CN109787646B - 一种6-18GHz幅相一致下变频组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种6‑18GHz幅相一致下变频组件。该组件包括射频前端、变频单元以及中频放大部分；该系统接收外部6‑18GHz射频信号，信号进入射频前端，经过放大器、开关滤波网络、均衡器，数控衰减等进入变频单元；变频单元部分包括两级混频器、高中频开关滤波器组、一本振倍频和二本振本振驱动及移相，射频信号进入变频单元与两级本振信号进行二次变频，变频输出1.8GHz中频信号；变频之后的中频信号进入中频放大电路进行放大滤波并最终输出，中频放大部分包括放大器、滤波器、均衡器和数控衰减器。本发明具有工作频段宽、集成度高、无虚假动态范围大、幅度和相位一致性好的优点，应用前景广阔。

Description

一种6-18GHz幅相一致下变频组件

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，特别是一种6-18GHz幅相一致下变频组件。

背景技术

随着通信技术及微电子技术的发展，对微波接收系统的多功能和小型化要求越来越高。6-18GHz幅相一致下变频组件是一种应用于电子信号频率和功率测量的电子部件。描述这种产品性能的主要技术指标有：1)工作频率：6-18GHz；2)噪声系数：<6dB；3)瞬时动态范围:>40dB；4)全局动态范围：>75dB；5)小信号增益:33dB；6)无虚假动态范围:50dB；7)杂散和虚假:<-55dBc；8)幅度一致性:<±1.5dB；9)相位一致性<±15度；10)工作温度范围:-40～+70℃；11)尺寸：(长)130mm×(宽)80mm×(高)20mm。

目前同类型的产品，存在的缺点有：1)噪声系数大，一般为7dB左右；2)无虚假动态范围小，一般为40dB左右；3)相位一致性差，一般在±25度左右；4)体积大，一般为(长)200mm×(宽)100mm×(高)20mm以上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种频段宽、无虚假动态范围大、电路尺寸小、幅度和相位一致性好的6-18GHz下变频组件。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种6-18GHz幅相一致下变频组件，包括射频前端、变频单元、中频放大电路；

所述射频前端，接收外部6-18GHz射频信号，经过放大器、开关滤波网络、均衡器、数控衰减后进入变频单元；

所述变频单元，接收射频前端输出的射频信号，与两级本振信号进行二次变频，输出1.8GHz中频信号；

所述中频放大电路，接收变频单元输出的1.8GHz中频信号，进行放大滤波并最终输出。

进一步地，所述射频前端包括依次连接的第一10dB数控衰减器、第一低噪声放大器、20dB数控衰减器、第一放大器、开关滤波网络、第二放大器、第一均衡器、第二10dB数控衰减器、第一温补衰减器和第一数控衰减器。

进一步地，所述变频单元包括依次连接的第一多功能芯片、第一高中频滤波器、第二高中频滤波器和第二多功能芯片；

所述第一多功能芯片CHIP1包括：一本振倍频器、第一级混频器、滤波器、第三放大器、第一单刀二掷开关；所述第二多功能芯片CHIP2包括：第二单刀二掷开关、二本振移相器、二本振驱动放大器、第二级混频器；

所述第一级混频器的两个输入端分别连接射频前端输出信号、一本振倍频器输出的本振信号，第一级混频器的输出端依次通过滤波器、第三放大器接入第一单刀二掷开关的动端，第一单刀二掷开关的第一不动端通过第一高中频滤波器与第二单刀二掷开关的第一不动端连接，第一单刀二掷开关的第二不动端通过第二高中频滤波器与第二单刀二掷开关的第二不动端连接，第二单刀二掷开关的动端接入第二级混频器的一个输入端，二本振移相器通过二本振驱动放大器接入第二级混频器的另一个输入端，第二级混频器的输出端即为变频单元的输出端。

进一步地，所述中频放大电路包括依次连接的第一带通滤波器、第二低噪声放大器、第二数控衰减器、第二均衡器、第二温补衰减器、第三低噪声放大器、第三数控衰减器、第三均衡器、第三温补衰减器、第四低噪声放大器、衰减器、第二带通滤波器。

进一步地，所述射频前端中，射频信号通过包括第一10dB数控衰减器、20dB数控衰减器和第二10dB数控衰减器的三级数控衰减器切换功率窗口，从而扩展系统的全局动态范围。

