CN117130110B - 一种集成液冷散热的光电转接插座 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种集成液冷散热的光电转接插座，包括自上而下层叠的插座上盖板、插座壳体和插座下盖板，及设置在插座壳体中的功分放大结构；位于插座壳体内部设置有冷却液流通的通道，插座下盖板的上部固定有包含微波光探测器和直调发射组件的光电‑电光转换模块；功分放大结构包括用于对射频电信号进行收发处理的多功能TR芯片。本发明中冷却液流通的通道通过高速流动的冷却液能够携带掉功分放大结构产生的热量，提高了光电转接插座工作的可靠性；光电‑电光转换模块能够实现射频光信号和射频电信号相互转换，有效降低了射频系统的传输损耗,增加了射频信号的传输距离；功分放大结构集成有多功能TR芯片，能够实现了射频系统整体的小型化。
Description
技术领域
本发明属于射频转接系统技术领域，涉及一种集成液冷散热的光电转接插座，可应用于射频信号的转接与控制。
背景技术
射频系统是指各种射频元件和模块组成的系统，通常包括由射频接收模块、射频信号处理器和射频输出模块组成的射频转接插座，以及射频信号传输线、射频开关、射频控制单元等元器件。
射频转接插座负责各种射频信号源与天线之间的信号转接，为保证各个元件的工作可靠性，射频转接插座需要具良好的散热功能；由于整套射频系统安装空间有限，射频转接插座需要尽可能的小型化；在远距离射频信号传输时，射频转接插座需要能够减小射频系统整体的传输损耗。现有射频转接插座为了满足元器件的散热要求，一般通过优化外壳结构和设计散热翅片等自然散热器以尽可能增大散热面积的方式，通过自然对流的形式来散热；在减小整套射频系统的体积上，往往通过将外围电路集成到射频转接插座内部来解决该问题；为了减小射频系统整体的传输损耗，可通过增大在射频信号发射端的增益来实现。例如申请公布号为CN113161705A,名称为“射频转接板及射频转接实现方法”的专利申请，公开了一种射频转接板，包括电路板、两个探针和两个空气腔，其中第二探针连接有包含功率放大器的发射接收TR组件，该组件集成了射频信号发射以及放大的功能，从而减少了射频转接板外围电路的体积；第一空气腔与第二空气腔的设计增大了射频转接板的散热面积，实现了较大功率的散热要求。但该射频转接板仅能实现单一的发射功能，若需要既实现发射功能又实现接收功能，往往依靠外围的控制电路，导致射频系统整体的体积仍然较大；且该转接板采用自然对流散热方式进行散热，不能满足更大功率射频信号传输的要求；同时该转接板的输入端仍然采用射频电信号输入，不能满足更远距离信号传输的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种集成液冷散热的光电转接插座，用于解决现有技术中存在的散热能力较差、功能单一以及射频信号远距离传输损耗大的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括插座上盖板1、插座壳体2、插座下盖板3和功分放大结构4；所述插座上盖板1上设置有N个转接件11，所述插座壳体2的实体内部设置有冷却液流通的通道，通道两端的端口各连接有一个流体连接器接头5；所述功分放大结构4包括超小型推入式连接器SMP接头41、固定在插座壳体2顶部且集成有四个多功能TR芯片的射频功能层42，和固定在插座壳体2底部的包括一分四功分结构的功分电路层43，每个多功能TR芯片包括一个串行通讯COM端口和N/4个射频RF端口；所述SMP接头41的一端与一分四功分结构的COM端口连接，另一端连接有由用于实现光电转换的微波光探测器和用于实现电光转换的直调发射组件组成的光电-电光转换模块7；四个多功能TR芯片的COM端口分别与一分四功分结构的四个RF端口连接，该四个多功能TR芯片的N个RF端口分别与N个转接件11连接。
上述光电转接插座，所述插座上盖板1、插座壳体2和插座下盖板3，均采用轻质合金材料。
上述光电转接插座，所述插座上盖板1，其上设置的N个转接件11呈周期性排列，且周期和数量与射频系统中阵列天线所包含的阵元的排列周期和数量对应，该转接件11采用毛纽扣-SMP转接件结构。
上述光电转接插座，所述插座壳体2，其上表面对应于四个多功能TR芯片导体的位置，和下表面对应于一分四功分结构导体的位置分别设置有用于屏蔽射频电信号的空腔。
上述光电转接插座，所述插座壳体2通过3D打印方式实现，其实体内部设置的冷却液流通通道的数量与射频功能层42中多功能TR芯片的数量相等，且位于多功能TR芯片的下方。
