CN205610632U - 一种双通道毫米波收发组件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种双通道毫米波收发组件，包括稳频低相噪振荡源、功分倍频网络、发射支路、接收支路、电源电路；稳频低相噪振荡源产生1路连续波信号；功分倍频网络将连续波信号功分为3路；发射支路功分后的1路信号经0/π调相器调相、开关调制后功分为两路信号，并在0/π调相器输出端耦合输出检测信号；接收支路将天线接收到的两路回波信号与功分后信号下变频后输出，包括定向接收之路和全向接收支路；电源电路对收发组件进行电源过压、过流、反向保护、负电保护。
Description
技术领域
本实用新型涉及通信技术领域，尤其是无线电通信，具体而言涉及一种毫米波收发组件。
背景技术
目前的跟踪系统中，主要有光电、微波、毫米波等类型，由于毫米波系统具有灵敏度高、分辨力好，抗干扰性能强等特点，加之毫米波系统受等离子体的影响较小，同时兼有红外和微波的优点，因此国外先进的跟踪定位设备都采用了毫米波系统。毫米波跟踪技术的研究始于20世纪70年代末，现在西方国家不仅在频率上覆盖了整个毫米波段，而且建立了从器件到整机产品的研制生产、测试试验的完整研究体制。目前，毫米波跟踪定位技术广泛应用于雷达系统、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的民用设备以及军事设备上。比如在军事上，毫米波制导技术经常应用在多模复合制导中，多模制导模式可以根据干扰情况自动切换制导模式，美国的“黄蜂”、“战斧”等导弹均采用毫米波与红外双模制导系统。我国在毫米波跟踪定位技术方面起步较晚，技术处于发展阶段，随着目前国内毫米波技术能力的提升，其相关的定位系统也从厘米波段向毫米波频段发展，作为毫米波跟踪定位系统收发部分的核心器件，高性能的收发组件性能水准就显得尤为重要，特别是其射频部分的技术指标直接关系到系统的完备和准确。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种毫米波收发组件。包括稳频低相噪振荡源、功分倍频网络、发射支路、接收支路、电源电路；稳频低相噪振荡源产生1路连续波信号；功分倍频网络将连续波信号功分为3路；发射支路功分后的1路信号经0/π调相器调相、开关调制后功分为两路信号，并在0/π调相器输出端耦合输出检测信号；接收支路将天线接收到的两路回波信号与功分后信号下变频后输出，包括定向接收之路和全向接收支路；电源电路对收发组件进行电源过压、过流、反向保护、负电保护。
采用上述组件，功分倍频网络包括两个功分器将连续波信号功分为3路信号；功分倍频网络还包括放大器、隔离器、低通滤波器、带通滤波器、倍频器， 具体连接方式为：第一放大器输入端接连续波信号，输出端接第一功分器将信号分为两路，其中第一路依次经过隔离器、低通滤波器、倍频器和带通滤波器后输出至发射之路，第二路信号依次经隔离器、低通滤波器后经第二功分器再次功分为两路，每一路经倍频器和带通滤波器后分别输出至定向接收之路和全向接收支路。
采用上述组件，发射支路包括依次连接的衰减器、定向耦合器、隔离器、PIN开关、驱动放大器和功分器，在功分器处信号功分为两路，每一路分别经过功率放大器和隔离器后输出；定向耦合器同时输出一检测信号。
采用上述组件，两路接收支路组成相同，均包括依次连接的功合器、带通滤波器、初级隔离器、初级数控衰减器、限幅器、初级低噪声放大器、次级数控衰减器、次级低噪声放大器、次级隔离器、混频器、低通滤波器、温补衰减器、初级中频放大器、衰减器、次级中频放大器；在混频器处对回波信号和功分倍频网络功分后的信号进行下变频。
采用上述组件，所述电源电路去耦设计并增加EMI滤波器。
