CN204101722U - 一种微波源高频头装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种微波源高频头装置，包括本振单元、预调制单元、发射单元、接收单元、电源单元；本振单元包括阻尼减振器和设置在屏蔽盒中的推推式谐波介质振荡器；阻尼减振器包括约束层和阻尼层；约束层内设有空腔，上底面设有通孔；阻尼层由圆台形的减震垫构成；屏蔽盒体的下端沿侧壁的周向设置凸起；屏蔽盒穿过通孔并设置于空腔中；减震垫均匀分布于屏蔽盒下底面与约束层之间，以及凸起的上、下底面与约束层之间。本实用新型提供的微波源高频头装置稳定性强、使用周期长、隔振效果好。

Description

一种微波源高频头装置

技术领域

本发明属于毫米波技术领域，具体涉及一种微波源高频头组合装置。 

背景技术

毫米波射频收发装置在雷达系统、电子对抗、毫米波通信、遥感遥测、医疗保健、国土资源探测，矿产分布，海岸线警戒等多个领域有着广泛的应用,随着空中飞行器导引头技术的发展,不断地对毫米波收发组件提出了小型化、高性能的要求。尤其是通信系统能够全天候、全气象条件正常工作对微波系统的稳定性和环境适应性提出了更高的要求，而频率源组件的性能则是其中的重中之重。 

微波源高频头组合作为毫米波雷达的射频部分，是毫米波雷达的关键设备之一。用途是产生发射机所需的激励信号及其他信号，同时对天线接收的有用信号进行三通道模拟处理。具有低功耗、小型化高集成、低相噪高稳定、多种时序的快速切换的特点。但是现有的微波源高频头具有以下问题：第一，减震器减震效果不好，不能很好的过滤作用于截至振荡器上的能量，本振信号频谱具有明显的恶化；第二，振荡电路的设计和参数的运用不理想，产生的震荡信号相位噪声高。 

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本实用新型提供一种稳定性强、使用周期长、隔振效果好的微波源高频头组合装置。 

一种微波源高频头组合装置，包括本振单元、预调制单元、发射单元、接收单元、电源单元，本振单元分别与预调制单元和接收单元一端连接，预调制单元另一端与发射单元连接，发射单元与接收单元另一端连接，电源单元为本振单元、预调制单元、发射单元、接收单元提供工作电流，本振单元包括阻尼减振器和设置在屏蔽盒中的推推式谐波介质振荡器；阻尼减振器包括约束层和阻尼层；约束层内设有空腔，上底面设有通孔，通孔的尺寸小于空腔的尺寸；阻尼层由圆台形的减震垫构成；屏蔽盒包括设有空槽的屏蔽盒体和盖在空槽上的上盖板；屏蔽盒体的下端沿侧壁的周向设置凸起；屏蔽盒穿过通孔并设置于空腔中；减震垫均匀分布于屏蔽盒下底面与约束层之间，减震垫上底面与屏蔽盒接触，下底面与约束层接触；减震垫均匀分布于凸起的上、下底面与约束层之间，减震垫上底面与凸起接触，下底面与约束层接触。 

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：第一，阻尼减振器由约束层和阻尼层两部分组成，其中约束层可以限制振荡器所在屏蔽盒的位移空间，阻尼层对振源产生的机械波进行隔离，减小作用于介质振荡器上的能量；第二振荡电路优化设计，使得输出Ku波段信号相位噪声小于-105dBc/Hz10kHz。 

下面结合说明书附图详细说明本实用新型提供的微波源高频头装置。 

附图说明

图1为本实用新型系统原理框图； 

图2为本实用新型屏蔽盒体的结构示意图； 

图3(a)为上盖板主视图，图3(b)为上盖板左视图； 

图4为阻尼减振器与屏蔽盒的组合结构示意图； 

图5为本实用新型介质振荡器原理图； 

图6(a)为介质振荡器结构图，图6(b)为介质振荡器耦合网络仿真图； 

图7为本实用新型介质振荡器带阻滤波器仿真图； 

图8为本实用新型介质振荡器谐波提取电路仿真图； 

图9为本实用新型阻尼减振器受力示意图； 

图10为本实用新型本振单元原理框图； 

图11为本实用新型预调制单元原理框图； 

图12为本实用新型接收单元原理框图； 

图13为本实用新型发射单元原理框图。 

具体实施方式

一种微波源高频头装置，包括本振单元、预调制单元、发射单元、接收单元、电源单元，本振单元分别与预调制单元和接收单元一端连接，预调制单元另一端与发射单元连接，发射单元与接收单元另一端连接，电源单元为本振单元、预调制单元、发射单元、接收单元提供工作电流，其特征在于，本振单元包括阻尼减振器和设置在呈阶梯式圆柱体的屏蔽盒2中的推推式谐波介质振荡器； 

