CN117097266A - 一种Ku频段可变带宽混频模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微波技术领域，尤其涉及一种Ku频段可变带宽混频模块，混频模块由两个下变频接收通道组成，下变频接收通道包括低噪放单元、混频单元、本振单元和选通滤波单元，天线的回波信号经低噪放单元处理后送入混频单元，将带有调制信息的接收信号与本振单元的输入信号进行相乘，得到频谱线性搬移后的混叠信号，最后通过选通滤波单元得到所需带宽的中频信号。本发明可满足大部分领域系统内部对混频模块的高性能、多功能、匹配性的需求，也同时解决了多变环境下接收机工作效率低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及微波技术领域，尤其涉及一种Ku频段可变带宽混频模块。
背景技术
Ku频段混频模块广泛应用于卫星探测系统、雷达探测系统、干扰机系统、通讯系统等系统领域中。混频模块是接收机的一部分，可作为接收机的射频前端或者射频中端。在目前的系统功能中，大部分接收机只采用一种固定的频段带宽去采集信号，而这种方式会使接收机不具有灵活的接收信号选择性。在接收机工作时，会经常存在不需要检测微弱信号并长时间工作在强幅度信号的环境下，此时，接收机并不需要高灵敏度，且在ADC最大采样率允许的情况下，可增大进ADC前中频信号的带宽，从而可以增大采集数据量。同样的，在需要高灵敏度工作的环境下，可以减小进ADC前中频信号的带宽，用于采集远端或复杂环境下的微弱信号，所以通过带宽的选择可充分利用接收机的工作效率以及增加应用环境场景。
因此，目前对于大部分的Ku频段接收系统，内部的ADC输入信号带宽都是固定的，导致在实际环境应用时，会产生接收工作带宽和接收灵敏度的不充分利用现象，接收机工作效率低。
发明内容
本发明提供了一种Ku频段可变带宽混频模块，目的在于解决上述接收机因不同环境及应用场景下工作效率低的问题。
为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种Ku频段可变带宽混频模块，混频模块由两个下变频接收通道组成，下变频接收通道包括低噪放单元、混频单元、本振单元和选通滤波单元，天线的回波信号经低噪放单元处理后送入混频单元，将带有调制信息的接收信号与本振单元的输入信号进行相乘，得到频谱线性搬移后的混叠信号，最后通过选通滤波单元得到所需带宽的中频信号。
作为本发明的优化方案，混频单元由无源二极管双平衡混频器构成，LO端口输入的本振电压信号和RF端口输入的射频电压信号均通过变压器将单端输入变为平衡输入并进行阻抗变换，再经过二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4组成的环路，最终由IF端口输出。
作为本发明的优化方案，低噪放单元包括依次连接的第一低噪放31、第一数控衰减器32、第二低噪放33、第一镜频带通滤波器34、第三低噪放35、第二镜频带通滤波器36和第二数控衰减器37，通过三级低噪放改变信号与噪声的比值，第一数控衰减器32和第二数控衰减器37均用于增加接收动态范围，第一镜频带通滤波器34和第二镜频带通滤波器36均用于抑制镜像频率以及带外干扰频率。
作为本发明的优化方案，本振单元包括本振隔离器51、本振放大器52和本振滤波器53，外部的载波信号经过本振隔离器51减小信号的反射和减小频率在传输线上特性阻抗的失配后，传输至本振放大器52，本振放大器52放大后的信号由本振滤波器53进行滤波得到本振载波信号。
作为本发明的优化方案，选通滤波单元包括低通滤波器61、第一中频放大器62、均衡器63、第二中频放大器64、温补衰减器65、第三中频放大器66和选通滤波器组67，低通滤波器61用于对混叠信号滤波，第一中频放大器62、第二中频放大器64和第三中频放大器66均用于增强信号的清晰度，所述的均衡器63用于保证带宽信号内带内输出幅度的一致性，温补衰减器65用于保证全温状态下带宽增益的一致性，所述的选通滤波器组67用于解调信号在中频链路位置时，切换所需的解调瞬时带宽。
作为本发明的优化方案，通过射频开关组切换下变频接收通道和校准通道，下变频接收通道为两路，所述的校准通道作为一路下变频接收通道的参考基准。
