滤波程控、毫米波混频、本振放大、射频放大程控滤波、电源控制部分。所述中频滤波程控部分接收信号，并对信号放大、滤波以及程控衰减；中频信号与经放大后的本振信号混频，得到射频信号，在射频放大程控滤波部分再次对信号放大、滤波以及程控衰减；电源控制部分对输入电源稳压处理，降压或反向至各器件工作点后给各器件供电，并通过FPGA将串口输入控制信号解码、变压为并行的TTL信号，用于控制各数控衰减器。本发明电路利用了常用的微组装、回流焊工艺，具有产品质量可靠、设计指标冗余大、功率控制精度高且控制范围极广、输入输出驻波比低等特点。

Description

一种大动态毫米波变频组件
技术领域
本发明涉及微波毫米波变频技术领域，特别是一种大动态毫米波变频组件。
背景技术
微波毫米波变频组件是一种主要用于雷达、电子对抗和制导仪器等电子系统设备中的组件，用于将接收信号变频至基带信号后处理，或者将基带信号变频后发射出去。在微波毫米波频段的接收电路中，变频组件是主要电路之一，描述这种产品性能的主要技术指标有：1)工作频率带宽；2)输出信号平坦度；3)动态范围；4)输入和输出端电压驻波比；5)开关速度；6)电路尺寸；7)输出功率1dB压缩点；8)电路间电性能的一致性。目前毫米波变频系统的同类产品，输出信号增益固定(线性状态)，输入大信号容易导致接收机饱和；或者传统的变频系统会使用数控衰减器来衰减大信号，通常存在步进大、精度差、范围小的问题，虽然能够应用于大部分场合，但是难以将输出功率精确调节。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大动态毫米波变频组件，输出功率可通过串口控制，调节步进小，调节范围大，且精度较高。
实现本发明目的的技术解决方案是：一种大动态毫米波变频组件，包括：
中频信号放大滤波程控部分：通过SMA端口接收外部信号，经过放大、滤波处理，根据电源控制部分中的FPGA接收到的控制信号，控制程控衰减器使其衰减额定值后传输至混频器，完成中频信号的处理；
本振放大部分：对外部输入的本振信号进行放大处理，推至饱和点后驱动毫米波混频部分；
毫米波混频部分：输入信号为经处理后的中频信号和放大后的本振信号，输出毫米波上变频信号至射频放大程控滤波部分；
射频放大程控滤波部分：由毫米波混频部分提供输入信号，根据FPGA接收到的控制信号衰减额定值后，经过放大、滤波、程控处理，输出所需功率值的射频信号；
电源控制部分：对外部输入的供电以及控制信号处理；外部供电电压≥+6V，组件内各芯片电压工作点为+5V、+3.3V、+2.5V、+1.2V、-5V，需要对供电信号进行稳压或反相处理后，供电给中频信号放大滤波程控部分、本振放大部分、射频放大程控滤波部分、电源控制部分中的各芯片；电源控制部分中的FPGA，接收外部串口控制信号后，对设定参数进行解调和控制判断，输出+3.3V控制信号，经变压或反相处理后输出+5V、-5V或GND信号送给中频信号放大滤波程控部分、射频放大程控滤波部分用于调整信号输出功率。
进一步地，所述中频信号放大滤波程控部分、射频放大程控滤波部分的程控范围超过120dB，整个组件由5个程控芯片来调节动态范围，分别为U1、U2、U3、U4、U5；其中，U1、U2属于中频程控，使用回流焊工艺，位于中频信号放大滤波程控部分；U3、U4、U5属于毫米波程控，使用微组装工艺，位于射频放大程控滤波部分；整个链路采用金丝键合工艺实现过渡。
进一步地，所述射频放大程控滤波部分采用了腔体滤波器用于信号滤波，同时隔开前后射频腔体。
进一步地，所述中频信号放大滤波程控部分、射频放大程控滤波部分的控制信号，为电源控制部分根据设定参数使用内部控制电路的FPGA将外部串口输入信号解码变压所产生。
本发明与现有技术比，其显著优点是：(1)动态范围大：变频组件在中频部分以及射频部分一共使用了5片程控衰减芯片，衰减可控范围极广，＞120dB；(2)可控步进小：所用程控芯片的最小步进为0.25dB，理论最小步进也可到0.25dB，实际应用到1dB的步进；(3)功率控制精度高：由于实际使用了1dB的步进，在程控衰减器衰减精度略差时，可用0.25dB与0.5dB的衰减档来补偿功率控制误差。
附图说明
图1是本发明的大动态毫米波变频组件的电路结构框图。
图2是本发明的中频信号放大滤波程控部分的电路结构框图。
图3是本发明的本振放大部分与毫米波混频部分的电路结构框图。
图4是本发明的射频信号放大程控滤波部分的电路结构框图。
图5是本发明的电源控制部分的电路结构框图。
具体实施方式
结合图1～5，本发明大动态毫米波变频组件，包括：
