CN116960596A - 一种基于矢量调制的w波段功率合成器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于矢量调制的W波段功率合成器。包括金属腔体、射频芯片、PCB基板等;金属腔体上设有波导输入接口与波导输出接口,腔体内部包含了波导耦合器和金属凹槽;射频芯片包括W波段模拟矢量调制芯片、功率放大器芯片,射频芯片焊接于金属凹槽内;PCB基板固定在金属凹槽内,PCB基板上放置控制与供电电路,PCB台阶焊盘通过金丝与芯片互连;射频芯片与波导之间信号传输通过波导探针过渡。本发明可通过PCB基板上控制电路改变不同射频通道中W波段模拟矢量调制芯片的控制电压,使各个通道幅度与相位特性可调,从而高效率实现功率合成。

Description

一种基于矢量调制的W波段功率合成器
技术领域
本发明涉及无线通信设备技术领域,适用于W波段等高频功率合成,尤其涉及一种基于矢量调制的W波段功率合成器。
背景技术
微波波段(300MHz-30GHz)频谱拥挤问题使得工程研究投向频率更高的毫米波段,其中W波段技术发展尤为迅猛,在卫通系统、雷达及电子对抗、精确制导和短距离通信等领域应用广泛。
W波段MMIC芯片输出功率通常较小,在大功率的应用场景中,需通过功率合成技术将多通道功率进行合成,以提高系统输出功率。功率合成的关键是对不同通道间的相位差进行补偿,使得各通道在合口处的相位保持一致,从而获得最高的合成效率。
传统的相位补偿方法是:对不同射频通道采用等线长的方式来达到各通道电长度一致,从而保证功率合成时相位一致。而在实际工程应用中,芯片间距、金丝键合、加工误差等因素,会带来不可预估的通道相位差,当工作频率较低时,信号波长更长,带来的相位差较小;当工作频率达到毫米波段时,微小的装配或加工误差即可造成较大的通道间相位不一致,影响通道合成效率,最坏的情况是当通道间功率合成时相位反相,此时合成效率最低。
现有设计中,如CN105207623A公开的《一种W波段高功率集成化合成倍频源》,其通过在W波段功率合成部分增加机械调节机构实现功率合成的幅相平衡性调节,可减小合成支路间不平衡性对输出功率的影响,提高合成效率,该功率合成方案控制简单,但通过机械调节幅相平衡性,其调节精度较低,合成效率提升有限,且在更多通道功率合成场景下,调节难度大,可生产性不高。
CN203166060U公开的《W波段功率合成器》,其本质仍是减小无源功率合成器件自身的插损,该插损的优化对功率合成的提升很小;实际上W波段器件装配误差和有源电路带来的相位差是W波段功率合成效率低的主要影响因素,该方案缺乏相位调节手段,未从根本上解决W波段功率合成效率低的难题。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷,提供一种基于矢量调制的W波段功率合成器,旨在解决W波段传统的通过等线长进行功率合成困难的问题。
本发明可通过PCB基板上控制电路改变不同射频通道中W波段模拟矢量调制芯片的控制电压,使各个通道幅度与相位特性可调,从而高效率实现功率合成。本发明的基于模拟矢量调制的W波段功率合成器相比于现有的W波段功率合成方法,具有很大的通道间幅度及相位容差,可通过灵活调整各通道内模拟矢量调制芯片的控制电压,改变其幅相特性,从而弥补由于芯片间距、金丝键合、加工误差等因素带来不可预估的通道间幅度不一致性和通道间相位差,具有更高的功率合成效率。
本发明采用如下技术方案:
一种基于矢量调制的W波段功率合成器,包括金属下腔体和金属上腔体、功率放大器芯片、模拟矢量调制芯片、PCB基板、波导探针。
金属下腔体和金属上腔体均具有波导腔,波导腔中通过机械加工得到W波段3dB波导耦合器,金属下腔体和金属上腔体对外设有波导输出接口和波导输入接口,波导输出接口、波导输入接口分别位于金属腔体的两侧,金属下腔体和金属上腔体合称金属腔体,且波导输出接口和波导输入接口均具有通过加工形成的标准金属法兰盘。