进一步地，所述射频前端中，开关滤波网络由两只单刀四掷开关和四路MEMS带通滤波器组成，用于信号分段预选，四路MEMS带通滤波器的频率分别为6-9GHz、8-12.5GHz、11.5-15GHz、14-18GHz；射频信号通过开关滤波网络预选之后，通过第一均衡器进行幅度均衡。

进一步地，所述射频前端中，第一温补衰减器用于补偿射频前端在温度变化下的增益变化。

进一步地，所述射频前端中，所述第一数控衰减器用于根据频率码调节射频前端增益。

进一步地，所述变频单元，分两级变频实现：

第一级变频，在第一多功能芯片中将16-20GHz信号2倍频后与6-18GHz信号混频获得27±0.5GHz和21±0.5GHz两路高中频信号；

第二级变频，所述两路高中频信号在第二多功能芯片中与28.8GHz、22.8GHz两个点频信号混频，共同获得1.8±0.5GHz中频信号，其中二本振移相器对信号相位进行调节。

进一步地，所述中频放大电路中，第二数控衰减器对信号幅度进行调节。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)射频前端采用4路MEMS滤波器，集成度高，体积小；(2)变频单元用两片多功能芯片，第一级多功能芯片集成了混频器，倍频器，单刀二掷开关，带通滤波器以及放大器；第二级多功能芯片CHIP2集成了混频器、单刀二掷开关、移相器以及本振驱动放大器；多功能芯片具有级间匹配好、集成度高、一致性好的优点；(3)采用增益平衡调节技术，有效地平衡系统的噪声系数和杂散指标，使之达到最佳平衡；(4)采用数控调节相位技术，在二本振设置数控移相器，可以简单有效地调节模块之间的相位一致性。

附图说明

图1为本发明6-18GHz幅相一致下变频组件的电路结构示意图。

图2为本发明中开关滤波网络的电路结构示意图。

图3为本发明实施例中混频方案的电路结构示意图。

图中标号，1、第一10dB数控衰减器；2、第一低噪声放大器；3、20dB数控衰减器；4、第一放大器；5、开关滤波网络；6、第二放大器；7、第一均衡器；8、第二10dB数控衰减器；9、第一温补衰减器；10、第一数控衰减器；11、一本振倍频器；12、第一级混频器；13、滤波器；14、第三放大器；15、第一单刀二掷开关；16、第一高中频滤波器；17、第二高中频滤波器；18、第二单刀二掷开关；19、二本振移相器；20、二本振驱动放大器；21、第二级混频器；22、第一带通滤波器；23、第二低噪声放大器；24、第二数控衰减器；25、第二均衡器；26、第二温补衰减器；27、第三低噪声放大器；28、第三数控衰减器；29、第三均衡器；30、第三温补衰减器；31、第四低噪声放大器；32、衰减器；33、第二带通滤波器。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

结合图1，本发明6-18GHz幅相一致下变频组件，包括射频前端部分、变频单元部分、中频放大电路部分；

所述射频前端，接收外部6-18GHz射频信号，经过放大器、开关滤波网络、均衡器、数控衰减后进入变频单元；

所述变频单元，接收射频前端输出的射频信号，与两级本振信号进行二次变频，输出1.8GHz中频信号；

所述中频放大电路，接收变频单元输出的1.8GHz中频信号，进行放大滤波并最终输出。

所述射频前端包括依次连接的第一10dB数控衰减器1、第一低噪声放大器2、20dB数控衰减器3、第一放大器4、开关滤波网络5、第二放大器6、第一均衡器7、第二10dB数控衰减器8、第一温补衰减器9和第一数控衰减器10。

进一步地，所述射频前端中，射频信号通过包括第一10dB数控衰减器1、20dB数控衰减器3和第二10dB数控衰减器8的三级数控衰减器切换功率窗口，从而扩展系统的全局动态范围。

进一步地，所述射频前端中，开关滤波网络5由两只单刀四掷开关和四路MEMS带通滤波器组成，用于信号分段预选，射频信号通过开关滤波网络5预选之后，通过第一均衡器7进行幅度均衡，优化6-18GHz频段内的频率平坦度。