作为本发明的优化方案，射频开关组包括单片四路PIN管驱动器U101、电阻R127、电阻R108和电阻R110，所述的电阻R127连接在单片四路PIN管驱动器U101的第5引脚和第7引脚之间，控制信号从单片四路PIN管驱动器U101的第2引脚输入，第一路输出控制信号经电阻R108输出，第二路输出控制信号经电阻R110输出。
作为本发明的优化方案，低噪放单元和混频单元分别安装在独立的盒体内，低噪放单元和混频单元通过微波馈通滤波器绝缘子传递信号，选通滤波单元设置有屏蔽罩。
本发明具有积极的效果：1）本发明解决了当前Ku频段接收机在不同工作环境下，对接收信号带宽和幅度选择性单一、不灵活的问题。同时本发明具有优越的性能指标，包括高增益、高动态范围、优异的平坦度、优异的输出信噪比等，可满足大部分领域系统内部对混频模块的高性能、多功能、匹配性的需求，也同时解决了多变环境下接收机工作效率低的问题；
2）本发明模块内部为典型的超外差式接收机设计，ADC的工作瞬时带宽可在模块中切换选择，模块输出中频在3.125GHz的情况下，最大带宽选择可达1.2GHz，对于Ku频段接收机，内部所选ADC采样率至少达2.5Gsps，在不需要二次变频的情况下，直接在第三奈奎斯特区域用欠采样方式，2倍抽取混频模块的输出中频信号，可无失真的从采样信号中恢复出原来的信号。本发明所述的技术方案为接收机系统进ADC前的射频处理部分，目的在于解决目前接收机因不同环境及应用场景下工作效率低的问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的原理框图示意图；
图2是本发明的具体原理示意图；
图3是本发明的电路板结构示意图；
图4是本发明射频开关组的电路原理图；
图5是本发明射频开关组的内部电路原理图
图6是本发明混频器的电路原理图；
图7是Ku频段的隔离度指标图；
图8是Ku频段的增益频率响应图；
图9是Ku频段噪声系数频率响应图。
其中：1、功分器，2、隔离器，31、第一低噪放，32、第一数控衰减器，33、第二低噪放，34、第一镜频带通滤波器，35、第三低噪放，36、第二镜频带通滤波器，37、第二数控衰减器，51、本振隔离器，52、本振放大器，53、本振滤波器，61、低通滤波器，62、第一中频放大器，63、均衡器，64、第二中频放大器，65、温补衰减器，66、第三中频放大器，67、选通滤波器组，7、无源二极管双平衡混频器。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种Ku频段可变带宽混频模块，混频模块由两个下变频的下变频接收通道组成，下变频接收通道包括低噪放单元、混频单元、本振单元和选通滤波单元，天线的回波信号经低噪放单元处理后送入混频单元，将带有调制信息的接收信号与本振单元的输入信号进行相乘，得到频谱线性搬移后的混叠信号，最后通过选通滤波单元得到所需带宽的中频信号。下变频接收通道为双通道接收，配有定标端口，混频模块自身以一路下变频接收通道校准完后进行双通道工作，同时在多台Ku频段可变带宽混频模块作为阵列工作时，其中任何一台都可当作校准模块使用。
混频单元进行接收信号的频谱线性搬移处理，通过把带有调制信号的接收信号与本地不含信息的本振载波信号进行相乘，采用积化和差的方式，进行升频和降频处理，再通过滤波器，把不需要的干扰信号滤除，得到所需频率的混叠信号。由于通过乘积化和差得到的信号幅度会减半，在滤波后信号也会有损耗，此时需要进行相应的信号幅度放大，把带有调制信号的小信号幅度线性放大，最后通过选通滤波单元选择出进ADC前所需带宽的中频信号。
混频器用于在模拟端将带有调制信息的接收信号与本振载波信号做乘法计算，得到相应的混叠频率，混叠出的频率会包含带有相位调制不变的降频信号，低频相对于高频易于ADC在相应的长时钟周期中去准确的采集。本发明采用无源二极管双平衡混频器7（简称混频器），如图6所示，因其自身的电路特点，由于电路的对称性，只要平衡混频器的各个二极管性能一致，变压器完全对称，点A和点a对本振信号而言是虚地点，所以本振信号不会流过RF线圈和中频口；同理，点B和点b对射频信号而言也是虚地点，射频信号不会流过本振线圈，即中频口的负载电流中就没有本振分量也没有射频分量，射频口也不包含本振分量，起到了射频和本振、中频互相之间有着很好的隔离作用，这也就是二极管双混频器的特点。因二极管双平衡混频器电路结构规矩、简单、基本，所以其可靠性和变频损耗相对来说比较优异。选型型号为BW375无源双平衡混频器，其主要隔离度指标如图7所示。