上述光电转接插座，所述多功能TR芯片，在信号发射过程中，用于对射频电信号进行功率再分配、调幅调相、功率放大；在信号接收过程中，用于对射频电信号进行杂波抑制、信号衰减、低噪声放大。
上述光电转接插座，所述一分四功分结构，其每个RF端口与其对应的多功能TR芯片的COM端口通过毛纽扣连接器连接。
上述光电转接插座，所述四个多功能TR芯片，焊接在射频介质基板上，所述一分四功分结构，印制在功分介质基板上。
上述光电转接插座，所述流体连接器接头5，穿过插座下盖板3上设置的通孔，通过流体连接器6与插座壳体2内部设置的冷却液流通通道的端口连接。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明插座壳体的实体内部设置有冷却液流通的通道，通道两端连接的流体连接器接头作为冷却液流通的输入端和输出端，通过强迫冷却液的高速流动从而携带功分放大结构产生的热量，避免了现有技术采用自然对流散热方式导致的散热效果较差的缺陷，提高了射频转接插座工作的可靠性。
2.本发明功分放大结构中集成有实现对射频电信号收发模式控制的多功能TR芯片，减少了射频系统的外围电路，有效降低了整体射频系统的体积。
3.本发明光电-电光转换模块中包含有微波光探测器和直调发射组件，能够实现射频光信号和射频电信号的相互转换，在传输的过程当中可接光纤作为传输线，避免了现有技术采用射频电缆作为传输线导致的射频信号远距离传输损耗较大的缺陷。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图。
图2为本发明实施例中插座壳体的上表面及内部结构示意图。
图3为本发明插座壳体的仰视图。
图4为本发明实施例S参数特性图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
本发明为一种光电转接插座，属于射频转接插座的一种，相比于传统的射频转接插座，可以实现射频信号的接收和发射，且在信号发射过程中可将射频光信号转换为射频电信号，在信号接收过程中可将射频电信号转换为射频光信号。
参照图1，本发明包括自上而下依次层叠的插座上盖板1、插座壳体2和插座下盖板3，以及设置在插座壳体2中的功分放大结构4。插座上盖板1和插座下盖板3分别固定在插座壳体2的上端面和下端面。插座上盖板1、插座壳体2和插座下盖板3，均采用黄铜、可伐合金、不锈钢、铝合金等轻质合金材料，本实施例采用铝合金材料。
插座上盖板1上设置有周期性排布且与功分放大结构4输出端数量相等的多个转接件11；其上设置的多个转接件11的周期和数量，与射频系统中阵列天线所包含的阵元的排列周期和数量对应，本实施例中的阵列天线采用包括周期性排布的16个阵元微带阵列天线，微带阵列天线的周期为天线的半波长，转接件11通过双母头连接器KK接头与微带阵列天线的阵元连接。为了方便检测和维修，转接件11采用毛纽扣转SMP结构形式，也可直接采用毛纽扣直接连接天线。插座上盖板1的四个角上设置有螺纹孔，用于其他部件安装固定，在上下两侧安装有定位销，用来和插座壳体2之间定位。
插座壳体2的结构如图2和图3所示，参照图2，插座壳体的上表面设置有凹槽，凹槽的形状和深度由射频介质基板厚度决定；在凹槽的底平面上设置有12个周期性排布的空腔21，上下两排各四个空腔每个负责屏蔽一个射频输出端信号，中间一排四个空腔大小为上下两排空腔的二倍，每个空腔负责屏蔽两个射频输出端的信号。在凹槽的上下左右设置有安装射频介质基板的螺纹孔22，在插座壳体的四个角上设置有螺纹孔24，用于与其他部件进行安装，在上表面的上下两侧分别设置有定位销孔23，用于和插座上盖板1之间定位。
图2中斜方格部分为实体，该层面上其余部分为冷却液流通通道，通道结构通过将目标函数设计为最小化进、出水口的压降，和最小化热源处的温度均方根的拓扑优化方法得到，通过此种设计方法可以保证冷却液在通道流动过程当中具有最小的阻力以及最佳的温度均匀性，最终通道通过3D打印的方式加工，最终得到的冷却液流通通道有四条，即与射频功能层42中多功能TR芯片的数量相等，四条通道以并联的方式，由进液处主通道和出液处主通道连接起来，且该四条通道分布在多功能TR芯片的下方。经过每个多功能TR芯片中的功率放大器下方，冷却液可以选择纯水、甲醇溶液、乙醇溶液、甲酸钙溶液等，为在室温实现最佳的散热性能，在本实施例中采用纯水作为冷却液。