结合图2和图3(a)和图3(b)，屏蔽盒2包括设有空槽2-12的屏蔽盒体2-1和盖在空槽上的上盖板2-2；屏蔽盒体2-1呈立方体，屏蔽盒体2-1至少在两个相对的侧壁下端设置凸起2-11，优选沿侧壁的周向设置一圈凸起2-11；凸起2-11包括上底面和下底面，凸起2-11的下底面与屏蔽盒体2-1的下底面处于同 一个平面。屏蔽盒体选用铜一次成型，最优选择为牌号为H62的黄铜。上盖板2-2呈圆柱形且径向直径与屏蔽盒体上端圆柱形径向直径相同，上盖板2-2使用螺钉与屏蔽盒体2-1连接，因此上盖板2-2最容易在振动中发生形变和抖动对腔体内场分布造成影响，所以对上盖板2-2进行了力学优化设计， 

上盖板2-2近似于四边固定的矩形薄板模型，其固有频率为： 

$\mathrm{\ω}=\frac{\sqrt{\frac{63}{2}(1+\frac{4a^2}{{7b}^2}+\frac{a^4}{b^4})}}{2a}\sqrt{\frac{D_0}{\mathrm{\ρh}}}$

式中a、b、h分别为薄板的长度、宽度和厚度，D₀为材料的抗弯刚度，ρ为材料的密度，D₀的计算公式为： 

$D_0=\frac{{\mathrm{Eh}}^3}{12(1-{\mathrm{\μ}}^2)}$

式中E为材料的弹性模量，μ为材料的泊松比。通过对几种常用的板材进行对比，最终选择牌号为LY12的铝作为上盖板2-2的材料。同时，为了进一步的提高上盖板2-2的固有频率、减小受力后的形变量，在原有厚度的上盖板2-2的上底面增加一个十字交叉形加强结构2-21。 

结合图4，阻尼减振器包括约束层1和阻尼层。约束层1呈立方体，内设有立方体空腔1-1，上底面设有矩形的通孔1-2，通孔1-2与屏蔽盒体[2-1]的上底面呈相似矩形，通孔1-2的长小于空腔1-1的长，通孔1-2的宽小于空腔1-1的宽；约束层1的功能是限制物体的位移空间，其材料为铝、铁、铜等金属；阻尼层由圆台形的减震垫3构成，其数量由屏蔽盒2下底面的直径和屏蔽盒2的台阶上表面面积决定；每个减震垫3的高度为3mm，斜度为70°-80°。阻尼层的功能是对振源产生的机械波进行隔离，减小作用于介质振荡器上的能量，制作减震垫3的材料为硅凝胶。 

在工作时，屏蔽盒2下端穿过通孔1-2并设置于空腔1-1中；减震垫3均匀分布于屏蔽盒2下底面与约束层1之间，减震垫3上底面与屏蔽盒2接触，下底面与约束层1接触；减震垫3均匀分布于凸起2-11的上、下底面与约束层1之间，减震垫3上底面与凸起2-11接触，下底面与约束层1接触；每相邻的两个减震垫3的中心间距为5mm。 

结合图9，当阻尼层受到压力时，其侧面会向外延展，形成外凸圆弧结构，将一部分向上的激振能量转换为减振结构的弹性势能，另外一部分能量由于减振 结构中分子的摩擦转化为热能耗散；当阻尼层受到拉力时，其侧面会向内凹陷，同样形成内陷圆弧结构，将一部分向上的激振能量转换为减振结构的弹性势能，另外一部分能量怎由于减振结构中分子的摩擦转化为热能耗散。当力的方向转换时，原本受到压力的阻尼层变为受到拉力，较大的形变带来大量的能量耗散，有效的降低了外界激振能量传送至被振件的比例。同时由于被振件有阻尼活动空间，通过增加自身在减振结构内的相对位移减小受到的冲击力，达到了良好的减振效果。 

推推式谐波振荡器置于屏蔽盒2中，为了降低屏蔽盒壁在各种环境因素下生微小形变对谐振腔内场分布的影响，屏蔽盒体的四周距离介质谐振器的中心最小距离为介质谐振器半径的1.5倍，屏蔽盒2上盖板距离介质谐振器的距离约为介质谐振器高度的2.5倍。 

