CN116056326A - 一种ka频段超宽带小型化变频器 - Google Patents

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张文权
鲁纯
王少奇
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Chengdu Acti Technology & Development Co ltd
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Abstract

本发明提供了一种ka频段超宽带小型化变频器，包括：管壳、两个多层印制板、射频BGA球、接地BGA球、ka频段宽带下变频电路，所述管壳将两个多层印制板、射频BGA球、接地BGA球以ka频段宽带下变频电路系统级封装；所述多层印制板通过射频传输线垂直互联；具有贯穿所述两个多层印制板垂直方向上相同位置的通孔；所述射频BGA球布置在所述通孔下方；所述多个接地BGA球等间距环绕布置在所述与所述射频BGA球周围，通过所述射频BGA球与所述接地BGA球实现类同轴以传输所述两个多层印制板的板间在垂直方向上的射频信号；所述ka频段宽带下变频电路布置在所述两个多层印制板表面，所述ka频段宽带下变频电路用于对输入的ka频段超宽带射频信号将射频信号下变频到L频段的中频信号。本发明通过用射频传输线多层印制板垂直互联，射频BGA传输，射频印制板多层堆叠工艺以及ka频段宽带下变频电路，实现了ka频段超宽带变频器小型化的技术难题。

Description

一种ka频段超宽带小型化变频器
技术领域
本发明涉及微波毫米波电路领域，尤其涉及一种ka频段超宽带小型化变频器。
背景技术
微波变频器是现代通信系统的核心部分，广泛应用于雷达通信、电子侦察、遥测遥感、相控阵等领域。随着通信技术的快速发展，系统的集成度越来越高，尤其是雷达前端对变频器的小型化要求越来越高。传统的变频器体积大、重量大，功耗高已不能满足当前项目发展的需要，尤其是车载、舰载、机载等设备对产品的重量和小型化提出了很高要求，因此迫切需要研制一款性能优良的小型化变频器。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种ka频段超宽带小型化变频器。
本发明提供的一种ka频段超宽带小型化变频器，包括：管壳、两个多层印制板、射频BGA球、接地BGA球、ka频段宽带下变频电路，
所述管壳将两个多层印制板、射频BGA球、接地BGA球以及ka频段宽带下变频电路系统级封装；
所述两个多层印制板通过射频传输线垂直互联；
具有贯穿所述两个多层印制板垂直方向上相同位置的通孔，所述射频BGA球布置在所述通孔下方，所述多个接地BGA球等间距环绕布置在所述与所述射频BGA球周围，通过所述射频BGA球与所述接地BGA球实现类同轴以传输所述两个多层印制板的板间在垂直方向上的射频信号；
所述ka频段宽带下变频电路布置在所述两个多层印制板表面，所述ka频段宽带下变频电路用于对输入的ka频段超宽带射频信号将射频信号下变频到L频段的中频信号。
优选地，所述多层印制板的微带线到带状线之间过渡的过孔包括RF信号过孔和屏蔽地过孔，所述屏蔽地过孔与RF信号过孔的间距b等于所述RF信号过孔直径a的两倍。
优选地，所述射频BGA球直径2R等于所述接地BGA球直径2r；所述射频BGA球与接地BGA球间距d等于1.2R。
优选地，所述ka频段宽带下变频电路将将输入的ka频段超宽带射频信号；经过射频输入预选的第一滤波器进行滤波；再经过第一放大器对低噪信号进行放大；再进入第一数控衰减器实现增益可调；之后再进入第二放大器进行放大；之后进入第一混频器和第一本振信号进行混频；混频后输出的第一中频信号再经过第二滤波器滤波、第三放大器放大、第三滤波器滤波后滤除杂散信号；再进入第二混频器和第二本振信号进行第二次混频；混频后输出L频段中频信号；经过第四放大器对信号进行放大、第四滤波器滤波；再进入再进入第二数控衰减器进行增益可调，再经过第五放大器放大、第六滤波器滤波后输出无杂散信号的L频段中频信号。
本发明的有益效果：
本发明通过三维堆叠技术和多层封装转接板可以实现(x，y，z平面)的空间集成，利用Z方向空间，可以成倍的提高空间利用率，印制板电路的设计和立体空间的设计，实现了立体空间的信号传输，解决变频器小型化问题。
附图说明
图1为超宽带小型化系统集成变频器三维示意图；
图2为多层印制板垂直互联示意图；