进一步地，所述射频前端中，第一温补衰减器9用于补偿射频前端在温度变化下的增益变化，

进一步地，所述射频前端中，所述第一数控衰减器10用于根据频率码调节射频前端增益。

所述变频单元包括依次连接的第一多功能芯片CHIP1、第一高中频滤波器16、第二高中频滤波器17和第二多功能芯片CHIP2；所述第一多功能芯片CHIP1包括：一本振倍频器11、第一级混频器12、滤波器13、第三放大器14、第一单刀二掷开关15；所述第二多功能芯片CHIP2包括：第二单刀二掷开关18、二本振移相器19、二本振驱动放大器20、第二级混频器21；所述第一级混频器12的两个输入端分别连接射频前端输出信号、一本振倍频器11输出的本振信号，第一级混频器12的输出端依次通过滤波器13、放大器14接入第一单刀二掷开关15的动端，第一单刀二掷开关15的第一不动端通过第一高中频滤波器16与第二单刀二掷开关18的第一不动端连接，第一单刀二掷开关15的第二不动端通过第二高中频滤波器17与第二单刀二掷开关18的第二不动端连接，第二单刀二掷开关18的动端接入第二级混频器21的一个输入端，二本振移相器19通过二本振驱动放大器20接入第二级混频器21的另一个输入端，第二级混频器21的输出端即为变频单元的输出端。

进一步地，所述变频单元，分两级变频实现：

第一级变频，在第一多功能芯片CHIP1中将16-20GHz信号2倍频后与6-18GHz信号混频获得27±0.5GHz和21±0.5GHz两路高中频信号；

第二级变频，所述两路高中频信号在第二多功能芯片CHIP2中与28.8GHz、22.8GHz两个点频信号混频，共同获得1.8±0.5GHz中频信号，其中二本振移相器19对信号相位进行调节。

所述中频放大电路包括依次连接的第一带通滤波器22、第二低噪声放大器23、第二数控衰减器24、第二均衡器25、第二温补衰减器26、第三低噪声放大器27、第三数控衰减器28、第三均衡器29、第三温补衰减器30、第四低噪声放大器31、衰减器32、第二带通滤波器33。

进一步地，所述中频放大电路中，第二数控衰减器24对信号幅度进行调节。

结合图2，开关滤波网络由两只单刀四掷电子开关5.1和5.2以及四路带通MEMS滤波器5.3、5.4、5.5、5.6组成，带通滤波器5.3的频率为6-9GHz，带通滤波器5.4的频率为8-12.5GHz，带通滤波器5.5的频率为11.5-15GHz，带通滤波器5.6的频率为14-18GHz。

射频信号经过开关滤波网络预选之后，通过第一均衡器7进行幅度均衡，以优化6-18GHz频段内的带内平坦度。第一温补衰减器9用于补偿射频前端在温度变化下的增益变化。第一数控衰减器10用于系统根据频率码精确调节不同频率点的增益。

变频单元分两级变频实现，第一级变频将6-18GHz信号与16-20GHz信号混频获得两路高中频信号：27±0.5GHz和21±0.5GHz，这两路信号在第二级变频与28.8GHz和22.8GHz两个点频信号混频共同获得1.8±0.5GHz中频信号。

结合图3，6-18GHz信号分为两段进行混频，第一段为通道1和通道2的6-12.5GHz与2倍频后的16-20GHz混频得到27±0.5GHz高中频，第二段为通道3和通道4的11.5-18GHz与2倍频后的16-20GHz混频得到21±0.5GHz高中频。

系统的幅度可以通过中频放大电路部分的第二数控衰减器24进行调节，系统的相位可以通过变频单元中的数控移相器19进行调节，确保不同组件之间的相位一致性满足±15度。

作为一种具体示例，所述的6-18GHz幅相一致下变频组件，包括屏蔽盒体，设置有上层空腔和下层空腔，所述射频前端部分、变频单元部分、中频放大电路部分放置在上层空腔内，控制电路和电源电路放置在下层空腔内。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例

结合图1，本发明6-18GHz幅相一致下变频组件，包括射频前端部分、变频单元部分、中频放大电路部分。描述这种产品性能的主要技术指标有：1)工作频率：6-18GHz；2)噪声系数：<6dB；3)瞬时动态范围:>35dB；4)全局动态范围：>70dB；5)小信号增益:33dB；6)无虚假动态范围:50dB；7)杂散和虚假:<-55dBC；8)幅度一致性:<±1.5dB；9)相位一致性：<±15度；10)工作温度范围:-40～+70℃；11)尺寸:(长)130mm×(宽)80mm×(高)20mm。