推推式谐波介质振荡器由介质谐振器、石英支柱、两个晶体三极管、两条基极微带线、两条集电极微带线组成反射式振荡电路；介质谐振器的相对介电常数为26、在8GHz的无载Q值为16000；石英支柱位于介质谐振器下方，厚度为0.8mm；第一基极微带线4-1一端与电阻R1相匹配，另一端与第一晶体三极管5-1的基极连接；第一晶体三极管5-1的集电极分别与第一λ/4分支节7-1和特征阻抗Z1一端连接；第一晶体三极管5-1的发射极与第一带阻滤波器6-1连接；第二基极微带线4-2一端与电阻R2相匹配，另一端与第二晶体三极管5-2的基极连接；第二晶体三极管5-2的集电极分别与第二λ/4分支节7-2和特征阻抗Z2一端连接；第二晶体三极管5-2的发射极与第二带阻滤波器6-2连接；特征阻抗Z1、Z2的另一端与与特征阻抗Z3一端连接，特征阻抗Z3另一端分别与预调制单元和接收单元连接。 

特征阻抗Z1和Z2的取值均为100Ω，特征阻抗Z3的去只为50Ω，电阻R1和R2的阻值为10Ω。 

介质谐振器为超高品质因数(Q值)的介质谐振器，其相对介电常数为26，在8GHz的无载Q值为16000。为了使介质谐振器在振荡系统中有足够高的Q值且获得较大的耦合系数，需要在介质谐振器下方增加厚度为0.8mm的石英支柱。通过HFSS对介质谐振器的反馈网络进行了建模仿真，建模及仿真结果图如图6(b)所示，进过多次的优化，得出最优化结果，介质谐振器边缘应与基极微带 线的内侧重合，此时介质谐振器的反馈网络功率传输系数为约-1.5dB。 

晶体三极管为截止频率为10GHz的双极硅晶体三极管，由于其低频转角频率较好，振荡器最容易通过其产生超低的近载频相位噪声，设计中可以通过谐波提取电路可以使其在Ku波段高端工作。同时为了抑制双极晶体管的散弹噪声对振荡器相位噪声的影响、尽可能将低晶体三级管的噪声系数，根据最小噪声系数模型公式： 

$F_{\min }=1+h(1+\sqrt{1-\frac{2}{h}}),h=0.04I_c{R}_b{\left(\frac{f}{f_T}\right)}^2$

其中Ic为晶体管集电极电流，Rb为基极电阻，fT是偏移载频的频率。设计偏置电路时使其工作于小电流模式，采用集电极与基极同时供电的混合偏置方式，单管芯电流为15mA。 

由于反射式振荡电路中电路结构对振荡器整体的频率温度系数影响不明显，设计时对谐振腔体的温度系数进行补偿，介质谐振器的温度系数选择为+1ppm/℃，此时振荡器的输出信号频率稳定度约为0.6ppm/℃。 

振荡电路基板选用相对介电常数为9.9、厚度为0.508mm、纯度为99.6％的Al2O3陶瓷。为了优化三极管的噪声系数和振荡电路的起振条件，在三极管的发射极与地之间加入一微带型带阻滤波电路，利用ADS对微带型带阻滤波器进行仿真优化，得出如图7所示的结果。 

谐波提取电路的完成谐波提取、输出匹配的功能，直接影响到推推式谐波振荡器的性能，通过仿真优化使得谐波提取电路两端口的相位差phase13接近180°，其中phase13为谐波提取电路端口1到端口3的相位。提高电路对奇次模的抑制度，优化相位噪声；使得S11尽量小，抑制高次模寄生振荡，S11为端口1的回波损耗；使得S13的值尽量大以提高合成的效率，其中谐波提取电路拥有三个端口，第一个端口和第二个端口为输入端口，第三个端口为输出端口，S13为谐波提取电路端口1至端口3的损耗。在设计中使用了ADS对谐波提取电路进行了优化设计，但是在电路优化的过程中发现phase13和S11的值无法同时达到理想状态，考虑到phase13对整体振荡系统性能的影响要远大于S13，因此在优化设计时将phase13设置为高权重，得到图8的仿真结果。 