插座壳体2下表面如图3所示，下表面设置有凹槽，其深度和功分介质基板厚度一致，凹槽底部设置有屏蔽功分电路层43表面导体射频电信号的空腔25，在空腔的下表面上设置有安装功分电路层的螺纹孔29，在壳体中部有四个毛纽扣连接器安装的通孔210，以及安装流体连接器的安装螺纹孔26，在其两边设置有安装流体连接器接头的螺纹孔27。在下表面的四个角处设置有螺纹连接孔28，用于与其他部件进行安装，在上表面的上下两侧分别设置有定位销孔211，用于和插座下盖板3之间定位。
所述插座下盖板3的左右两侧设置有流体连接器6安装的过孔、前后两侧设置有定位销，后侧还设计有供低频控制信号排针和光纤通过的通孔，中间设计有供SMP接头41穿过的过孔以及安装光电转换模块的螺纹孔。
所述插座上盖板1、插座壳体2和插座下盖板3，三者以定位销保证安装精度，通过螺栓连接为一体。
所述功分放大结构4，包括镶嵌在插座壳体2上表面凹槽内的射频功能层42和镶嵌在插座壳体2下表面凹槽内的功分电路层43。在功分电路层43的COM端口安装有SMP接头41，其与光电-电光转换模块7的射频端口通过射频电缆连接，SMP接头41连接方式可采用导电胶水粘接，插接，以及焊接等方式，在本实施例中采用的是焊接的连接方式。功分电路层43的RF端口以垂直互联的形式与射频功能层42上的多功能TR芯片的COM端口连接；垂直互联的形式可以采用焊接排针，毛纽扣连接器等，在本实施例中为了保证结构的可拆卸性，采用毛纽扣连接器的形式安装在插座壳体2中设置的通孔中。功分电路层43可以实现射频信号的功率分配，本实施例中射频信号被分为四路，同时功分电路层43上焊接有负责传输低频控制信号的排针，射频功能层42包含的四个多功能TR芯片，在信号发射过程中可对射频电信号进行功率再分配、调幅调相、功率放大，处理后的射频电信号由多功能TR芯片RF端口输出至微带阵列天线；在信号接收过程当中可对射频电信号进行杂波抑制、信号衰减、低噪声放大，处理后的射频电信号由多功能TR芯片COM端口输入至功分电路层43的RF端口处。本实施例中每个多功能TR芯片各有4个RF端口，多功能TR芯片收发模式切换由排针控制。
射频功能层42和功分电路层43都通过插座壳体2上下表面的螺纹孔，以螺钉的形式固定安装在插座壳体2上。
所述流体连接器接头5，其结构为法兰结构，在左右两侧设计有负责与插座下盖板3安装的螺纹孔，中间为一个中空的圆管，圆管上加工有内外螺纹，内螺纹负责安装流体连接器6，外螺纹负责与外界水管进行连接。
所述流体连接器6，穿过插座下盖板3上设置的通孔，插座壳体2内部设置的冷却液流通通道的端口连接。为保证可拆卸性和维修时的便利性，流体连接器6设计为一对具有外螺纹的连接器，单个连接器具有自密封功能，一个连接器穿过插座下盖板3上设置的通孔与插座壳体2中冷却液流通的通道两端的螺纹孔连接，一个连接器与流体连接器接头5上的螺纹孔连接，在流体连接器接头5与插座下盖板3安装之后，可以实现流体连接器6之间的压紧密封。
所述光电-电光转换模块7，一端连接光纤，可以接收射频光信号，模块内部集成有微波光探测器和直调发射组件，可实现射频光信号和射频电信号的相互转换，转换模式由焊接在功分电路层43上的排针控制，光电-电光转换模块7的射频端口可以为SMA端口，SMP端口，在本实施例中采用SMP端口。光电-电光转换模块7的外壳可采用黄铜，铝合金加工制造，在本实施例中采用黄铜作为其插座壳体材料。光电-电光转换模块7壳体上加工有螺纹孔，螺钉通过插座下盖板3上的通孔将光电-电光转换模块7固定。
本发明的工作原理为：在信号发射过程时，外界激光发射器将射频光信号通过光纤传输至光电-电光转换模块7的光信号端口，其内部微波光探测器将射频光信号处理后以射频电信号的方式转出至射频端口。射频电信号随后进入功分结构4中的功分电路层43的COM端口上连接的SMP接头41，功分电路层43将射频电信号分配为四路，随后以毛纽扣连接器的形式垂直互联至射频功能层42的四个多功能TR芯片上，在四个多功能TR芯片发射链路中经过功率再分配、调幅调相以及功率放大后，由RF端口输出为16路信号，随后通过转接件11，以KK接头与微带阵列天线连接，最终以微波信号的形式被微带阵列天线发射出去。
在接收模式时，外界微波信号被微带阵列天线接收后，通过转接件11进入射频功能层42的四个多功能TR芯片的RF端口，以射频电信号的在多功能芯片接收链路中经过滤波器，衰减器、限幅、低噪声放大器处理之后，由多功能TR芯片的COM端口输出到功分电路层43的四个RF端口上，随后由焊接在功分电路层43COM端口上的SMP接头41，输入到光电-电光转换模块7中的直调发射组件中，在经过直调发射组件的处理之后转为射频光信号传输进光纤中。