射频芯片层包括多个相同的射频链路通道,每个通道包含W波段的模拟矢量调制芯片、功率放大器芯片,射频芯片安装在金属凹槽内,金属凹槽设计在波导腔中部,金属凹槽内设置台阶槽用于安装PCB基板,PCB基板上包括射频芯片供电电路、模拟矢量调制芯片的控制电路。
波导探针,位于金属凹槽内,用于射频芯片与波导之间的射频过渡。
2组W波段3dB波导耦合器分别位于金属凹槽的两侧,金属凹槽两侧的波导腔以金属凹槽为轴呈轴对称布置。
W波段射频信号通过波导输入接口进入右侧多级W波段3dB波导耦合器功分后,利用波导探针分别传输至射频芯片内各通道模拟矢量调制芯片和功率放大器芯片,对通道幅相进行调整、功率放大,再通过波导探针传输至左侧多级W波段3dB波导耦合器进行功率合成。
进一步的, 当进行4通道的W波段模拟矢量调制功率合成时,具有6个W波段3dB波导耦合器,其中右侧第一级为1个W波段3dB波导耦合器,第二级为2个W波段3dB波导耦合器,左侧与右侧布置相同。
进一步的,金属下腔体和金属上腔体均具有沉头螺钉孔,它们通过沉头螺钉紧固,上下波导腔对接形成完整波导结构。
进一步的,W波段3dB波导耦合器的隔离端口根据吸收负载外形进行加工,吸收负载嵌入隔离端口,吸收负载末段点胶加固。
进一步的,波导输出接口和波导输入接口采用标准WR-10波导接口,并与标准金属法兰盘对接。
进一步的,金属上腔体内部的金属凹槽内设置吸波材料。
进一步的,所述PCB基板采用台阶板样式,PCB焊盘通过金丝与功率放大器芯片及模拟矢量调制芯片相连接,PCB焊盘位于PCB基板上台阶槽内。
进一步的,波导探针为陶瓷基片电路,用于实现微波信号在平面传输和波导传输间的转换过渡。
进一步的,射频芯片通过微组装的方式装配在钼铜载板之上,并作为一个整体焊接于金属下腔体的金属凹槽内。
进一步的,所述金属下腔体和金属上腔体分别设有定位销及对应定位孔,用于保证波导对位,上下腔体通过沉头螺钉紧固。
本发明的有益效果:
与现有的W波段功率合成方案相比,本发明基于模拟矢量调制的W波段功率合成器,通过改变不同射频通道中W波段模拟矢量调制芯片的控制电压,使各个通道具有可调节的幅度与相位特性,从而弥补由于芯片间距、金丝键合、加工误差等因素所带来不可预估的通道间幅度不一致性和通道间相位差,灵活调整通道间的相位,高效率实现功率合成。
附图说明
图1为矢量调制芯片原理图;
图2为矢量调制芯片星座图;
图3为本发明实施例提供的层级结构图;
图4为本发明实施例的立体结构方案示意图;
图5为本发明实施例的射频链路通道示意图一;
图6为本发明实施例的射频链路通道示意图二;
图7为本发明实施例采用的金属波导上腔体结构示意图。
图中:1-金属下腔体、2-金属上腔体、3-W波段3dB波导耦合器、4-波导输入接口、5-波导输出接口、6-功率放大器芯片、7-模拟矢量调制芯片、8-钼铜载板、9-波导探针、10-螺纹孔、11-PCB基板、12-PCB台阶焊盘、13-金属凹槽、14-标准金属法兰盘、15-吸收负载、16-沉头螺钉孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
模拟矢量调制芯片同时具备幅度和相位连续可调节特性,在相控阵雷达尤其是毫米波段相控阵雷达领域应用广泛,矢量调制芯片集成了Lange耦合器、双相幅度调制器和威尔金森功率合成器,如下图1所示,其工作原理为:
首先由正交耦合器将输入信号平均分成两路相位差90°的正交信号,然后在两个正交通道上分别接入一个双相幅度调制器,通过偏置电压控制两个支路的信号幅度和相位,最后通过威尔金森同相功率合成器将两路信号矢量合成输出。
