CN109787562B - 超宽带毫米波变频模块及组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种超宽带毫米波变频模块及组件，属于微波通信与测试技术领域。本发明设计了一种新的混频方案，利用压控振荡器VCO本身产生的信号作为中频信号，与由中频信号经过两次倍频产生的信号作为本振信号，采用基波混频方案进行变频，混频后的信号经过12个波段进行滤波放大处理，产生高纯度的20GHz～67GHz信号；同时将250KHz～20GHz低端信号与20GHz～67GHz高端信号经过耦合器进行耦合，实现250KHz～67GHz超宽带的信号输出，并具备功率稳幅调制和脉冲振幅调制功能。本发明可实现250KHz～67GHz信号的高纯度、高精度输出，能解决当前宽带无线通信、航空航天等领域对超宽带无线信号的测试需求，具有结构简单、集成度高、成本较低的优点。

Description

超宽带毫米波变频模块及组件
技术领域
本发明属于微波通信与测试技术领域，尤其涉及一种超宽带毫米波变频模块及组件。
背景技术
随着对毫米波系统需求的增长，毫米波技术在研制发射机、接收机、天线以及毫米波器件等方面有了重大突破。毫米波频段属于高新技术频段，是目前军事电子技术发展的重要频段，航空航天、雷达、电子战、通信导航装备等电子系统的综合性能的评估，都需要超宽带范围内产生高频谱纯度、大功率输出和高稳定性的信号，而作为超宽带信号接收发射系统的重要组成部分，有关毫米波变频的技术成为研究热点。
由于现有技术中关于40GHz以上频段的超宽带毫米波变频组件较少，工作频率越高、工作频带越宽，对工艺的要求也越高，微带电路和微波芯片设计难度也越大，如何产生超宽带、高纯度的微波信号来满足超宽带信号接收发射系统的测试需求是本发明主要解决的技术问题。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提出一种超宽带毫米波变频模块及组件，通过合理的选频、混频方式获得高频谱纯度的微波信号，具有稳定性高，性能好的优点。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
作为发明的一个方面，提出一种超宽带毫米波变频模块，包括信号源电路部分和微带电路部分；
所述信号源电路部分包括压控振荡器VCO、二倍频和滤波器；
所述微带电路部分包括本振接口、中频接口和混频单元，所述混频单元的射频端口顺次连接有滤波电路单元、放大电路单元和射频输出接口；所述混频单元包括第一混频单元和第二混频单元，所述本振接口分别连接所述第一混频单元和所述第二混频单元，所述中频接口分别连接所述第一混频单元和所述第二混频单元，所述滤波电路单元为用来分段选频的开关滤波器组；
所述压控振荡器VCO连接所述中频接口；所述压控振荡器VCO顺次经过两次所述二倍频、所述滤波器连接至所述本振接口。
本发明包括混频方案的选择，将压控振荡器VCO本身产生的信号作为中频信号，将中频信号进行两次二倍频滤波产生的信号作为本振信号，本振和射频两路信号共用一个压控振荡器VCO实现。射频信号由本振信号和中频信号进行基波混频的方式实现。
作为优选，所述压控振荡器VCO本身产生6.67GHz～13.4GHz作为中频信号，中频信号经过两次二倍频并且进行分段滤波得到26.67GHz～53.6GHz作为本振信号。
作为优选，所述滤波电路单元包括第一滤波电路单元和第二滤波电路单元，所述放大电路单元包括第一放大电路单元和第二放大电路单元；
所述第一混频单元的射频端顺次连接所述第一滤波电路单元、所述第一放大电路单元和所述射频输出接口，所述第二混频单元的射频端顺次连接所述第二滤波电路单元、所述第二放大电路单元和所述射频输出接口。
作为优选，所述滤波电路单元和所述射频输出接口之间还连接有功率稳幅调制电路单元和脉冲振幅调制电路单元。
作为优选，所述功率稳幅调制电路单元和所述脉冲振幅调制电路单元为三级砷化镓基二极管并联穿心电容实现。
本发明微波电路部分包括功率稳幅调制和脉冲调制电路。功率稳幅调制和脉冲振幅调制部分采用三级砷化镓基二极管与不同容值的穿心电容并联组成，通过检波器检出的功率与参考晶振的功率进行对比，通过调节稳幅功率和脉冲调制电路的电流参数，实现功率稳幅调制和脉冲振幅调制的功能。