在射频电信号通过射频功能层42的多功能TR芯片内部的功率放大器时，会产生热量，为了防止高温引起的光电转接插座可靠性的问题，插座壳体内部设计了冷却液流通的通道，冷却液通过设置在通道两端流体连接器接头5以及流体连接器6进入插座壳体2内部，并在循环泵的驱动下，强迫冷却液的高速流动从而携带功分放大结构产生的热量，避免了现有技术采用自然对流散热方式导致的散热效果较差的缺陷，提高了射频转接插座工作的可靠性。
下面结合测量数据，对本发明的技术效果作进一步说明：
1.实验条件和内容：
使用罗德施瓦茨ZNB20矢量网络分析仪，对本发明反应传输损耗的S参数进行测试，为确保测试结果准确，在对单个信号传输通道进行测试时，需对其他15个通道加载50Ω匹配负载，其结果如图4所示。
2.实验结果分析：
参照图4，横坐标为射频信号频率，纵坐标为传输损耗,图4（a）、图4（b）、图4（c）、图4（d）分别为通道1-4、通道5-8、通道9-12和通道13-16的S参数特性图。
从图中可以看出，十六个信号传输通道端口实测曲线也基本一致，且实测值在整个带宽内的传输系数曲线在-15dB左右分布。整体波动在1dB以内。说明了由于多功能TR芯片的处理，输出信号具有良好的一致性，且传输损耗较小。
以上描述仅是本发明的优选实施方式，并不对本发明构成限制，对于本领域的普通技术人员来说，均可在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，但这些改变均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种集成液冷散热的光电转接插座，包括插座上盖板（1）、插座壳体（2）、插座下盖板（3）和功分放大结构（4）；所述插座上盖板（1）上设置有N个转接件（11），其特征在于：所述插座壳体（2）的实体内部设置有冷却液流通的通道，通道两端的端口各连接有一个流体连接器接头（5）；所述功分放大结构（4）包括SMP接头（41）、固定在插座壳体（2）顶部且集成有四个多功能TR芯片的射频功能层（42），和固定在插座壳体（2）底部的包括一分四功分结构的功分电路层（43），每个多功能TR芯片包括一个COM端口和N/4个RF端口；所述SMP接头（41）的一端与一分四功分结构的COM端口连接，另一端连接有由用于实现光电转换的微波光探测器和用于实现电光转换的直调发射组件组成的光电-电光转换模块（7）；四个多功能TR芯片的COM端口分别与一分四功分结构的四个RF端口连接，该四个多功能TR芯片的N个RF端口分别与N个转接件（11）连接。
2.根据权利要求1所述的光电转接插座，其特征在于，所述插座上盖板（1）、插座壳体（2）和插座下盖板（3），均采用轻质合金材料。
3.根据权利要求1所述的光电转接插座，其特征在于，所述插座上盖板（1），其上设置的N个转接件（11）呈周期性排列，且周期和数量与射频系统中阵列天线所包含的阵元的排列周期和数量对应，该转接件（11）采用毛纽扣-SMP转接件结构。
4.根据权利要求1所述的光电转接插座，其特征在于，所述插座壳体（2），其上表面对应于四个多功能TR芯片导体的位置，和下表面对应于一分四功分结构导体的位置分别设置有用于屏蔽射频电信号的空腔。
5.根据权利要求1所述的光电转接插座，其特征在于，所述插座壳体（2）通过3D打印方式实现，其实体内部设置的冷却液流通通道的数量与射频功能层（42）中多功能TR芯片的数量相等，且位于多功能TR芯片的下方。
6.根据权利要求1所述的光电转接插座，其特征在于，所述多功能TR芯片，在信号发射过程中，用于对射频电信号进行功率再分配、调幅调相、功率放大；在信号接收过程中，用于对射频电信号进行杂波抑制、信号衰减、低噪声放大。
7.根据权利要求1所述的光电转接插座，其特征在于，所述一分四功分结构，其每个RF端口与其对应的多功能TR芯片的COM端口通过毛纽扣连接器连接。
8.根据权利要求1所述的光电转接插座，其特征在于，所述四个多功能TR芯片，焊接在射频介质基板上，所述一分四功分结构，印制在功分介质基板上。
9.根据权利要求1所述的光电转接插座，其特征在于，所述流体连接器接头（5），穿过插座下盖板（3）上设置的通孔，通过流体连接器（6）与插座壳体（2）内部设置的冷却液流通通道的端口连接。
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