模拟矢量调制芯片的幅相性能与其控制电压的步进相关,控制电压和/>扫描步进越小,其调幅调相精度越高,每一组扫描电压/>和/>唯一映射一组确定的幅度及相位值,使用星座图表征模拟矢量调制芯片的幅相性能,以极坐标原点为中心的同心圆表征其幅度特性,同心圆周上的点表征其相位特性,如图2所示。极坐标原点处表示衰减极点,参考态等幅度圆表示相位满足遍历0-360°条件下的最大等幅度圆,衰减极点与最大等幅度圆之间的同心圆,表示模拟矢量调制芯片的各等幅衰减态,越靠近衰减极点,同一衰减态上包含的相位态越少,相位精度越低,因此,控制电压/>和/>扫描步进越小,星座图上幅度相位态越密集,调幅调相精度越高。
随着W波段产品应用需求向着大功率方向发展,传统的通过等线长的方式补偿通道相位差,从而提高合成效率的方式已经无法满足高频应用需求,由于模拟矢量调制芯片具备幅度和相位灵活可调且调节精度高的特点,非常适合于W波段等高频、大功率应用场景下进行高效率功率合成的迫切需求。
参阅附图3-图7,一种基于矢量调制的W波段功率合成器,包括金属下腔体1和金属上腔体2、功率放大器芯片6、模拟矢量调制芯片7、钼铜载板8、PCB基板11。
金属下腔体1和金属上腔体2均通过机加工形成波导腔,波导腔中通过机械加工得到W波段3dB波导耦合器3。金属下腔体1和金属上腔体2对外设有波导输入接口4和波导输出接口5,波导输入接口4位于金属下腔体1和金属上腔体2的波导腔右侧端部,波导输出接口5位于金属下腔体1和金属上腔体2的波导腔左侧端部,金属下腔体1和金属上腔体2对扣并通过沉头螺钉孔16紧固后形成完整波导结构,用于信号传输。
射频芯片层包括多个相同的射频链路通道,每个通道包含W波段的模拟矢量调制芯片7、功率放大器芯片6,射频芯片安装在金属凹槽13内,金属凹槽13设计在波导腔中部,金属凹槽13上设置台阶用于安装PCB基板11,PCB基板11包括射频芯片供电电路、模拟矢量调制芯片7的控制电路。
2组W波段3dB波导耦合器3分别位于金属凹槽13的两侧,且以金属凹槽13为轴呈轴对称布置。波导探针9,位于金属凹槽13内,用于射频芯片与波导之间的射频过渡。
W波段射频信号通过波导输入接口4、右侧波导腔进入右侧两级W波段3dB波导耦合器3进行功分后,利用波导探针9分别传输至各通道模拟矢量调制芯片7和功率放大器芯片6,各通道的模拟矢量调制芯片7在PCB基板11的控制电路控制下对通道幅相进行调整,功率放大器芯片6进行功率放大后,再通过波导探针9、左侧波导腔传输至左侧两级W波段3dB波导耦合器3进行功率合成,最后通过波导输出接口5输出至用户端口。
本实施例具有6个W波段3dB波导耦合器3。其中右侧第一级为1个W波段3dB波导耦合器3,第二级为2个W波段3dB波导耦合器3。右侧的W波段3dB波导耦合器3用于将输入信号功率分配。左侧与右侧布置相同。左侧W波段3dB波导耦合器3用于将矢量调制和功率放大后的射频信号进行功率合成。
本发明提供的基于矢量调制的W波段功率合成器,通过PCB基板11上的控制与供电电路改变不同射频通道中W波段模拟矢量调制芯片7的控制电压,调节各个通道的幅度与相位特性,实现功率合成。
本实施例中,金属下腔体1和金属上腔体2均具有沉头螺钉孔16,它们通过沉头螺钉紧固,上下波导腔对接形成完整波导结构,腔体侧面波导输入接口4和波导输出接口5位置分别通过机械加工形成标准金属法兰盘14,如图2所示。
本实施例中,W波段3dB波导耦合器3的隔离端口根据吸收负载15外形进行加工,吸收负载15嵌入隔离端口,吸收负载末段点胶加固。W波段3dB波导耦合器3通道间隔离度优于传统的T型结,减小了通道间耦合带来的相位影响。
本实施例中,波导输入接口4和波导输出接口5采用标准WR-10波导接口,便于与用户接口对接。
本实施例中,金属上腔体2内部的金属凹槽13内可设置吸波材料,起防止射频自激及使射频增益更平坦的作用。
本实施例中,所述PCB基板11采用台阶板样式,安装在金属凹槽13内,PCB基板11上加工出PCB台阶焊盘12,用于低频控制和供电,通过金丝与射频芯片相连接。