作为优选，还包括低波段输入接口，所述低波段输入接口、所述第一放大电路单元的输出端、所述第二放大电路单元的输出端通过耦合器连接至所述射频输出接口。
作为优选，所述滤波电路单元中带通滤波器的带宽为4GHz。
作为本发明的另一方面，提出一种超宽带毫米波变频组件，包括屏蔽腔体，还包括如上所述的超宽带毫米波变频模块中的所述微带电路部分，所述微带电路部分设置于所述屏蔽腔体内。
作为优选，所述本振接口、所述中频接口和所述射频输出接口均采用同轴接头，所述本振接口和所述中频接口分别通过一分二开关连接所述混频单元。
作为优选，所述滤波电路单元的滤波器采用平行耦合线结构。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
1、本发明通过压控振荡器VCO产生中频信号，并对中频信号进行两次倍频滤波的方式产生本振信号，将两路信号通过基波混频的方式进行混频，经过多路滤波放大处理获得高频谱纯度的微波信号，具有稳定性高，性能好的优点；相比传统的混频方案，本发明的中频信号和本振信号都通过一个压控振荡器VCO实现,节省了本振源的数量，具有结构简单、成本低的特点。
2、采用本振信号为中频信号4倍混频方式以及带通滤波器带宽为4GHz的滤波方式的优点，可以对二阶交调、三阶交调等各阶交调信号以及谐波、分谐波进行有效的抑制，得到较纯净的微波信号。
3、通过功率稳幅调制电路单元和脉冲振幅调制电路单元，进而使得本发明在超宽带范围内产生高频谱纯度、大功率输出和高稳定性的信号的同时还具备模拟稳幅调制和脉冲振幅调制的测试功能需求，具有功能集成度高的优点。
4、超宽带毫米波变频组件采用一体化结构设计，提高了本产品的生产性和实用性。
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为本发明超宽带毫米波变频模块的电路原理图；
图2为本发明超宽带毫米波变频模块中功率稳幅调制电路单元的原理图；
图3为本发明超宽带毫米波变频模块中脉冲振幅调制电路单元的原理图；
图4为本发明超宽带毫米波变频组件中屏蔽腔体的结构示意图；
图5为本发明所使用混频器MM1-1044LCH-2的变频损耗图；
图6为本发明所使用混频器MM1-2567LCH-2的变频损耗图；
以上各图中：11、第一混频单元；12、第二混频单元；31、第一滤波电路单元；32、第二滤波电路单元；41、第一放大电路单元；42、第二放大电路单元；51、第一功率稳幅调制电路单元；52、第二功率稳幅调制电路单元；61、第一脉冲振幅调制电路单元；62、第二脉冲振幅调制电路单元；70、耦合器；80、一分二开关；90、低通滤波器；1、本振接口；2、中频接口；5、低波段输入接口；6、射频输出接口；7、第一稳幅调制穿心电容加电端；8、第一脉冲振幅调制穿心电容加电端；9、第二稳幅调制穿心电容加电端；10、第二脉冲振幅调制穿心电容加电端。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
本发明提出了一种新的混频方案，利用压控振荡器VCO本身产生的信号作为中频信号，与由中频信号经过两次倍频产生的信号作为本振信号，采用基波混频方案进行变频，混频后的信号经过滤波和放大处理，产生高纯度的微波信号。
作为本发明的一个方面，提出一种超宽带毫米波变频模块，参见图1所示，包括信号源电路部分和微带电路部分。
信号源电路部分包括压控振荡器VCO、二倍频和滤波器；
微带电路部分包括本振接口1、中频接口2和混频单元(11，12)，混频单元(11，12)的射频端口顺次连接有滤波电路单元(31，32)、放大电路单元(41，42)和射频输出接口6。混频单元(11，12)包括以差频、和频方式混频的第一混频单元11，以及以和频方式混频的第二混频单元12，本振接口1分别连接第一混频单元11和第二混频单元12，中频接口2分别连接第一混频单元11和第二混频单元12，滤波电路单元(31，32)为用来分段选频的开关滤波器组；
压控振荡器VCO连接中频接口2；压控振荡器VCO顺次经过两次二倍频、滤波器连接至本振接口1。
