CN109067685A - 一种qpsk调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种QPSK调制器，属于电子通信技术领域。调制器包括1/4电桥、第一BPSK调制电路、第二BPSK调制电路、0°功率合成器.其中：1/4电桥，将外部输入的载波信号分成相互正交的两路载波信号，并将该两路正交载波信号分别传输至第一BPSK调制电路和第二BPSK调制电路；第一BPSK调制电路和第二BPSK调制电路，根据载波信号调制外部输入的数据，形成两路BPSK调制信号输出至0°功率合成器；0°功率合成器，将2路BPSK调制信号合成一路输出。本发明具有良好的幅相特性和匹配特性。

Description

一种QPSK调制器
技术领域
本发明涉及一种QPSK调制器，具体来说是一种微波直接调制器，属于电子通信技术领域。
背景技术
调制器/解调器是通信和数传中核心器件，其性能的可靠性决定了传输信道的性能。近年来随着卫星通信产品的不断发展和更新换代，数据速率越来越高、编码逻辑越来越复杂，可靠性显得越来越重要。
目前，国内工程应用的微波直接调制器一般是由90°电桥、功率合成器、两个BPSK调制电路组成。其中各部分的功能为：
(1)、90°电桥采用Lange桥实现，Lange桥由一组密集排列的微细叉指连接组成，主要功能实现输出端口幅度相等，相位相差90°；
(2)、功率合成器，一般选用Wilkinson功率合成器，将2路信号合成一路输出；
(4)、BPSK调制电路主要由槽线、二极管以及空间金带飞线(通过微带线来传输I路或Q路数据的方式进行传输数据)组成，实现将基带数据直接调制到射频载波。
上述调制器的设计不理想主要体现在：BPSK调制电路电性能设计不满足要求直接与金丝与背面隔离槽线的搭接有关、金丝压焊等方面装配不理想时，电性能不满足要求；具体描述如下：
(1)、调制器在装配过程中，操作难度很高，操作技巧显得尤为重要。如图1所示，调制器微带片背面槽线内为隔离岛，所需进行互连的金丝操作需在显微镜下完成，要求在该可见视场范围内将全部孤立及导电性差的图形进行互连，金丝以一定的弧度跨过槽线，压接点距槽线1mm以上。在金丝互连和电镀金完成后需确保依然槽线能够将隔离岛完全隔离，不能使较细的槽线处因金丝无法去除而使隔离岛与其余电路产生互连，因此，背面隔离槽线与金丝的搭接互连很重要。
(2)、微波兰格桥在装配中，必须通过金丝压接工艺或空气桥工艺来实现带线之间的互连，从而达到电性能的要求。随着微波电路频率的增加，微带线的线宽/线间距越小，从而增加了微波叉指跨接线压接的难度。并且设计出的产品性能主要依靠调试来保障。如图2所示，调试时，必须先在显微镜下检查Lange桥金丝压接是否正常，贴铟时稍有不慎就会导致金丝变形。
(3)、调制器电路装配完成后、主要是由槽线加工不对称、陶瓷片正反面电路未对准而导致性能指标不满足要求，后期通过大量的调试手段来调节阻抗匹配，以满足电性能要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对现有调制器如何避免装调风险点和调试工作量大问题，从设计源头入手，提出了一种具有良好的幅相特性和匹配特性的QPSK调制器。
本发明的技术解决方案是：一种QPSK调制器，包括1/4电桥、第一BPSK调制电路、第二BPSK调制电路、0°功率合成器，其中：
1/4电桥，将外部输入的载波信号分成相互正交的两路载波信号，并将该两路正交载波信号分别传输至第一BPSK调制电路和第二BPSK调制电路；
第一BPSK调制电路和第二BPSK调制电路，根据载波信号调制外部输入的数据，形成两路BPSK调制信号输出至0°功率合成器；
0°功率合成器，将2路BPSK调制信号合成一路输出；
所述第一BPSK调制电路和第二BPSK调制电路结构相同，包括巴伦和混频器，巴伦和混频器均为刻在基片上的槽线-微带结构，其中：
巴伦，包括U型槽线和第一微带，U型槽线和第一微带背靠背地分别布置在基片的两面，第一微带位于U型槽对称轴线上，与U型槽线的直线段平行，并且，其在另一侧的投影与U型槽线的弧线段相交垂直；1/4电桥输出的载波信号通过第一微带耦合到U型槽线，在U型槽线两个输出端口形成幅度相等、相位相差180°的两路信号；