中频信号放大滤波程控部分1：通过SMA端口接收外部信号，经过放大、滤波处理，根据电源控制部分5中的FPGA接收到的控制信号，控制程控衰减器使其衰减额定值后传输至混频器，完成中频信号的处理；
本振放大部分2：对外部输入的本振信号进行放大处理，推至饱和点后驱动毫米波混频部分3；
毫米波混频部分3：输入信号为经处理后的中频信号和放大后的本振信号，输出毫米波上变频信号至射频放大程控滤波部分4；
射频放大程控滤波部分4：由毫米波混频部分3提供输入信号，根据FPGA接收到的控制信号衰减额定值后，经过放大、滤波、程控处理，输出所需功率值的射频信号；
电源控制部分5：对外部输入的供电以及控制信号处理；外部供电电压≥+6V，组件内各芯片电压工作点为+5V、+3.3V、+2.5V、+1.2V、-5V，需要对供电信号进行稳压或反相处理后，供电给中频信号放大滤波程控部分1、本振放大部分2、射频放大程控滤波部分4、电源控制部分5中的各芯片；同时，为了实现大动态工作范围，需要对外部输入的串口控制信号进行解码、变压处理，用于控制中频信号放大滤波程控部分1、射频放大程控滤波部分4中的程控芯片。
所述中频信号放大滤波程控部分1：通过SMA端口接收外部信号，经过放大、滤波处理，根据FPGA接收到的串口输入信号衰减额定值后，中频信号传输至毫米波混频器部分3，另外本振放大部分2对外部输入的本振信号进行放大处理，推值饱和点后驱动毫米波混频器3，毫米波混频器的射频输出信号进入射频放大程控滤波部分4，经过放大、滤波、程控等处理，输出变频后所需功率值的信号。
外部输入的供电高压，≥+6V，需经电源控制部分5稳压处理，组件内各芯片电压工作点为+5V、+3.3V、+2.5V、+1.2V、-5V等，需要对供电信号进行稳压或反相处理后，才能稳定供电给中频信号放大滤波程控部分1、本振放大部分2、以及电源控制部分5中的各种芯片；电源控制部分5中的FPGA，接收外部串口控制信号后，对设定参数进行解调和控制判断，输出+3.3V控制信号，经变压或反相处理后输出+5V、-5V或GND信号送给中频信号放大滤波程控部分1、射频放大程控滤波部分4用于调整信号输出功率，实现大动态范围性能。
进一步地，所述中频信号放大滤波程控部分1、射频放大程控滤波部分4的程控范围极广，超过120dB。该组件由5个程控芯片来调节动态范围，分别为U1、U2、U3、U4、U5。其中，U1、U2属于中频程控，使用回流焊工艺，位于中频信号放大滤波程控部分1，U3、U4、U5属于毫米波程控，使用微组装工艺，位于射频放大程控滤波部分4。中频部分与毫米波部分连接处采用在电容上键合金丝的方法来过渡。
进一步地，所述射频放大程控滤波部分4采用了腔体滤波器用于信号滤波，同时隔开前后射频腔体，避免射频信号直接耦合输出，无法对信号实现较大的衰减。
进一步地，所述中频信号放大滤波程控部分1、射频放大程控滤波部分4的控制信号为电源控制部分5根据设定参数使用内部控制电路的FPGA将外部串口输入信号解码变压所产生
综上，所述中频滤波程控部分1接收信号，并对信号放大、滤波以及程控衰减；中频信号与经放大后的本振信号混频，得到射频信号，在射频放大程控滤波部分4再次对信号放大、滤波以及程控衰减；电源控制部分5对输入电源稳压处理，降压或反向至各器件工作点后给各器件供电，并通过FPGA将串口输入控制信号解码、变压为并行的TTL信号，用于控制各数控衰减器。本发明电路利用了常用的微组装、回流焊工艺，具有产品质量可靠、设计指标冗余大、功率控制精度高且控制范围极广、输入输出驻波比低等特点。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
如图1所示，本发明大动态毫米波变频组件，包括：
中频信号放大滤波程控部分1：输入中频信号，对信号滤波放大处理，防止噪声恶化过高，同时在放大后设置数控衰减器，根据FPGA接收到的串口输入信号衰减额定值后，中频信号传输至毫米波混频部分3，完成中频信号的处理。如图2所示，中频电路设置两个数控衰减器，其中一块U1用于调节信号最终输出功率，另一块衰减器芯片用于调平各通道间增益U2，同时FPGA根据温度传感器输出的电平信号，对输出增益微调U2，避免因环境温度变化导致组件输出功率发生较大波动；
本振放大部分2：对外部输入的本振信号进行放大处理，推至饱和点后驱动毫米波混频器。本振信号从电源层传输，在毫米波混频器部分3附近通过绝缘子对穿至混频器本振端口附近放大，避免了可能出现的交叉走线，减小了本振信号串扰的程度；