如图6所示，混频单元由无源二极管双平衡混频器构成，LO端口输入的本振电压信号和RF端口输入的射频电压信号均通过变压器将单端输入变为平衡输入并进行阻抗变换，再经过二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4组成的环路，最终由IF端口不平衡输出。原理如下：
本振信号一般是大信号，射频信号一般是小信号，因而当大幅度的本振信号施加到电路后，在正半周，二极管D1、二极管D2导通，本振信号VLO直接施加到负载上；在负半周，二极管D3、二极管D4导通，射频信号VRF施加到负载上，所以VIF输出为VLOCOSwLO(t)*VRFCOSwRF(t)，其中COSwLO(t)为重复频率为WLO的开关函数，COSwRF(t)为重复频率为WRF的开关函数，且VLO＞＞VRF，这恰好实现一个双平衡混频器的功能。这种混频器主要用于调制和解调，这是由于调制解调在模拟端必须是线性的，线性可以用乘法器实现，而无源二极管双平衡混频器恰好实现乘法功能。
如图2所示，低噪放单元包括依次连接的第一低噪放31、第一数控衰减器32、第二低噪放33、第一镜频带通滤波器34、第三低噪放35、第二镜频带通滤波器36和第二数控衰减器37，通过三级低噪放改变信号与噪声的比值，第一数控衰减器32和第二数控衰减器37用于增加接收动态范围，第一镜频带通滤波器34和第二镜频带通滤波器36用于抑制镜像频率以及带外干扰频率。
第一低噪放31、第二低噪放33和第三低噪放35直接影响整个接收机的信号与噪声的比值，噪声越低信号展现的越清晰，采集的信号解调越准确。低噪放关键性指标为增益和噪声系数，第一低噪放31、第二低噪放33和第三低噪放35的低噪放增益为为18dB噪声系数为1.8dB，为补偿进混频器前的信号幅度，采用三级低噪放，经过系统仿真计算，整个接收机噪声系数结果为4.02dB，实际模块测试结果为4.5dB。其Ku频段的增益频率响应和Ku频段噪声系数频率响应如图8和9所示。
第一数控衰减器32用于增加接收动态范围，在ADC接收的信号达到设置的满幅量程后，可通过检波反馈去调节前端衰减器，降低进入ADC的信号幅度值，让其正常采集信号，增加接收功率范围，第一数控衰减器32采用了63dB的衰减，保证至少60dB以上的线性输入动态。
第一镜频带通滤波器34和第二镜频带通滤波器36用于抑制镜像频率以及带外干扰频率，超外差式接收机存在与接收频率互为镜像关系的假信号频率，此频率同样能与本振信号做乘法，而得到同样中频频率的假信号，若镜像干扰频率正好携带调制信息，则会叠加或抵消在所需接收信号的调制信息上，干扰整个接收机对有用信号的正确采集。采用目前较为先进的薄膜滤波器，其带外抑制高、相位波动稳定、尺寸小、工艺难度成本大，经实际测试，其在偏离信号边带1GHz的近端位置抑制可达55dBc以上。
在Ku频段可变带宽混频模块中还设置了功分器1，功分器1的功能作用是用于提供两通道校准以及提供两通道公用本振，除了常规指标外，选型指标还需要考虑功分器1两路的相位需一致，不能有相位变换。在进入低噪放单元之前还设置了隔离器2，下变频接收通道和校准通道均设置了隔离器2，主要功能是减少通道间干扰，减小信号的反射，减少信号在传输线之间的阻抗失配，其主要指标为反向隔离度，其直接影响信号在链路间的有效传递和相互干扰。
本振单元包括本振隔离器51、本振放大器52和本振滤波器53，外部的载波信号经过本振隔离器51减小信号的反射和减小频率在传输线上特性阻抗的失配后，传输至本振放大器52，本振放大器52放大后的信号由本振滤波器53进行滤波得到本振载波信号。
本振滤波器53用于本地振荡信号的滤波，本地振荡信号只作为一个载波信号源，用于和调制信号相乘，得到混叠信号，其不能携带任何调制信号，所以本地振荡信号必须是一个不带任何杂波频率、单频点、相位噪声要求非常低的连续波信号。
本振放大器52，本振信号与接收调制信号相乘，信号一直混叠，幅度会一直减半，为了让其混叠出较多明显阶数的混叠信号，通常本振信号幅度需清晰，自身的杂散和干扰噪声信号需很小，若波形幅度不干净、不明显清晰，则其在多次混叠后，则会发生本振频率周围的杂散与接收信号混叠出别的杂波信号。