混频器，包括Y型槽线、第一微波二极管、第二微波二极管、第二微带，第二微带和第三微带位于基片的一面，Y型槽线布置在基片另一面，第一微波二极管、第二微波二极管对称地横跨在Y槽线段的两个分叉槽线段内，靠近直线槽线处，极性相反布置，第二微带在基片另一面的投影与直线槽线交叉且垂直，Y型槽线两个分叉槽线段分别与巴伦U型槽线两个输出端口连通构成一个环形的槽线，在基片上形成一个隔离岛，输入I、Q信号通过过孔与隔离岛相连，用于控制第一微波二极管和第二微波二极管的通断，将载波信号的调制至Y型槽线的直线段，再通过槽线-微带耦合输出，实现BPSK调制信号。
所述混频器还包括第三微带，在隔离岛上靠近第一微波二极管、第二微波二极管处设有一个过孔，连通基片的两个面，第三微带与过孔相连接，外部输入的基带数据由微带线通过通孔耦合至第一微波二极管或者第二微波二极管，控制第一微波二极管和第二微波二极管的通断。
所述第三微带为直线型微带或者交叉指型微带。
所述第一微带端部到槽线的距离为四分之一波长。
所述第二微带端部到槽线的距离为四分之一波长。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明实现了微带线-槽线过渡实现的巴伦功能及BPSK调制电路功能，BPSK调制器具有良好的幅相特性和匹配特性；
(2)、本发明实现了微带线通过过孔直接向BPSK调制电路提供数据，避免之前电路金带搭接环节；
(3)、本发明采用1/4波长电桥代替Lange，避免了金带压焊困难的问题。
附图说明
图1为本发明现有调制器中的背面隔离岛与金丝互连图；
图2为现有调制器中的Lange桥；
图3为本发明实施例调制器原理图；
图4(a)为本发明实施例BPSK调制电路图；
图4(b)为本发明另一个实施例BPSK调制电路图；
图5为本发明实施例BPSK调制电路的三维仿真设计；
图6为本发明实施例1/4波长电桥的三维图仿真设计；
图7为本发明实施例QPSK微带电路三维结构图；
图8(a)为本发明实施例调制器星座图；
图8(b)为本发明实施例调制器频谱的仿真结果；
图9(a)为本发明实施例调制器输入驻波的仿真结果；
图9(b)为本发明实施例调制器输出驻波的仿真结果；
图10(a)为本发明实施例调制器IQ＝11的幅度不平衡的仿真结果；
图10(b)为本发明实施例调制器IQ＝11的相位不平衡的仿真结果；
图10(c)为本发明实施例调制器IQ＝00的幅度不平衡的仿真结果；
图10(d)为本发明实施例调制器IQ＝00的相位不平衡的仿真结果；
图10(e)为本发明实施例调制器IQ＝01的幅度不平衡的仿真结果；
图10(f)为本发明实施例调制器IQ＝01的相位不平衡的仿真结果；
图10(g)为本发明实施例调制器IQ＝10的幅度不平衡的仿真结果；
图10(h)为本发明实施例调制器IQ＝10的相位不平衡的仿真结果；
图11为本发明实施例调制器幅相不平衡测试框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
如图3所示，本发明提供了一种QPSK调制器，该调制器包括1/4电桥、第一BPSK调制电路、第二BPSK调制电路、0°功率合成器，其中：
1/4电桥，将外部输入的载波信号分成相互正交的两路载波信号(幅度相等，相位相差90°)，并将该两路正交载波信号分别传输至第一BPSK调制电路和第二BPSK调制电路；与Lange桥从实现方式上相比，操作人员不需在显微镜下进行Lange桥金丝压接，调试风险点也得到有效控制。
第一BPSK调制电路和第二BPSK调制电路，根据外部输入的数据调制收到的载波信号，形成BPSK调制信号输出至0°功率合成器；
0°功率合成器，将2路BPSK调制信号合成一路输出；
如图4(a)所示，所述第一BPSK调制电路和第二BPSK调制电路结构相同，包括巴伦和混频器，巴伦和混频器均为刻在基片上的槽线-微带结构，其中：