图3为多层印制板垂直互联HFSS传输模型示意图；
图4为多层印制板垂直互联输入输出驻波；
图5为多层印制板垂直互联传输损耗；
图6为射频BGA传输模型示意图；
图7为射频BGA的HFSS传输模型示意图
图8为射频BGA输入输出驻波；
图9为射频BGA传输损耗；
图10为多层堆叠射频BGA传输示意图；
图11为射频BGA底视图及和同轴线剖面图的对比示意图；
图12为ka频段宽带下变频电路原理框图；
图13为超宽带小型化系统集成变频器三维示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。
本发明提供了一种ka频段超宽带小型化变频器，包括：管壳、两个多层印制板、射频BGA球、接地BGA球、ka频段宽带下变频电路。所述管壳将两个多层印制板、射频BGA球、接地BGA球以及ka频段宽带下变频电路系统级封装。本发明基于系统级封装(SysteminPackage，SIP，系统级封装是通过将不同功能的有源无源器件进行集成，集成到同一个封装内，形成一个具有单独功能的系统或子系统组件)概念，通过用射频传输线多层垂直互联，射频BGA传输，射频印制板多层堆叠工艺以及ka频段宽带下变频电路，将多种芯片(有源芯片、无源芯片)或器件进行一体化集成设计，实现了ka频段超宽带小型化变频器，即SIP射频模组。解决传统的射频模块体积大、重量大、功耗高的问题，并且SIP模组具有灵活度高、集成度高、设计周期短等优势。
所述的射频传输线多层印制板垂直互联，用于实现DC～40GHz射频信号的共面波导和带状线的垂直互联传输。DC～40GHz超宽频射频多层传输的关键在于微带线到带状线之间过渡的过孔直径的设计以及多度地设计，射频信号传输的连续性及阻抗匹配性决定着信号实现D C～40GHz的传输。多层印制板垂直互联如图2所示，多层印制板垂直互联HFSS传输模型如图3所示。通过建模仿真优化垂直互联的电磁特性，实现信号传输的连续性，保证信号传输的质量，来提高系统的稳定性和可靠性。所述多层印制板的微带线到带状线之间过渡的过孔包括RF信号过孔和屏蔽地过孔，采用所述屏蔽地过孔与RF信号过孔的间距b等于所述RF信号过孔直径a的两倍。仿真数据如图4、图5所示，通过电磁场仿真软件HFSS，建立射频多层印制板垂直互联信号传输的HFSS仿真模型进行S参数仿真。通过三维模型仿真软件仿真，得出仿真数据如上图所示，在DC～40GHz内输入输出端口的驻波小于1.14，插入损耗小于等于0.30，由仿真数据可以看出共面波导和带状线在高频时的传输特性很好，适合KA及以上频段高频传输，不仅端口驻波较好，且传输损耗小，因此多层印制板垂直互联传输为射频信号的传输提供了一种方式，便于实现印制板的板间集成，为实现高集成度设计提供了方法。
具有贯穿所述两个多层印制板垂直方向上相同位置的通孔，所述射频BGA球布置在所述通孔下方；所述多个接地BGA球等间距环绕布置在所述与所述射频BGA球周围，通过所述射频BGA球与所述接地BGA球实现类同轴以传输所述两个多层印制板的板间在垂直方向上的DC～40GHz射频信号。DC～40GHz超宽带射频BGA传输的关键在于BGA球的直径、射频BGA与接地BGA的间距设计，决定着信号能否实现DC～40GHz的传输。BGA传输模型示意图如图6所示。射频BGA传输设计是通过计算、仿真建立适合DC～40GHz射频传输的BGA传输模型。通过电磁场仿真软件HFSS，建立射频BGA信号传输的HFSS仿真模型进行S参数仿真，射频BGA传输模型如图7所示，仿真数据如图8、图9所示。采用所述射频BGA球直径2R等于所述接地BGA球直径2r；所述射频BGA球与接地BGA球间距d等于1.2R。通过三维模型仿真软件仿真，得出仿真数据如上图所示，在DC-40GHz内输入输出端口的驻波小于1.2，插入损耗小于等于0.35，由仿真数据可以看出射频BGA在高频时的传输特性很好，适合KA及以上频段高频传输，不仅端口驻波较好，且传输损耗小，因此射频BGA的传输为射频信号的传输提供了一种方式，便于实现印制板的板间集成，为实现高集成度设计提供了方法。传统的射频传输技术一般都是二维(X、Y)平面通过微带线传输，当需要实现在Z方向上传输则需要通过射频玻珠进行垂直互联，但是玻珠的装配需要通过金属腔体作为载体才能安装，体积庞大，无法在高集成度的SIP模组中使用，如图10、11所示，本发明使用低频数字信号常用的BGA技术，通过设计架构的优化和建模仿真，来实现BGA的射频传输，图10、图11架构设计使BGA实现了类同轴的特性，因此实现毫米波频段在垂直方向上的射频传输，解决了三维堆叠技术在Z方向上的传输问题，使SIP的集成度更高。
