CN109001686B - 一体化矩阵开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种一体化矩阵开关，包括LTCC电路板、壳体、表层电路和表层器件、功率合成器、选通开关、射频信号输入输出端。本发明解决了现有技术由于设计形式、实现方式的限制，采用外部或内部互连的方式而出现的可靠性低、体积和重量比较大的问题。采用LTCC工艺一体化设计，省去了各功能模块间的连接、转换、过渡设备，大大缩小了体积、减轻了重量，实现了高度集成、高度可靠，达到小型化、轻量化的目的。

Description

一体化矩阵开关
技术领域
本发明属于航天微波技术领域，具体涉及一种一体化矩阵开关。
背景技术
4×2矩阵开关可用于星载合成孔径雷达(SAR)或拟合成孔径雷达(InSAR)系统进行多极化工作模式的切换，也可用于有源相控阵雷达的工作方式的切换或阵面的重构等等。
在有源相控阵雷达中可实现主接收信号、发射监测信号、接收检测信号等工作方式的切换。
在SAR天线中可实现两路垂直极化(X1、X2)和两路水平极化(X3、X4)接收信号的单极化工作模式和全极化工作模式选通。例如矩阵开关的4个端口连接天线阵面下行的4路接收信号，矩阵开关2路综合端口连接接收机或内定标器，实现X1-X1、X2-X2第一种单极化工作模式，X3-X3、X4-X4第二种单极化工作模式，X1X2-X1+X2、X3X4-X3+X4第三种全极化工作模式。
4×2矩阵开关功能模块可分解为：四个二选一开关、两个三选一开关和两个二合一合成器，如图2所示，四个二选一开关实现输入信号X1、X2、X3、X4的两路分配、两个三选一开关实现X1、X2或X1+X2和X3、X4或X3+X4的三个工作模式的选通，两个二合一合成器实现X1、X2或X3、X4信号的合成，控制转换模块实现三组差分信号(A+、A-，B+、B-，C+、C-)到单端控制信号的变换。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术由于设计形式、实现方式的限制，采用外部或内部互连的方式而出现的可靠性低、体积和重量比较大的问题。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：一体化矩阵开关，其特征在于：包括LTCC电路板、壳体、表层电路和表层器件、功率合成器、选通开关、射频信号输入输出端。
所述表层电路和表层器件位于LTCC电路板的表层，所述功率合成器位于LTCC电路板内部L11层，所述选通开关位于LTCC电路板L11层的腔内表层，所述射频信号输入输出端位于LTCC电路板腔内L11层边缘处，所述LTCC电路板安装在壳体上。
射频信号输入端用于输入射频信号，选通开关用于根据表层电路和表层器件提供的控制信号将射频信号导入选通开关或功率合成器；射频信号输出端用于输出射频信号。
进一步的，所述的选通开关包括第一二选一开关、第二二选一开关、第三二选一开关、第四二选一开关和第一三选一开关、第二三选一开关。
第一二选一开关用于通过第一控制芯片提供的控制信号将第一射频输入端输入的X1信号导入两路，一路给第一三选一开关，另一路给X1X2信号功率合成器；第二二选一开关用于通过第一控制芯片提供的控制信号将第二射频输入端输入的X2信号导入两路，一路给第二三选一开关，另一路给X1X2信号功率合成器；第三二选一开关用于通过第一控制芯片提供的控制信号将第三射频输入端输入的X3信号导入两路，一路给第一三选一开关，另一路给X3X4信号功率合成器；第四二选一开关用于通过第一控制芯片提供的控制信号将第四射频输入端输入的X4信号导入两路，一路给第二三选一开关，另一路给X3X4信号功率合成器；第一三选一开关用于通过第一控制芯片提供的控制信号将第一二选一开关、第三二选一开关、X1X2信号功率合成器三路信号选择其一传输给第一射频输出端；第二三选一开关用于通过第一控制芯片提供的控制信号将第二二选一开关、第四二选一开关、X3X4信号功率合成器三路信号选择其一传输给第二射频输出端。