本振隔离器51，如上所述关于本振信号的重要性，因此为了减小信号的反射，减小频率在传输线上特性阻抗的失配，需要增加一个隔离器，减小信号的来回反射，提高本振信号的可靠稳定性。
选通滤波单元包括低通滤波器61、第一中频放大器62、均衡器63、第二中频放大器64、温补衰减器65、第三中频放大器66和选通滤波器组67，低通滤波器61用于对混叠信号滤波，第一中频放大器62、第二中频放大器64和第三中频放大器66均用于增强信号的清晰度，均衡器63用于保证带宽信号内带内输出幅度的一致性，温补衰减器65用于保证全温状态下带宽增益的一致性，选通滤波器组67用于解调信号在中频链路位置时，切换所需的解调瞬时带宽。
低通滤波器61用于混频后滤出低频信号，抑制带外高频干扰信号，其对带外高频信号的杂散抑制越高，采集到的低频信号就越清晰，越能准确识别并解调信号。
第一中频放大器62、第二中频放大器64和第三中频放大器66，其主要作用是增加信号的清晰度，用于接收动态范围，一般设计是将中频信号幅度增加到ADC的最大满量程输入，再通过控制前端衰减去减小ADC输入的幅度值，使其一直保持在ADC输入量程范围内，增加采集的动态范围。
均衡器63，在中频上用均衡器主要是考虑到模拟增益放大器对较宽信号不同频率的放大增益的差别，这会直接影响接收机对宽带信号输出幅度的一致性，若宽带信号带内输出幅度差别太大，会增加ADC采集信号的复杂性，需用不同量程和有效位数去抽取采集一个带宽内的不同周期频率的大信号和小信号。
温补衰减器65的作用类似于均衡器，模拟增益放大器在低温时的增益高于高温时的增益，因此为了补偿高温时增益的下降，会在中频链路上增加温补衰减器，保证全温状态下宽带增益的一致性。
选通滤波器组67用于解调信号在中频链路位置时，切换所需的解调瞬时带宽用，采用了两个带宽选通，最大带宽可达1.2GHz，窄带带宽为600MHz，宽带用于调制较大信息量时使用，窄带用于较高接收灵敏度时使用。
通过射频开关组切换下变频接收通道和校准通道，下变频接收通道为两路，校准通道作为一路下变频接收通道的参考基准。
如图4所示，射频开关组包括单片四路PIN管驱动器U101、电阻R127、电阻R108和电阻R110，电阻R127连接在单片四路PIN管驱动器U101的第5引脚和第7引脚之间，控制信号从单片四路PIN管驱动器U101的第2引脚输入，第一路输出控制信号经电阻R108输出，第二路输出控制信号经电阻R110输出。
低噪放单元和混频单元分别安装在独立的盒体内，低噪放单元和混频单元通过微波馈通滤波器绝缘子传递信号，选通滤波单元设置有屏蔽罩。
为了减小信号之间的串扰影响和阻抗失配，在模块内部采用主要功能单独盒体的电路设计，如图3所示，混频和中频放大单独设计成一个盒体，最后安装在模块内部，通过微波馈通滤波器绝缘子传递信号，可减小混频后的杂散信号进入中频链路进行混叠放大。切换带宽的选通滤波器组也为独立的带有屏蔽罩，减小信号之间的串扰，保证所选带宽内信号的可靠稳定。
本发明自带通道校准功能，控制信号为一路TTL电平控制，高电平时为下变频接收通道，低电平时为校准通道，如图4所示，当下变频接收通道高电平控制信号来时，T101输出高电平，T127输出低电平，控制输入信号的射频开关到下变频接收通道。当保持为低电平输入时，T101输出低电平，T127输出高电平，控制输入信号的射频开关到校准通道。所选控制器内部原理图如图5所示，内部包含两个驱动器，TTL从IN1输入，IN2悬空，输入输出同相。TTL从IN2输入，IN1接Vee，输入与输出反相。若去掉RP、RN，输出电流±40～50mA。外接且调节RP，RN的阻值，可增加输出电流。TTL信号同时进入两驱动器输入脚时，OUT1和OUT2则为互补输出。因此，通过此特性可一路信号控制下变频接收通道与校准通道的切换，增加控制口的利用率。
本发明的工艺实现如下所述，该工艺方法可进一步实现模块的工作可靠性。
工艺设计立足于现有设备，充分利用粘接、键合、焊接、表面涂敷、表面贴装、微电子技术等方面的传统工艺优势；整合社会相关专业的优质资源；采用标准刀具和现有的工装，减少专用刀具、工装的数量，提高工艺装备的继承性和使用性，简化工艺过程，降低生产成本，实现生产过程的优质、高产、低耗。