本实施例中,为4通道的W波段的模拟矢量调制芯片7进行功率合成,但本发明不受限于该通道数,同样适用于其它通道数情况下的功率合成。
本实施例中,波导探针9为陶瓷基片电路,用于实现微波信号在平面传输和波导传输间的转换过渡,陶瓷基片电路整体焊接于金属凹槽13内。作为本申请另一实施例,射频芯片通过微组装的方式装配在钼铜载板8之上,钼铜载板8具有与射频芯片更加匹配的热膨胀系数,可避免高低温场景中热应力物理破坏射频芯片,并作为一个整体焊接于金属凹槽13内。
作为本申请另一实施例,所述金属下腔体1和金属上腔体2分别设有定位销及对应定位孔,用于保证波导对位,上下腔体通过沉头螺钉紧固。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于矢量调制的W波段功率合成器,其特征在于,包括金属下腔体和金属上腔体、功率放大器芯片、模拟矢量调制芯片、PCB基板、波导探针;
金属下腔体和金属上腔体均具有波导腔,波导腔中通过机械加工得到W波段3dB波导耦合器,金属下腔体和金属上腔体对外设有波导输出接口和波导输入接口,波导输出接口、波导输入接口分别位于金属腔体的两侧,金属下腔体和金属上腔体合称金属腔体,且波导输出接口和波导输入接口均具有通过加工形成的标准金属法兰盘;
射频芯片层包括多个相同的射频链路通道,每个通道包含W波段的模拟矢量调制芯片、功率放大器芯片,射频芯片安装在金属凹槽内,金属凹槽设计在波导腔中部,金属凹槽内设置台阶槽用于安装PCB基板,PCB基板上包括射频芯片供电电路、模拟矢量调制芯片的控制电路;
波导探针,位于金属凹槽内,用于射频芯片与波导之间的射频过渡;
2组W波段3dB波导耦合器分别位于金属凹槽的两侧,金属凹槽两侧的波导腔以金属凹槽为轴呈轴对称布置;
W波段射频信号通过波导输入接口进入右侧多级W波段3dB波导耦合器功分后,利用波导探针分别传输至射频芯片内各通道模拟矢量调制芯片和功率放大器芯片,对通道幅相进行调整、功率放大,再通过波导探针传输至左侧多级W波段3dB波导耦合器进行功率合成。
2.根据权利要求1所述的基于矢量调制的W波段功率合成器,其特征在于,当进行4通道的W波段模拟矢量调制功率合成时,具有6个W波段3dB波导耦合器,其中右侧第一级为1个W波段3dB波导耦合器,第二级为2个W波段3dB波导耦合器,左侧与右侧布置相同。
3.根据权利要求1所述的基于矢量调制的W波段功率合成器,其特征在于,金属下腔体和金属上腔体均具有沉头螺钉孔,沉头螺钉孔通过沉头螺钉紧固,上下波导腔形成完整波导结构。
4.根据权利要求1所述的基于矢量调制的W波段功率合成器,其特征在于,W波段3dB波导耦合器的隔离端口根据吸收负载外形进行加工,吸收负载嵌入隔离端口,吸收负载末段点胶加固。
5.根据权利要求1所述的基于矢量调制的W波段功率合成器,其特征在于,波导输出接口和波导输入接口采用标准WR-10波导接口,并与标准金属法兰盘对接。
6.根据权利要求1所述的基于矢量调制的W波段功率合成器,其特征在于,金属上腔体内部的金属凹槽内设置吸波材料。
7.根据权利要求1所述的基于矢量调制的W波段功率合成器,其特征在于,所述PCB基板采用台阶板样式,PCB焊盘通过金丝与功率放大器芯片及模拟矢量调制芯片相连接,PCB焊盘位于PCB基板上台阶槽内。
8.根据权利要求1所述的基于矢量调制的W波段功率合成器,其特征在于,波导探针为陶瓷基片电路,用于实现微波信号在平面传输和波导传输间的转换过渡。
9.根据权利要求1所述的基于矢量调制的W波段功率合成器,其特征在于,射频芯片通过微组装的方式装配在钼铜载板之上,并作为一个整体焊接于金属下腔体的金属凹槽内。
10.根据权利要求1所述的基于矢量调制的W波段功率合成器,其特征在于,所述金属下腔体和金属上腔体分别设有定位销及对应定位孔,用于保证波导对位。
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