进一步的，所述表层电路和表层器件包括第一控制芯片、第二控制芯片、电阻电容组合、低频信为开关驱动器，所述第二控制芯片用于通过单端信号组合控制所述开关驱动器，所述开关驱动器用于为第一二选一开关、第二二选一开关、第三二选一开关、第四二选一开关、第一三选一开关、第二三选一开关提供驱动电压；第二控制芯片为多路差分收发芯片，用于将低频信号输入提供的差分信号转换为单端信号，转换的单端信号为第一控制芯片提供控制信号。
进一步的，所述的功率合成器包括X1X2信号功率合成器、X3X4信号合成器。X1X2信号功率合成器用于将第一二选一开关分解的一路X1信号和第二二选一开关分解的一路X2信号合成一路V信号传输给第一三选一开关；X3X4信号功率合成器用于将第三二选一开关分解的一路X3信号和第四二选一开关分解的一路X4信号合成一路H信号传输给第一三选一开关。
进一步的，所述射频输入输出端包括第一射频输入端、第二射频输入端、第三射频输入端、第四射频输入端、第一射频输出端、第二射频输出端。
第一射频输入端用于输入射频信号给第一二选一开关、第二射频输入端用于输入射频信号给第二二选一开关、第三射频输入端用于输入射频信号给第三二选一开关、第四射频输入端用于输入射频信号给第四二选一开关；第一射频输出端用于输出第一三选一开关的射频信号、第二射频输出端用于输出第二三选一开关的射频信号。
集成度高：本发明采用LTCC工艺一体化设计，省去了各功能模块间的连接、转换、过渡设备，大大缩小了体积、减轻了重量，实现了高度集成、高度可靠，达到小型化、轻量化的目的。数量由传统设计方法功能模块数相比由9减少1；体积小：本发明矩阵开关本体尺寸58mm×47mm×12.1mm；传统设计方法实现同样功能矩阵开关体积约100mm×90mm×14mm：重量轻：本发明实物重量65克。传统设计方法实现矩阵开关重量约260g。
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种一体化矩阵开关，本一体化矩阵开关实现轻量化、一体化、小型化、高可靠的矩阵开关。
本发明的工作原理：射频信号从射频信号输入端输入，选通开关用于通过表层电路和表层器件提供的控制信号将射频信号导入选通开关或功率合成器，最终从射频信号输出端输出射频信号。
本发明所达到的有益效果：所述的开关选通功能模块、功率合成功能模块、控制转换功能模块通过LTCC技术实现一体化设计后安装在壳体，实现了高度集成、高度可靠，达到小型化、轻量化的目的。
附图说明
图1为本发明矩阵开关原理示意图(三种工作模式)。
图2为本发明矩阵开关的优化电路示意图。
图3为本发明矩阵开关的矩阵开关接口示意图。
图4-1和图4-2为本发明矩阵开关的LTCC电路板信号层叠示意图。
图5为本发明矩阵开关的LTCC电路板结构示意图。
图6为本发明矩阵开关的LTCC电路板内功率合成器示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参见图1，本一体化矩阵开关，包括LTCC电路板、壳体、表层电路和表层器件、功率合成器、选通开关、射频信号输入输出端。所述表层电路和表层器件位于LTCC电路板的表层，所述功率合成器位于LTCC电路板内部L11层，所述选通开关位于LTCC电路板L11层的腔内表层，所述射频信号输入输出端位于LTCC电路板腔内L11层边缘处，所述LTCC电路板安装在壳体上，参见图4-1和4-2所示。
射频信号输入端1用于输入射频信号，选通开关2用于根据表层电路和表层器件4提供的控制信号将射频信号导入选通开关2或功率合成器3；射频信号输出端1用于输出射频信号，参见图2与图3所示。