结合图1，射频前端部分由低噪声放大器、数控衰减器、以及MEMS开关滤波网络等组成。三级数控衰减器第一10dB数控衰减器1、20dB数控衰减器3和第一数控衰减器10，可以将40dB瞬时动态范围扩展为75dB全局动态范围，即在原有的40dB动态范围以上部分启用数控衰减器将超出范围的功率衰减至40dB瞬时动态范围以内，实现动态扩展。射频前端的增益设置为14dB，噪声系数为4dB。

结合图1、图2，射频前端部分采用MEMS开关滤波网络，四路滤波器对射频信号进行预选。其中，第一带通滤波器5.3的频率为6-9GHz，第二带通滤波器5.4的频率为8-12.5GHz，第三带通滤波器5.5的频率为11.5-15GHz，第四带通滤波器5.6的频率为14-18GHz。此种预选滤波方案可以有效滤除射频镜像频率和射频谐波，射频信号进入混频器不产生低阶虚假信号。

结合图1，变频单元主要由两级多功能芯片CHIP1、CHIP2和两路滤波器组。第一级多功能芯片CHIP1集成了一本振倍频器11、第一级混频器12、滤波器13、放大器14、第一单刀二掷开关15。第二级多功能芯片CHIP2集成了第二单刀二掷开关18、二本振移相器19、二本振驱动放大器20、第二级混频器21。二本振设置的移相器用来对不同模块之间的相位差进行精密移相补偿，以确保模块之间的相位一致性满足±15度。变频单元增益设置为-8dB，噪声系数为8dB。

结合图1和图3，变频单元分两级变频实现。具体来说，6-18GHz信号分为两段进行混频，第一段为通道1和通道2的6-12.5GHz与2倍频后的16-20GHz混频得到27±0.5GHz(HIF1)高中频，第二段为通道3和通道4的11.5-18GHz与2倍频后的16-20GHz混频得到21±0.5GHz(HIF2)高中频；这两路高中频信号在第二级变频与28.8GHz和22.8GHz两个点频本振混频，共同下变频为1.8±0.5GHz中频信号。此种混频方案采用毫米波高本振，将6-18GHz射频信号先进行上混频至高中频，然后再和第二级高本振下混频，有效地避开带内杂散和虚假，确保无虚假动态范围达到50dB。

结合图1，中频电路主要用来补偿增益、滤除中频带外杂散信号，并通过均衡器来调节中频带宽内的增益平坦度。因为变频虚假和杂散信号的大小与输入混频器的功率有关，射频前端部分在进入变频单元前设置了第一数控衰减器10，能够精确调节调节进入变频单元的信号功率。进一步地，第一数控衰减器10可以和第三数控衰减器28根据频率控制码进行联合作用，用来调节射频前端和中频放大电路的增益平衡，使组件同时能满足噪声系数<6dB和杂散和虚假<-55dBc这两个关键指标。

结合图1，中频放大电路中的第二数控衰减器24用来配合温度传感器精确补偿增益在环境温度下的变化，使组件的工作温度范围达到-40～+70℃。第二数控衰减器24也可以用来调节不同模块之间的幅度一致性，确保不同模块之间的幅度一致性满足±1.5dB。中频电路的增益设置为28dB，噪声系数为4dB。

结合图1，6-18GHz幅相一致下变频组件，在屏蔽盒设计中，设置有上层空腔和下层空腔，所述射频前端部分、变频单元部分、中频放大电路部分放置在上层空腔内，控制电路和电源电路放置在下层空腔内。射频电路流向路径上都有屏蔽隔墙彼此隔离，防止信号之间串扰引起性能恶化，增强组件内部的电磁兼容性能。

Claims (9)