巴伦，包括U型槽线和第一微带，U型槽线和第一微带背靠背地分别布置在基片的两面，第一微带位于U型槽对称轴线上，与U型槽线的直线段平行，并且，其在另一侧的投影与U型槽线的弧线段相交；1/4电桥输出的载波信号通过第一微带耦合到U型槽线，在U型槽线两个输出端口形成幅度相等、相位相差180°的两路信号；
混频器，包括Y型槽线、第一微波二极管、第二微波二极管、第二微带，第二微带和第三微带位于基片的一面，Y型槽线布置在基片另一面，第一微波二极管、第二微波二极管对称地横跨在Y槽线段的两个分叉槽线段内，靠近直线槽线处，极性相反布置，第二微带在基片另一面的投影与直线槽线交叉且垂直，Y型槽线两个分叉槽线段分别与巴伦U型槽线两个输出端口连通构成一个环形的槽线，在基片上形成一个隔离岛，控制第一微波二极管和第二微波二极管的通断，导通巴伦输出其中一路信号至Y型槽线的直线段，再通过槽线-微带耦合输出，实现BPSK调制信号。
所述混频器还包括第三微带，在隔离岛上靠近第一微波二极管、第二微波二极管处设有一个过孔，连通基片的两个面，第三微带与过孔相连接，外部输入的基带数据(data_I和data_Q)由微带线通过通孔耦合至第一微波二极管或者第二微波二极管，data_I和data_Q的“0”和“1”状态控制第一微波二极管和第二微波二极管的通断。本发明直接通过微带线来传输I路或Q路数据的方式进行传输数据，实现将基带数据直接调制到射频载波，与之前的实现方式相比，去掉了背面隔离槽线与金丝的搭接。将巴伦设计应用到BPSK调制器中，较好的实现了幅相特性和端口匹配特性。
所述第三微带为直线型微带或者交叉指型微带。
所述第一微带端部到槽线的距离为四分之一波长。如图4(a)中的Bd。
所述第二微带端部到槽线的距离为四分之一波长。如图4(a)中的Bb。
BPSK调制电路中的输入输出端可以互换，如图4(a)和图4(b)所示。
当槽线线宽与波长比值时，所述巴伦槽线的宽度s通过如下公式确定：
其中：
zs＝z1+z2+z3+z4
式中，ZS为槽线的特征阻抗，P为传输的平均功率，V为槽线传输线的电压峰值；c表示电磁波在自由空间的传播速度；εr为介电常数；λ0为自由空间的波长；λs槽线波长；h为介质基板厚度；
本发明所提供的调制器的优点主要体现在两个方面：
1、微带-槽线的巴伦与BPSK调制器的设计方法
本发明的关键在于如何设计一种微带-槽线巴伦实现BPSK调制器的功能。在研制中，主要通过使用微带到槽线的过渡结构设计实现了巴伦的功能，具有良好的幅度平衡特性和两个输出端口180度相位差；同时，数据传输通过微带线经过通孔直接向调制解器提供数据，实现了BPSK调制器的一体化设计。其三维图形如图5所示：在基片上表面输入端口，四分之一波长微带线过渡到槽线，槽线输出端口等幅反相，通过微带线长度与槽线槽宽调节输入端口阻抗匹配，实现巴伦功能。在巴伦后端增加两个反向工作的二极管，实现BPSK调制器的功能。本发明成功避免了在装配过程中背面隔离槽线与金丝的搭接这一环节，同时设计的BPSK调制器端口匹配良好。
2、1/4波长电桥代替之前的Lange电桥
本次设计采用1/4波长电桥代替之前的Lange电桥，优点是避免了之前设计中叉指金丝压焊操作难度大、调试存在风险的问题。整个1/4波长电桥的三维设计如图6所示，仿真主要指标：隔离度、回波、端口幅度不平衡、相位不平衡。
3、调制器的三维结构
利用场与路的联合仿真设计的方法，采用高频仿真软件CST和ADS联合仿真，其调制器微带电路三维结构图见图7所示；并对整个调制器的电性能指标进行仿真，在中心频率7.45处，星座图的仿真结果见图8(a)，调制器频谱的仿真结果见图8(b)；调制器输入驻波的仿真结果见图9(a)；调制器输出驻波的仿真结果见图9(b)；由于幅度不平衡和相位不平衡是分开进行仿真，图10(a)、图10(b)分别为IQ＝11的幅度不平衡和相位不平衡仿真结果；图10(c)、图10(d)分别为IQ＝00的幅度不平衡和相位不平衡仿真结果；图10(e)、图10(f)分别为IQ＝01的幅度不平衡和相位不平衡仿真结果；图10(g)、图10(h)分别为IQ＝10的幅度不平衡和相位不平衡仿真结果。