本实施例中，所述的选通开关包括第一二选一开关、第二二选一开关、第三二选一开关、第四二选一开关和第一三选一开关、第二三选一开关。第一二选一开关用于通过第一控制芯片提供的控制信号将第一射频输入端输入的X1信号导入两路，一路给第一三选一开关，另一路给X1X2信号功率合成器；第二二选一开关用于通过第一控制芯片提供的控制信号将第二射频输入端输入的X2信号导入两路，一路给第二三选一开关，另一路给X1X2信号功率合成器；第三二选一开关用于通过第一控制芯片提供的控制信号将第三射频输入端输入的X3信号导入两路，一路给第一三选一开关，另一路给X3X4信号功率合成器；第四二选一开关用于通过第一控制芯片提供的控制信号将第四射频输入端输入的X4信号导入两路，一路给第二三选一开关，另一路给X3X4信号功率合成器；第一三选一开关用于通过第一控制芯片提供的控制信号将第一二选一开关、第三二选一开关、X1X2信号功率合成器三路信号选择其一传输给第一射频输出端；第二三选一开关用于通过第一控制芯片提供的控制信号将第二二选一开关、第四二选一开关、X3X4信号功率合成器三路信号选择其一传输给第二射频输出端，参见图4-1和图4-2所示。
进一步的，所述表层电路和表层器件包括第一控制芯片、第二控制芯片、电阻电容组合、低频信为开关驱动器，所述第二控制芯片用于通过单端信号组合控制所述开关驱动器，所述开关驱动器用于为第一二选一开关、第二二选一开关、第三二选一开关、第四二选一开关、第一三选一开关、第二三选一开关提供驱动电压；第二控制芯片为多路差分收发芯片，用于将低频信号输入提供的差分信号转换为单端信号，转换的单端信号为第一控制芯片提供控制信号。
进一步的，所述的功率合成器包括X1X2信号功率合成器、X3X4信号合成器。X1X2信号功率合成器用于将第一二选一开关分解的一路X1信号和第二二选一开关分解的一路X2信号合成一路V信号传输给第一三选一开关；X3X4信号功率合成器用于将第三二选一开关分解的一路X3信号和第四二选一开关分解的一路X4信号合成一路H信号传输给第一三选一开关，参见图5和图6所示。
进一步的，所述射频输入输出端包括第一射频输入端、第二射频输入端、第三射频输入端、第四射频输入端、第一射频输出端、第二射频输出端。第一射频输入端用于输入射频信号给第一二选一开关、第二射频输入端用于输入射频信号给第二二选一开关、第三射频输入端用于输入射频信号给第三二选一开关、第四射频输入端用于输入射频信号给第四二选一开关；第一射频输出端用于输出第一三选一开关的射频信号、第二射频输出端用于输出第二三选一开关的射频信号，参见图3所示。
本实施例采用以下方式设计提高极化隔离度：
a)采用高隔离开关元器件，隔离度高达45dB；
b)开关不导通时，设置负载态，防止信号泄露；
c)XS1～XS4采用分腔设计，且腔体采用小盖板胶接，降低腔体之间的耦合。
矩阵开关采用以下方式设计提高幅相一致性：
a)三维电磁仿真，完成等幅等相设计；
b)二选一开关输出端、三选一开关输入端设计调相机制；
c)电路采用对称设计，较小不对称带来的幅相差。
本实施例的工作原理为：
来自阵面综合网络端的接收信号通过射频输入端(1-1)、(1-2)、(1-3)、(1-4)、经过二选一选通开关(2-1)、(2-2)、(2-3)、(2-4)分至三选一开关或功率合成器后再至三选一开关选通后送到射频输出端(1-5)、(1-6)到综合端。实现接收信号的单极化及全极化模式接收。
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 (4)

1.一种一体化矩阵开关，其特征在于：包括LTCC电路板、壳体(5)、表层电路和表层器件(4)、功率合成器(3)、选通开关(2)、射频信号输入输出端(1)；
所述表层电路和表层器件(4)位于LTCC电路板的表层，所述功率合成器(3)位于LTCC电路板内部L11层，所述选通开关(2)位于LTCC电路板L11层的腔内表层，所述射频信号输入输出端(1)位于LTCC电路板腔内L11层边缘处，所述LTCC电路板安装在壳体(5)上；