本振单元介质振荡器产生本振信号，通过放大器、功分器，将本振信号分为接收本振、发射本振和本振参考信号输出。结合图10，推推式谐波介质振荡器 产生本振信号后传递给第一隔离器，隔离后的信号传输给第一带通滤波器进行滤波，滤波后的信号传输给第一放大器进行信号放大，放大后的信号传输给第一功分器后分为两路信号，一路通过第二隔离器的隔离生成本振参考信号，另一路放大信号通过第二功分器又分为两路，一路通过第三隔离器后传输至接收单元，另一路信号通过第四隔离器后产生VS信号传输至第一双工器，此时中频信号IF经过第一2db衰减器也传输至第一双工器，第一双工器发射的信号传输至预调制单元。 

预调制单元主要实现发射中频信号的上变频、滤波、放大、预调制产生发射驱动信号，同时在高速方波信号的作用下产生自校信号。结合图11，来自本振单元的中频信号IF经过第二放大器放大后的信号经过第一3db衰减器，产生的信号传输至调制器，此时，高速调制脉冲TB经过驱动器也传输至调制器，调制器将两路信号传至第一中频桥后传输至第一谐波混频器；来自本振单元的VS信号经过第三放大器后也传输至第一谐波混频器，第一谐波混频器将两路信号混频后经过第二3db衰减器后传输至第二带通滤波器滤波，随后传输至第四放大器，放大后的信号传输至10db耦合器后分为两路信号，一路信号Fc传输至发射单元，另一路信号传输第一至高速PIN开关，此时，控制脉冲KFA传输至第一高速PIN开关，随后信号经过三级级联的单刀单掷高速PIN开关，在高速方波信号的作用下产生自校信号，后传输至第五放大器放大后产生13db的自校信号fa。第二带通滤波器选用切比雪夫函数形式的波导滤波器用于滤除上变频之后产生的多余频率分量，对本振抑制优于55dB、对2倍本振频率抑制优于40dB。 

发射单元主要是将上变频产生的驱动信号放大至满足发射机需要的电平，并功分一部分信号检波输出。结合图12，Fc信号经过第六放大器放大后传输至第二功分器分成两路信号，一路信号依次经过第二3db衰减器、检波器、低通滤波器、运算放大器后产生检波脉冲FT；另一路信号传输至第二2db衰减器，衰减过后的信号传输至第二高速PIN开关(调制脉冲TB2也传输至第二高速PIN开关)后传输至第七放大器，放大后的信号传输至功率放大器，此时高速调制脉冲TB3经过功放电源也传输至功率放大器，放大后的信号传输至环行器后将信号发射，同时天线接收到的反馈信号经过环行器传输至接收单元。功率放大器输出的脉冲上升/下降沿控制在5ns之内。检波器为视频阻抗接近50欧姆的隧道管，配 合高速运算放大器对发射支路功分一路信号进行处理，检波输出信号上升/下降沿优于10ns。在电源输入端加稳压电路，提高电压转换效率，减小外部电源的电压变化对内部各模块影响。同时电源输入端的π型滤波网络以及各支路电源之间的隔离可以有效抑制低频信号对射频电路的干扰，带内杂散优于70dBc。 

接收单元完成开关保护、镜像抑制混频、前中放大、本振倍频放大及功率分配等功能。结合图13，来自本振单元的信号依次经过第三3db衰减器、第三高速PIN开关(控制脉冲T1也传输至该开关)、第八放大器后，传输至第三功分器后分为三路，分别传输至第九放大器、第十放大器和第十一放大器；接收单元的三个接收端口；其中第一接收端口接收到毫米波脉冲信号Dz信号，Dz信号依次经过第五隔离器和第一保护开关(调制脉冲TP传输至该开关)后，与第九放大器传出的信号在第一谐波镜像混频器混频；第二接收端口接收到毫米波脉冲信号Dy信号，Dy信号依次经过第六隔离器和第二保护开关(调制脉冲TP传输至该开关)后，与第十放大器传出的信号在第二谐波镜像混频器混频；第三接收端口接收发射单元发出的信号经过第三保护开关(调制脉冲TP传输至该开关)后与第十一放大器在第三谐波镜像混频器混频；在第一谐波镜像混频器混频将混频后的信号传输至第二中频桥，再依次经过第一中频放大器和第四3db衰减器输出中频信号；在第二谐波镜像混频器混频将混频后的信号传输至第三中频桥，再依次经过第二中频放大器和第五3db衰减器输出中频信号；在第三谐波镜像混频器混频将混频后的信号传输至第四中频桥，再依次经过第三中频放大器和第六3db衰减器输出中频信号。所产生的中频信号传输至信号处理单元进行数据处理。其中，谐波镜像混频器采用谐波镜像抑制混频器，配合90°电桥本单元可以实现镜像抑制指标达到20dB；保护开关采用GaAs二极管并联电路形式，利用GaAs器件的高速特性可实现前后沿小于5ns，隔离度优于30dB，承受功率可达1W以上，可以避免因和路发射功率的泄漏对接收机造成的损伤。 