模块壳体由锻铝材料制成，采用了常规的正面微波，背面微波和驱动混合布局形式。采用常规的混合微电路组装的装配工艺方法。
组件的微波部分在介质板和壳体间附加有衬板，衬板为铜镀金的形式，热膨胀参数介于铝制机壳和芯片之间，同时还有优良的导热特性，确保该产品微波面质量可靠。
组件粘接工艺是采用导电胶粘接微波板、衬板和芯片至机壳中，所选用的导电胶具有较高的粘接剪切强度和导热导电性能，可以满足组件的可靠性要求。微波芯片连接金丝的Bonding采用进口键合机进行热超声键合。
装配工艺采用温度梯度递减型方式进行，先把温度最高的信号端子与板材以及连接器烧结到壳体后，再进行纳米级芯片烧结到壳体，最后进行相应的表面塑封器件贴片焊接，在调测验证完成后，最后进行相应的表面螺钉紧固和激光封盖。 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种Ku频段可变带宽混频模块，其特征在于：所述的混频模块由两个下变频接收通道组成，下变频接收通道包括低噪放单元、混频单元、本振单元和选通滤波单元，天线的回波信号经低噪放单元处理后送入混频单元，将带有调制信息的接收信号与本振单元的输入信号进行相乘，得到频谱线性搬移后的混叠信号，最后通过选通滤波单元得到所需带宽的中频信号。
2.根据权利要求1所述的一种Ku频段可变带宽混频模块，其特征在于：所述的混频单元由无源二极管双平衡混频器构成，LO端口输入的本振电压信号和RF端口输入的射频电压信号均通过变压器将单端输入变为平衡输入并进行阻抗变换，再经过二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4组成的环路，最终由IF端口输出。
3.根据权利要求2所述的一种Ku频段可变带宽混频模块，其特征在于：低噪放单元包括依次连接的第一低噪放31、第一数控衰减器32、第二低噪放33、第一镜频带通滤波器34、第三低噪放35、第二镜频带通滤波器36和第二数控衰减器37，通过三级低噪放改变信号与噪声的比值，所述的第一数控衰减器32和第二数控衰减器37均用于增加接收动态范围，所述的第一镜频带通滤波器34和第二镜频带通滤波器36均用于抑制镜像频率以及带外干扰频率。
4.根据权利要求3所述的一种Ku频段可变带宽混频模块，其特征在于：所述的本振单元包括本振隔离器51、本振放大器52和本振滤波器53，外部的载波信号经过本振隔离器51减小信号的反射和减小频率在传输线上特性阻抗的失配后，传输至本振放大器52，本振放大器52放大后的信号由本振滤波器53进行滤波得到本振载波信号。
5.根据权利要求4所述的一种Ku频段可变带宽混频模块，其特征在于：所述的选通滤波单元包括低通滤波器61、第一中频放大器62、均衡器63、第二中频放大器64、温补衰减器65、第三中频放大器66和选通滤波器组67，低通滤波器61用于对混叠信号滤波，第一中频放大器62、第二中频放大器64和第三中频放大器66均用于增强信号的清晰度，所述的均衡器63用于保证带宽信号内带内输出幅度的一致性，温补衰减器65用于保证全温状态下带宽增益的一致性，所述的选通滤波器组67用于解调信号在中频链路位置时，切换所需的解调瞬时带宽。
6.根据权利要求5所述的一种Ku频段可变带宽混频模块，其特征在于：通过射频开关组切换下变频接收通道和校准通道，下变频接收通道为两路，所述的校准通道作为一路下变频接收通道的参考基准。
7.根据权利要求6所述的一种Ku频段可变带宽混频模块，其特征在于：所述的射频开关组包括单片四路PIN管驱动器U101、电阻R127、电阻R108和电阻R110，所述的电阻R127连接在单片四路PIN管驱动器U101的第5引脚和第7引脚之间，控制信号从单片四路PIN管驱动器U101的第2引脚输入，第一路输出控制信号经电阻R108输出，第二路输出控制信号经电阻R110输出。
8.根据权利要求7所述的一种Ku频段可变带宽混频模块，其特征在于：低噪放单元和混频单元分别安装在独立的盒体内，低噪放单元和混频单元通过微波馈通滤波器绝缘子传递信号，选通滤波单元设置有屏蔽罩。
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