本发明是将本振信号、中频信号分别通过和频、差频基波混频方式，并通过开关滤波器组的滤波、放大功分合成处理产生高纯度的微波信号，可满足超宽带接收发射系统的需求，具有稳定性高，性能好的优点；本振信号和中频信号共用一个压控振荡器VCO，有效的减少了本振源的数量，具有结构紧凑、成本低的优点。
具体地，继续参见图1所示，本振信号经本振接口1输入第一混频单元11，中频信号经中频接口2输入第一混频单元11，以差和频的方式混频后，依次经过第一滤波电路单元31滤波、第一放大电路单元41放大，输出一路射频信号；本振信号经本振接口1输入第二混频单元12，中频信号经中频接口2输入第二混频单元12，以和频的方式混频后，依次经过第二滤波电路单元32滤波、第二放大电路单元42放大，输出另一路射频信号。两路射频信号合路从射频输出接口6输出。
本实施例以产生20GHz～67GHz信号为例进行详细说明：
压控振荡器VCO本身产生6.67GHz～13.4GHz作为中频信号IF，中频信号IF经过两次二倍频并且进行分段滤波得到26.67GHz～53.6GHz作为本振信号LO，L0＝4×IF。本振信号L0由本振接口1输入，经一分二开关分为两路，一路连接第一混频单元11，另一路连接第二混频单元12；中频信号IF由中频接口2输入，经一分二开关分为两路，一路连接第一混频单元11，另一路连接第二混频单元12。第一混频单元11中的通过差频的混频方式得到20GHz～28GHz，通过和频的混频方式得到28GHz～40GHz，第一混频单元分段方法以4GHz为间隔共分为4段，经第一滤波电路单元31滤波后输出频段20GHz～40GHz；第二混频单元12为和频的混频方式，第二混频单元分段方法以4GHz为间隔共分为8段，经第二滤波电路单元32滤波后输出频段40GHz～67GHz。20GHz～40GHz频段信号经第一放大电路单元41放大，40GHz～67GHz频段信号经第二放大电路单元42放大之后通过耦合器70进行合路通过射频输出接口6输出20GHz～67GHz。
进一步地，本发明还设置有功率稳幅调制电路单元和脉冲振幅调制电路单元，20GHz～40GHz输出信号在功分合成之前经过第一功率稳幅调制电路单元51和第一脉冲振幅调制电路单元61进行功率稳幅调制和脉冲振幅调制，40GHz～67GHz输出信号在功分合成之前经过第二功率稳幅调制电路单元52和第二脉冲振幅调制电路单元62进行功率稳幅调制和脉冲振幅调制，进而使得本发明具备模拟稳幅调制和脉冲振幅调制的测试功能需求，具有功能集成度高的优点。
具体地，功率稳幅调制电路单元和脉冲振幅调制电路单元的电路原理图参见图2、图3所示，采用三级砷化镓基PIN二极管并联的方式实现，其中功率稳幅调制加电穿心电容采用1000PF，脉冲振幅调制穿心电容采用10PF。通过检波器检出的功率与参考晶振的功率进行对比，通过调节稳幅功率和脉冲调制电路的电流参数，实现功率稳幅调制和脉冲振幅调制的功能。
进一步地，微带电路部分还包括低波段输入接口，低波段250KHz～20GHz信号由低波段输入接口输入，通过一分二开关与20GHz～67GHz的射频信号合路，最终输出250KHz～67GHz信号，解决了现有技术中射频信号与低波段信号分别设置接口的麻烦，具有集成度高的优点。
进一步地，20GHz～40GHz频段射频信号经第一放大电路单元41之后通过低通滤波器90，可以对谐波信号进行抑制。
进一步地，20GHz～40GHz频段信号与40GHz～67GHz频段信号之间通过一分二开关80进行频段切换。
作为本发明的另一个方面，提供一种超宽带毫米波变频组件，包括屏蔽腔体，以及固定安装在屏蔽腔体内的上述微带电路部分。
具体地，屏蔽腔体采用黄铜材料，其中盖板可以采用铝质材料，屏蔽材料采用软磁体吸收材料。
参见图4所示，本振接口1和射频输出接口6采用1.85mm同轴接头，接头方向平行于腔体平面，中频接口2和低波段输入接口5采用3.5mm同轴接头，接头方向垂直于腔体平面。微带电路部分采用平板微带结构，微带片与屏蔽腔体之间采用导电胶粘接，1.85mm同轴接头与微带片之间采用金带环包的方式连接；3.5mm同轴接头与微带片之间采用金网压焊的方式连接。