电源及控制单元完成各个单元模块之间的电源隔离；电压变换，提供各路有源器件的合适工作电压；产生各种驱动控制信号。对每个单元单独供电，互相之间必须采取去耦处理，达到了较好的电源隔离效果。对不同频率采用不同的LC滤波电路对泄漏进行去耦处理，实现了各级放大电路之间的高隔离；脉冲产生网络采用高速度的PIN驱动器，将外部TTL脉冲进行整形，对各开关控制信号进 行脉冲控制，可以确保开关控制时间小于5ns，延时小于50ns，温度下变化量小于10ns。 

表1为本发明主要技术指标的测试结果 

表1主要技术指标的测试结果 

Claims (8)

1.一种微波源高频头装置，包括本振单元、预调制单元、发射单元、接收单元、电源单元，本振单元分别与预调制单元和接收单元一端连接，预调制单元另一端与发射单元连接，发射单元与接收单元另一端连接，电源单元为本振单元、预调制单元、发射单元、接收单元提供工作电流，其特征在于，本振单元包括阻尼减振器和设置在屏蔽盒[2]中的推推式谐波介质振荡器；

阻尼减振器包括约束层[1]和阻尼层；约束层[1]内设有空腔[1-1]，上底面设有通孔[1-2]，通孔[1-2]的尺寸小于空腔[1-1]的尺寸；阻尼层由圆台形的减震垫[3]构成；

屏蔽盒[2]包括设有空槽[2-12]的屏蔽盒体[2-1]和盖在空槽上的上盖板[2-2]；屏蔽盒体[2-1]至少在两个相对的侧壁下端设置凸起[2-11]；上盖板[2-2]与屏蔽盒体[2-1]固定连接；

屏蔽盒[2]穿过通孔[1-2]并设置于空腔[1-1]中；减震垫[3]均匀分布于屏蔽盒[2]下底面与约束层[1]之间，减震垫[3]上底面与屏蔽盒[2]接触，下底面与约束层[1]接触；减震垫[3]还均匀分布于凸起[2-11]的上、下底面与约束层[1]之间，减震垫[3]上底面与凸起[2-11]接触，下底面与约束层[1]接触。

2.根据权利要求1所述的微波源高频头装置，其特征在于，推推式谐波介质振荡器的参数包括：

介质谐振器的相对介电常数为26，在8GHz的无载Q值为16000，反馈网络功率传输系数为-1.5dB，温度系数为+1ppm/℃；

介质谐振器边缘与耦合微带线的内侧重合；

介质谐振器下方石英支柱的厚度为0.8mm；

晶体三极管为截止频率为10GHz的双极硅晶体三极管；

振荡电路基板选用相对介电常数为9.9、厚度为0.508mm、纯度为99.6％的Al2O3陶瓷；

谐波提取电路两端口的相位差phase13为180°，其中phase13为谐波提取电路端口1到端口3的相位；

推推式谐波介质振荡器的输出信号频率稳定度为0.6ppm/℃。

3.根据权利要求1所述的微波源高频头装置，其特征在于，屏蔽盒体[2-1]每个侧壁下端沿侧壁的周向设置凸起[2-11]。

4.根据权利要求1或3所述的微波源高频头装置，其特征在于，屏蔽盒体[2-1]呈立方体，其内壁距离介质谐振器的中心最小距离为介质谐振器半径的1.5倍，上盖板[2-2]距离介质谐振器的距离为介质谐振器高度的2.5倍。

5.根据权利要求4所述的微波源高频头装置，其特征在于，通孔[1-2]与屏蔽盒体[2-1]的上底面呈相似矩形。

6.根据权利要求1所述的微波源高频头装置，其特征在于，减震垫[3]由硅凝胶制成，其高度为3mm，斜度为70°-80°，每相邻的两个减震垫[3]的中心间距为5mm。

7.根据权利要求1所述的微波源高频头装置，其特征在于，上盖板[2-2]上底面设有十字交叉型的加强结构[2-21]。

8.根据权利要求1所述的微波源高频头装置，其特征在于，约束层[1]的材料为金属；屏蔽盒体[2-1]的材料为铜，上盖板[2-2]的材料为铝。