射频信号输入输出端(1)用于输入射频信号，选通开关(2)用于根据表层电路和表层器件(4)提供的控制信号将射频信号导入选通开关(2)或功率合成器(3)；射频信号输入输出端(1)也用于输出射频信号；
选通开关(2)包括第一二选一开关(2-1)、第二二选一开关(2-2)、第三二选一开关(2-3)、第四二选一开关(2-4)和第一三选一开关(2-5)、第二三选一开关(2-6)；
第一二选一开关(2-1)用于通过第一控制芯片(4-1)提供的控制信号将第一射频输入端(1-1)输入的X1信号导入两路，一路给第一三选一开关(2-5)，另一路给X1X2信号功率合成器(3-1)；
第二二选一开关(2-2)用于通过第一控制芯片(4-1)提供的控制信号将第二射频输入端(1-2)输入的X2信号导入两路，一路给第二三选一开关(2-6)，另一路给X1X2信号功率合成器(3-1)；
第三二选一开关(2-3)用于通过第一控制芯片(4-1)提供的控制信号将第三射频输入端(1-3)输入的X3信号导入两路，一路给第一三选一开关(2-5)，另一路给X3X4信号功率合成器(3-2)；
第四二选一开关(2-4)用于通过第一控制芯片(4-1)提供的控制信号将第四射频输入端(1-4)输入的X4信号导入两路，一路给第二三选一开关(2-6)，另一路给X3X4信号功率合成器(3-2)；
第一三选一开关(2-5)用于通过第一控制芯片(4-1)提供的控制信号将第一二选一开关(2-1)、第三二选一开关(2-3)、X1X2信号功率合成器(3-1)三路信号选择其一传输给第一射频输出端(1-5)；
第二三选一开关(2-6)用于通过第一控制芯片(4-1)提供的控制信号将第二二选一开关(2-2)、第四二选一开关(2-4)、X3X4信号功率合成器(3-2)三路信号选择其一传输给第二射频输出端(1-6)。
2.根据权利要求1所述的一体化矩阵开关，其特征在于：表层电路和表层器件(4)包括第一控制芯片(4-1)、第二控制芯片(4-2)、电阻电容组合(4-3)、低频信号输入(4-4)；
所述第一控制芯片(4-1)为开关驱动器，所述第二控制芯片(4-2)用于通过单端信号组合控制所述开关驱动器，所述开关驱动器用于为第一二选一开关(2-1)、第二二选一开关(2-2)、第三二选一开关(2-3)、第四二选一开关(2-4)、第一三选一开关(2-5)、第二三选一开关(2-6)提供驱动电压；第二控制芯片(4-2)为多路差分收发芯片，用于将低频信号输入(4-4)提供的差分信号转换为单端信号，转换的单端信号为第一控制芯片(4-1)提供控制信号。
3.根据权利要求1所述的一体化矩阵开关，其特征在于：功率合成器(3)包括X1X2信号功率合成器(3-1)、X3X4信号功率合成器(3-2)；
X1X2信号功率合成器(3-1)用于将第一二选一开关(2-1)分解的一路X1信号和第二二选一开关(2-2)分解的一路X2信号合成一路V信号传输给第一三选一开关(2-5)；X3X4信号功率合成器(3-2)用于将第三二选一开关(2-3)分解的一路X3信号和第四二选一开关(2-4)分解的一路X4信号合成一路H信号传输给第二三选一开关(2-6)。
4.根据权利要求1所述的一体化矩阵开关，其特征在于：射频输入输出端(1)包括第一射频输入端(1-1)、第二射频输入端(1-2)、第三射频输入端(1-3)、第四射频输入端(1-4)、第一射频输出端(1-5)、第二射频输出端(1-6)；
第一射频输入端(1-1)用于输入射频信号给第一二选一开关(2-1)、第二射频输入端(1-2)用于输入射频信号给第二二选一开关(2-2)、第三射频输入端(1-3)用于输入射频信号给第三二选一开关(2-3)、第四射频输入端(1-4)用于输入射频信号给第四二选一开关(2-4)；第一射频输出端(1-5)用于输出第一三选一开关(2-5)的射频信号、第二射频输出端(1-6)用于输出第二三选一开关(2-6)的射频信号。
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