混频单元部分，第一混频单元11采用芯片式混频器MM1-1044L-CH-02,第二混频单元12采用芯片式混频器MM1-2567L-CH-02，其中，MM1-1044LCH-2的变频损耗参见图5所示，MM1-2567L-CH-02的变频损耗参见图6所示；滤波电路单元(31，32)中滤波器采用平行耦合线形式结构，第一滤波电路单元31(20GHz～40GHz)使用0.254mm厚度陶瓷片，第二滤波电路单元32(40GHz～67GHz)使用0.127mm石英片；耦合器70采用平行耦合线式耦合器。
功率稳幅调制电路单元和脉冲振幅调制电路单元的电源输入端经过穿心电容连接外部电源，即图4中第一稳幅调制穿心电容加电端7，第一脉冲振幅调制穿心电容加电端8，第二稳幅调制穿心电容加电端9，第二脉冲振幅调制穿心电容加电端10。
混频器、开关、放大器等采用MMIC芯片，芯片集成度高，便于实现整个模块的小型化，芯片与腔体之间采用导电胶粘接；芯片和微带片之间以及微带片与微带片之间互联采用金丝楔焊或金网压焊的方式。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种超宽带毫米波变频模块，包括信号源电路部分和微带电路部分，其特征在于：
所述信号源电路部分包括压控振荡器VCO、二倍频和滤波器；
所述微带电路部分包括本振接口、中频接口和混频单元，所述混频单元的射频端口顺次连接有滤波电路单元、放大电路单元和射频输出接口；所述混频单元包括第一混频单元和第二混频单元，所述本振接口分别连接所述第一混频单元和所述第二混频单元，所述中频接口分别连接所述第一混频单元和所述第二混频单元，所述滤波电路单元为用来分段选频的开关滤波器组；
所述压控振荡器VCO连接所述中频接口；所述压控振荡器VCO顺次经过两次所述二倍频、所述滤波器连接至所述本振接口；
本振信号经本振接口输入第一混频单元，中频信号经中频接口输入第一混频单元，以差和频的方式混频后，通过开关滤波器组的滤波、放大，输出一路射频信号；本振信号经本振接口输入第二混频单元，中频信号经中频接口输入第二混频单元，以和频的方式混频后，通过开关滤波器组的滤波、放大，输出另一路射频信号；两路射频信号合路从射频输出接口输出。
2.根据权利要求1所述的超宽带毫米波变频模块，其特征在于：所述压控振荡器VCO本身产生6.67GHz～13.4GHz作为中频信号，中频信号经过两次二倍频并且进行分段滤波得到26.67GHz～53.6GHz作为本振信号。
3.根据权利要求1所述的超宽带毫米波变频模块，其特征在于：所述滤波电路单元包括第一滤波电路单元和第二滤波电路单元，所述放大电路单元包括第一放大电路单元和第二放大电路单元；
所述第一混频单元的射频端顺次连接所述第一滤波电路单元、所述第一放大电路单元和所述射频输出接口，所述第二混频单元的射频端顺次连接所述第二滤波电路单元、所述第二放大电路单元和所述射频输出接口。
4.根据权利要求1所述的超宽带毫米波变频模块，其特征在于：所述滤波电路单元和所述射频输出接口之间还连接有功率稳幅调制电路单元和脉冲振幅调制电路单元。
5.根据权利要求4所述的超宽带毫米波变频模块，其特征在于：所述功率稳幅调制电路单元和所述脉冲振幅调制电路单元为三级砷化镓基二极管并联穿心电容实现。
6.根据权利要求3所述的超宽带毫米波变频模块，其特征在于：还包括低波段输入接口，所述低波段输入接口、所述第一放大电路单元的输出端、所述第二放大电路单元的输出端通过耦合器连接至所述射频输出接口。
7.根据权利要求1所述的超宽带毫米波变频模块，其特征在于：所述滤波电路单元中带通滤波器的带宽为4GHz。
8.一种超宽带毫米波变频组件，包括屏蔽腔体，其特征在于：还包括如权利要求1至7任一项所述的超宽带毫米波变频模块中的所述微带电路部分，所述微带电路部分设置于所述屏蔽腔体内。
9.根据权利要求8所述的超宽带毫米波变频组件，其特征在于：所述本振接口、所述中频接口和所述射频输出接口均采用同轴接头，所述本振接口和所述中频接口分别通过一分二射频开关连接所述混频单元。
10.根据权利要求8所述的超宽带毫米波变频组件，其特征在于：所述滤波电路单元的滤波器采用平行耦合线结构。
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