采用上述组件，所述组件中模块间分层设计，使用同轴电缆连接。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：本实用新型收发隔离度很好，设计上主要考虑三个方面因素，传输电路隔离、电源隔离和空间隔离：(1)传输电路隔离：电路设计上本振电路采用先放大功分再倍频、发射支路输入端增加隔离器等方式，降低发射信号对接收机的影响。(2)电源隔离：收发支路共用系统提供电源，为了减少发射支路通过电源电路对接收支路的影响，对电源电路采取了去耦设计、增加EMI滤波器等措施。(3)空间隔离：根据组件指标要求分析，空间隔离是影响收发隔离的关键因素。采用功能化模块化设计，将辐射影响较大的模块分层设计，各模块间使用同轴电缆连接，减少信号的空间串扰，提高收发隔离。
下面结合说明书附图对本实用新型做进一步描述。
附图说明
图1是本发明组件组成框图。
图2是本发明组件原理框图。
图3是本发明功分倍频网络原理框图。
图4是本发明发射支路原理框图。
图5是本发明接收支路原理框图。
图6是本发明电源单元原理框图。
具体实施方式
根据组件技术要求和总体设计思路，将组件分成稳频低相噪振荡源、功分倍频网络、发射支路、接收支路、电源电路5个部分。其组成框图如图1所示。
(1)稳频低相噪振荡源(DRO)：产生1路Ku波段连续波信号。
(2)功分倍频网络：将稳频低相噪振荡器产生Ku波段信号功分为3路，并分别完成信号倍频，将倍频后的毫米波信号分别提供给发射支路和两向接收支路。
(3)发射支路：将功分倍频网络输出的一路信号经过0/π调相器调相、开关调制、功分器、功率放大器输出两路发射信号，并在0/π调相器输出端耦合输出检测信号。
(4)接收支路：将接收天线接收到的回波信号经过滤波、限幅、低噪声放大并进行下变频处理，经滤波器及中频放大器后输出中频，具有射频信号数控衰减的功能。包括定向接收支路和全向接收支路。
(5)电源电路：完成电源过压、过流、反向保护、负电保护等功能
根据毫米波收发组件的详细要求和电路构成进行电路设计，其具体原理框图如图2所示。
1、稳频低相噪振荡源设计
根据总体设计思路及指标的要求，稳频低相噪振荡源的输出信号选定为Ku波段，具体的指标分配如表3所示。
稳频低相噪振荡器主要指标要求
(1)相位噪声
相位噪声的计算公式为：
最小噪声系数模型公式：
有源器件的噪声指标对振荡器的相位噪声有明显的影响，在设计偏置电路时应选用小电流工作模式；并选用高Q值振荡电路基板与介质谐振器，可以有效的优化起振条件和相位噪声指标。
根据此公式进行理论计算，该介质振荡器在Ku波段相位噪声：
| |Ku波段相位噪声 | 毫米波相位噪声 |
| -106dBc/Hz@10KHz | -100dBc/Hz@10KHz |
| -100dBc/Hz@5KHz | -94dBc/Hz@5KHz |
| -84dBc/Hz@1KHz | -78dBc/Hz@1KHz |
相位噪声满足振动余量和指标分配的要求。
(2)短期频率稳定度
有源器件在加电后发热造成S参数变化是影响介质振荡器的短期(开机)频率稳定度的主要原因，本方案采用的晶体管单管功耗在80mW左右，且电路基板具有较好的导热性能，可以避免晶体管结温的快速变化，提高介质振荡器的短期频率稳定度。
(3)频率温度稳定度
介质谐振器温度系数的计算公式为：
其中，为震荡系统内有源电路的频率温度系数，铜制屏蔽盒体内晶体管的温度系数在-1000pm/℃～-1500ppm/℃之间，β为介质谐振器在系统内的耦合系数，Q为介质谐振器的有载Q值。
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5所示，β值约为-5dB，Q值在1000左右。
根据上述公式计算，需要选用温度系数为+1.75ppm/℃～+2.625ppm/℃的介质谐振器，可以实现全温范围内频率变化小于±1.5MHz，满足分配指标要求。
(4)输出功率
方案采用的谐波振荡器，其输出的功率取决于晶体管的谐波输出能力以及谐波提取电路的效率，其全温条件下的输出功率在-8dBm～-4dBm之间，满足分配指标要求。
(5)抗振动设计