ka频段宽带下变频电路，ka频段宽带下变频电路布置在所述至少两个多层印制板上表面，所述ka频段宽带下变频电路对输入的ka频段超宽带射频信号通过二次变频，将射频信号下变频到L频段的中频信号，用来实现ka频段的超宽带射频信号下变频到L频段的中频信号供后端设备解调使用。采用两只数控衰减器可以实现0～60dB动态范围可调，内部混频器集成有本振驱动放大可以对本振信号进行放大。ka频段宽带下变频电路具体工作原理框图如图12所示。所述ka频段宽带下变频电路将将输入的ka频段超宽带射频信号；经过射频输入预选的第一滤波器进行滤波；再经过第一放大器对低噪信号进行放大；再进入第一数控衰减器实现增益可调；之后再进入第二放大器进行放大；之后进入第一混频器和第一本振信号进行混频；混频后输出的第一中频信号再经过第二滤波器滤波、第三放大器放大、第三滤波器滤波后滤除杂散信号；再进入第二混频器和第二本振信号进行第二次混频；混频后输出L频段中频信号；经过第四放大器对信号进行放大、第四滤波器滤波；再进入再进入第二数控衰减器进行增益可调，再经过第五放大器放大、第六滤波器滤波后输出无杂散信号的L频段中频信号。
本发明主要运用在微波毫米波电子系统和设备，例如卫星通信的信道设备、相控阵雷达等等。SIP射频模组主要是用于解决大规模、大批量设备的小型化和低成本。尤其是在机载雷达上，战机体积小并且对重量要求也高，因此SIP射频模组就解决了机载设备的重量和体积问题，SIP射频模组数量增加，可以大大提高战机雷达的战术技术指标，提高战机的探测距离和情报获取能力，大大提高了战机的战场态势感知能力和生存能力；另外SIP射频模组可以批量化、自动化生产，大大降低了生产成本，提高了产品的可靠性，也进一步降低了设备的成本，有利于武器装备和通信设备的大面积推广使用，比如说通信基站，机载、舰载、便携式通信装备侦察装备、相控阵雷达、卫星通信站等等。
本发明的小型化变频器和国内同类产品相比而言，性能指标均处于领先地位，具体参数对比如下表所示：
Figure BDA0004030016060000041
Figure BDA0004030016060000051
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种ka频段超宽带小型化变频器，其特征在于，包括：管壳、两个多层印制板、射频BGA球、接地BGA球、ka频段宽带下变频电路；
所述管壳将两个多层印制板、射频BGA球、接地BGA球以及ka频段宽带下变频电路系统级封装；
所述两个多层印制板通过射频传输线垂直互联；
具有贯穿所述两个多层印制板垂直方向上相同位置的通孔，所述射频BGA球布置在所述通孔下方，所述多个接地BGA球等间距环绕布置在所述与所述射频BGA球周围，通过所述射频BGA球与所述接地BGA球实现类同轴以传输所述两个多层印制板的板间在垂直方向上的射频信号；
所述ka频段宽带下变频电路布置在所述两个多层印制板表面，所述ka频段宽带下变频电路用于对输入的ka频段超宽带射频信号将射频信号下变频到L频段的中频信号。
2.如权利要求1所述的一种ka频段超宽带小型化变频器，其特征在于，所述多层印制板的微带线到带状线之间过渡的过孔包括RF信号过孔和屏蔽地过孔，所述屏蔽地过孔与RF信号过孔的间距b等于所述RF信号过孔直径a的两倍。
3.如权利要求1所述的一种ka频段超宽带小型化变频器，其特征在于，所述射频BGA球直径2R等于所述接地BGA球直径2r；所述射频BGA球与接地BGA球间距d等于1.2R。
4.如权利要求1所述的一种ka频段超宽带小型化变频器，其特征在于，所述ka频段宽带下变频电路将将输入的ka频段超宽带射频信号；经过射频输入预选的第一滤波器进行滤波；再经过第一放大器对低噪信号进行放大；再进入第一数控衰减器实现增益可调；之后再进入第二放大器进行放大；之后进入第一混频器和第一本振信号进行混频；混频后输出的第一中频信号再经过第二滤波器滤波、第三放大器放大、第三滤波器滤波后滤除杂散信号；再进入第二混频器和第二本振信号进行第二次混频；混频后输出L频段中频信号；经过第四放大器对信号进行放大、第四滤波器滤波；再进入再进入第二数控衰减器进行增益可调，再经过第五放大器放大、第六滤波器滤波后输出无杂散信号的L频段中频信号。
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