由仿真结果可知，调制器在中心频率7.45G处,输入输出驻波比指标小于1.07，优于之前调制器驻波指标1.25；调制谱的谱型和传统的调制器的谱相比：光滑、无毛刺、无载波泄露；幅度不平衡满足小于0.5dB，相位不平衡满足小于2°。星座图QPSK的EVM仿真结果为0.5％,完美的体现了数据调制特性。
四.性能测试
主要搭建系统，测试驻波和幅相不平衡，测试框图见图11，测试结果如下：
表4-1幅相不平衡计算示例
根据测量结果计算可得到：幅度不平衡最大值为0.48dB，相位不平衡为最大值2.21°。驻波为小于1.17。
五.性能对比分析
主要介绍新型调制器仿真研究结果、实物测试结果与现有调制器的实物测试结果对比，形成如下表格：
表4-2新型调制器的设计指标与仿真、实测结果与现有调制器的实测结果比较表
从上述表格可知，该设计方案较好的满足了幅相不平衡指标≤1dB，≤5°，并通过实物研制与现有调制器实物测试的主要指标对比分析，充分验证了该新型调制器设计方案的有效性和准确性。该新型调制器特别在电路仿真研究过程中，将巴伦设计方法应用到新型调制器，实现了端口匹配和良好的福相不平衡。
本发明针对现有调制器模块中存在的BPSK调制电路幅相特性不理想；微波叉指金丝压焊、槽线与金丝的搭接等工艺实现问题；以及电装及调试环节模块电路的防护问题，从设计源头入手，通过大量的仿真验证研究工作，提出了一种QPSK调制器，本发明成功解决了调制器装配过程中出现的金带搭接、金带压焊困难以及调试工作量大问题。
本说明书未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种QPSK调制器，其特征在于包括1/4电桥、第一BPSK调制电路、第二BPSK调制电路、0°功率合成器，其中：
1/4电桥，将外部输入的载波信号分成相互正交的两路载波信号，并将该两路正交载波信号分别传输至第一BPSK调制电路和第二BPSK调制电路；
第一BPSK调制电路和第二BPSK调制电路，根据载波信号调制外部输入的数据，形成两路BPSK调制信号输出至0°功率合成器；
0°功率合成器，将2路BPSK调制信号合成一路输出。
2.根据权利要求1所述的一种QPSK调制器，其特征在于所述第一BPSK调制电路和第二BPSK调制电路结构相同，包括巴伦和混频器，巴伦和混频器均为刻在基片上的槽线-微带结构，其中：
巴伦，包括U型槽线和第一微带，U型槽线和第一微带背靠背地分别布置在基片的两面，第一微带位于U型槽对称轴线上，与U型槽线的直线段平行，并且，其在另一侧的投影与U型槽线的弧线段相交垂直；1/4电桥输出的载波信号通过第一微带耦合到U型槽线，在U型槽线两个输出端口形成幅度相等、相位相差180°的两路信号；
混频器，包括Y型槽线、第一微波二极管、第二微波二极管、第二微带，第二微带和第三微带位于基片的一面，Y型槽线布置在基片另一面，第一微波二极管、第二微波二极管对称地横跨在Y槽线段的两个分叉槽线段内，靠近直线槽线处，极性相反布置，第二微带在基片另一面的投影与直线槽线交叉且垂直，Y型槽线两个分叉槽线段分别与巴伦U型槽线两个输出端口连通构成一个环形的槽线，在基片上形成一个隔离岛，输入I、Q信号通过过孔与隔离岛相连，用于控制第一微波二极管和第二微波二极管的通断，将载波信号的调制至Y型槽线的直线段，再通过槽线-微带耦合输出，实现BPSK调制信号。
3.根据权利要求2所述一种QPSK调制器，其特征在于所述混频器还包括第三微带，在隔离岛上靠近第一微波二极管、第二微波二极管处设有一个过孔，连通基片的两个面，第三微带与过孔相连接，外部输入的基带数据由微带线通过通孔耦合至第一微波二极管或者第二微波二极管，控制第一微波二极管和第二微波二极管的通断。
4.根据权利要求3所述一种QPSK调制器，其特征在于所述第三微带为直线型微带或者交叉指型微带。
5.根据权利要求2所述的一种QPSK调制器，其特征在于所述第一微带端部到槽线的距离为四分之一波长。
6.根据权利要求2所述的一种QPSK调制器，其特征在于所述第二微带端部到槽线的距离为四分之一波长。
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