1.一种6-18GHz幅相一致下变频组件，其特征在于，包括射频前端、变频单元、中频放大电路；

所述射频前端，接收外部6-18GHz射频信号，经过放大器、开关滤波网络、均衡器、数控衰减后进入变频单元；

所述变频单元，接收射频前端输出的射频信号，与两级本振信号进行二次变频，输出1.8GHz中频信号；

所述中频放大电路，接收变频单元输出的1.8GHz中频信号，进行放大滤波并最终输出；

所述变频单元包括依次连接的第一多功能芯片(CHIP1)、第一高中频滤波器(16)、第二高中频滤波器(17)和第二多功能芯片(CHIP2)；

所述第一多功能芯片CHIP1包括：一本振倍频器(11)、第一级混频器(12)、滤波器(13)、第三放大器(14)、第一单刀二掷开关(15)；所述第二多功能芯片CHIP2包括：第二单刀二掷开关(18)、二本振移相器(19)、二本振驱动放大器(20)、第二级混频器(21)；

所述第一级混频器(12)的两个输入端分别连接射频前端输出信号、一本振倍频器(11)输出的本振信号，第一级混频器(12)的输出端依次通过滤波器(13)、第三放大器(14)接入第一单刀二掷开关(15)的动端，第一单刀二掷开关(15)的第一不动端通过第一高中频滤波器(16)与第二单刀二掷开关(18)的第一不动端连接，第一单刀二掷开关(15)的第二不动端通过第二高中频滤波器(17)与第二单刀二掷开关(18)的第二不动端连接，第二单刀二掷开关(18)的动端接入第二级混频器(21)的一个输入端，二本振移相器(19)通过二本振驱动放大器(20)接入第二级混频器(21)的另一个输入端，第二级混频器(21)的输出端即为变频单元的输出端。

2.根据权利要求1所述的6-18GHz幅相一致下变频组件，其特征在于，所述射频前端包括依次连接的第一10dB数控衰减器(1)、第一低噪声放大器(2)、20dB数控衰减器(3)、第一放大器(4)、开关滤波网络(5)、第二放大器(6)、第一均衡器(7)、第二10dB数控衰减器(8)、第一温补衰减器(9)和第一数控衰减器(10)。

3.根据权利要求1所述的6-18GHz幅相一致下变频组件，其特征在于，所述中频放大电路包括依次连接的第一带通滤波器(22)、第二低噪声放大器(23)、第二数控衰减器(24)、第二均衡器(25)、第二温补衰减器(26)、第三低噪声放大器(27)、第三数控衰减器(28)、第三均衡器(29)、第三温补衰减器(30)、第四低噪声放大器(31)、衰减器(32)、第二带通滤波器(33)。

4.根据权利要求2所述的6-18GHz幅相一致下变频组件，其特征在于，所述射频前端中，射频信号通过包括第一10dB数控衰减器(1)、20dB数控衰减器(3)和第二10dB数控衰减器(8)的三级数控衰减器切换功率窗口，从而扩展系统的全局动态范围。

5.根据权利要求2所述的6-18GHz幅相一致下变频组件，其特征在于，所述射频前端中，开关滤波网络(5)由两只单刀四掷开关和四路MEMS带通滤波器组成，用于信号分段预选，四路MEMS带通滤波器的频率分别为6-9GHz、8-12.5GHz、11.5-15GHz、14-18GHz；射频信号通过开关滤波网络(5)预选之后，通过第一均衡器(7)进行幅度均衡。

6.根据权利要求2所述的6-18GHz幅相一致下变频组件，其特征在于，所述射频前端中，第一温补衰减器(9)用于补偿射频前端在温度变化下的增益变化。

7.根据权利要求2所述的6-18GHz幅相一致下变频组件，其特征在于，所述射频前端中，所述第一数控衰减器(10)用于根据频率码调节射频前端增益。

8.根据权利要求1所述的6-18GHz幅相一致下变频组件，其特征在于，所述变频单元，分两级变频实现：

第一级变频，在第一多功能芯片(CHIP1)中将16-20GHz信号2倍频后与6-18GHz信号混频获得27±0.5GHz和21±0.5GHz两路高中频信号；

第二级变频，所述两路高中频信号在第二多功能芯片(CHIP2)中与28.8GHz、22.8GHz两个点频信号混频，共同获得1.8±0.5GHz中频信号，其中二本振移相器(19)对信号相位进行调节。

9.根据权利要求3所述的6-18GHz幅相一致下变频组件，其特征在于，所述中频放大电路中，第二数控衰减器(24)对信号幅度进行调节。

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