毫米波混频部分3：如图3所示输入信号为经处理后的中频信号1和放大后的本振信号2，输出毫米波上变频信号至射频放大程控滤波部分4，其中中频信号通过从电容上烧结金丝的方法过渡到毫米波腔，本振信号通过绝缘子从电源腔对穿至毫米波腔；
射频放大程控滤波部分4：由毫米波混频部分3提供输入信号，根据FPGA接收到的串口输入信号衰减额定值后，经过放大、滤波、程控等处理，输出变频后所需功率值的信号。毫米波部分分三级滤波、三级放大、三级衰减，如图4所示。第一级滤波位于混频器输入端，隔开射频腔与中频腔，防止信号串扰同时滤除掉混频器输出的多个交调信号。第二级滤波器放置在第二个放大器之后，滤除放大器的谐波，并进一步滤除各串扰信号与交调信号。最后一级滤波器置于输出端口之前，最后一级放大器之后，保证输出信号的纯净。第一级、第二级放大器位于第一级滤波器之后，第三级放大位于最后两级滤波器中间，一方面是放大射频信号，以免底噪过高，另一方面滤波后放大可以避免产生更多更大的交调信号。第一级数控衰减器为20dB步进、总衰减20dB的程控U3，位于第一级滤波器之前，其余两级数控衰减器U4、U5为0.5dB步进、总衰减31.5dB的程控，位于第一、第二滤波器之间。交叉使用20dB大步进程控与0.5dB小步进程控，即能实现高精度、小步进调节功率，又能减少控制线的数量，方便电源控制部分走线。
电源控制部分5：对外部输入的供电以及控制信号处理。外部供电电压≥+6V，组件内部各芯片供电要求不一致，主要为+5V、+4V、+3.3V等，其中放大器、控制芯片等还需负电控制，如图5所示。直接使用多个低压差线性稳压源，可以将输入的+6V转换为所需的正电压，用开关电源将正电压反相为负电压。另外，出于保护放大器电路的考虑，需要增加上电时序电路，使正电压晚于负电压上电。FPGA及控制信号相关供电可直接在同一块PCB板上实现，而中频信号放大滤波程控部分1、射频放大程控滤波部分4等供电需要使用供电绝缘子对穿至各腔体内部。通过串口输入控制信号，FPGA接收外部串口控制信号后，对设定参数进行解调和控制判断，输出+3.3V控制信号，经变压或反相处理后输出+5、-5或GND信号送给中频信号放大滤波程控部分，控制最终射频信号输出的功率。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (3)

1.一种大动态毫米波变频组件，其特征在于，包括：
中频信号放大滤波程控部分(1)：通过SMA端口接收外部信号，经过放大、滤波处理，根据电源控制部分(5)中的FPGA接收到的控制信号，控制程控衰减器使其衰减额定值后传输至混频器，完成中频信号的处理；
本振放大部分(2)：对外部输入的本振信号进行放大处理，推至饱和点后驱动毫米波混频部分(3)；
毫米波混频部分(3)：输入信号为经处理后的中频信号和放大后的本振信号，输出毫米波上变频信号至射频放大程控滤波部分(4)；
射频放大程控滤波部分(4)：由毫米波混频部分(3)提供输入信号，根据FPGA接收到的控制信号衰减额定值后，经过放大、滤波、程控处理，输出所需功率值的射频信号；
电源控制部分(5)：对外部输入的供电以及控制信号处理；外部供电电压≥+6V，组件内各芯片电压工作点为+5V、+3.3V、+2.5V、+1.2V、-5V，需要对供电信号进行稳压或反相处理后，供电给中频信号放大滤波程控部分(1)、本振放大部分(2)、射频放大程控滤波部分(4)、电源控制部分(5)中的各芯片；电源控制部分(5)中的FPGA，接收外部串口控制信号后，对设定参数进行解调和控制判断，输出+3.3V控制信号，经变压或反相处理后输出+5V、-5V或GND信号送给中频信号放大滤波程控部分(1)、射频放大程控滤波部分(4)用于调整信号输出功率；
所述中频信号放大滤波程控部分(1)、射频放大程控滤波部分(4)的程控范围超过120dB，整个组件由5个程控芯片来调节动态范围，分别为U1、U2、U3、U4、U5；其中，U1、U2属于中频程控，使用回流焊工艺，位于中频信号放大滤波程控部分(1)；U3、U4、U5属于毫米波程控，使用微组装工艺，位于射频放大程控滤波部分(4)；整个链路采用金丝键合工艺实现过渡。
2.根据权利要求1所述的大动态毫米波变频组件，其特征在于：所述射频放大程控滤波部分(4)采用了腔体滤波器用于信号滤波，同时隔开前后射频腔体。
3.根据权利要求1所述的大动态毫米波变频组件，其特征在于：所述中频信号放大滤波程控部分(1)、射频放大程控滤波部分(4)的控制信号，为电源控制部分(5)根据设定参数使用内部控制电路的FPGA将外部串口输入信号解码变压所产生。
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