介质谐振器是一种高Q值器件，能量集中在介质谐振器附近，为降低屏蔽盒在环境因素下形变对场分布的影响，优化设计屏蔽盒腔体结构并局部加强刚性，可以有效提高抗振动性能，将近载频相位噪声的恶化量降低至25dB以内。该方案已在航天某型号同类型组件上得到成功应用。
综上所示，稳频低相噪振荡源的设计值与指标分配的对照如表1所示。
表1稳频低相噪振荡器主要指标要求
2、功分倍频网络
根据总体指标要求，为满足接收及发射倍频器的功率要求，功分倍频网络的主要分配指标如表2所示。
表2功分倍频网络主要指标要求
| 序号 | 参数名称 | 要求 | 备注 |
| 1 | 发射支路功率 | ≥+13dBm | 中间指标 |
| 2 | 接收支路功率 | ≥+13dBm | 中间指标 |
| 3 | 收发通道间隔离度 | ≥80dB | 中间指标 |
DRO输出为一路Ku波段信号，需将其放大、功分、倍频三路提供给发射支路和两路接收支路，考虑到发射和接收之间的高隔离要求，采用功分后再倍频的方案，这样可以在发射和接收本振信号传输线上通过增加滤波器提高接收和发射间的隔离度。
功分倍频网络的原理框图如图3所示。
(1)输出功率
由于DRO最小的输出功率在-8dBm左右，为了使功分后的信号功率能够驱动倍频器，在信号功分前的公共通道上增加一级放大器。
功分倍频网络发射支路增益、功率分配表如表3所示，接收支路增益、功率分配表如表4所示：
表3功分倍频网络(发射支路)增益、功率分配表
表4功分倍频网络(接收支路)增益、功率分配表
(2)收发通道隔离
为了减少发射支路的调制信号通过功分网络影响到接收支路，在发射支路和接收支路倍频器之前各加一级低通滤波器。
电路中各器件的隔离度如表5所示，通过计算，接收支路和发射支路间的隔离度约为102dB，满足指标要求。
表5电路器件隔离度表
| 器件 | 隔离器 | 倍频 | 低通滤波器 | 隔离器(插损) | 功分器 |
| 隔离度(dB) | 17 | 15 | 35 | 5 | 5 |
| 器件 | 隔离器(插损) | 低通滤波器 | 倍频 | 总计 | |
| 隔离度(dB) | 5 | 35 | -15 | 102 |
3、发射支路
发射支路完成的主要功能是将功分倍频网络的一路信号经脉冲调制、功分后经功率放大器放大输出两路发射信号。
发射支路的原理框图如图4所示。
发射支路增益功率分配表如表7所示。
表7发射支路增益功率分配表
(1)脉冲调制
根据指标要求，脉冲调制需要选择高速单刀单掷开关。方案中选用的开关单级的隔离度为30dB左右，考虑到毫米波较强的空间辐射能力，设计中采用了三个单刀单掷开关级联的方式，可以满足65dB的开关隔离度的要求。
为了确保PIN开关可以实现良好的性能指标，我们开展了相关的实验和测试工作。三个开关级联的实测脉冲波形指标为：上升沿3.2ns，下降沿1.5ns，脉冲宽度为发射驱动脉冲宽度-0.8ns(控制脉冲宽度100ns)，开关隔离比可以做到70dB以上，可以满足指标的要求。
(2)功放
方案中，选择饱和输出功率为36dBm的末级功率放大器，功放输出端隔离器、微带同轴转换的损耗共计约1.5dB，因此端口输出功率可以达到34.5dBm，满足指标要求。
由于功放的工作电流较大，脉冲电源的上升和下降沿通常会在20ns以上，而根据整机的时序要求，为了保证发射信号具有良好的上升沿和下降沿，必须保证功放脉冲上升沿的延时小于80ns。设计中采用一种高速大电流的MOSFET作为功放电源调制器，该器件的最大峰值电流为80A，最大平均电流为14A，可以满足末级功放的电流需求；该器件的沿及延时指标见表12，在输出电流10A的情况下上升沿为3.9ns，导通的延时也在10ns以内，配合控制脉冲的高速反相电路，常温条件下可以将功放导通的上升沿和延时的总和控制在50ns以内，全温在80ns以内，可以满足整机的时序控制要求。
(3)监测口输出功率
为了减少监测口对0/π调相器的影响，在隔离器之后设置定向耦合器，根据指标要求，该定向耦合器的耦合度需要在18dB～23dB。利用ADS对耦合器进行仿，该定向耦合器的耦合度为20.5dB，监测口的输出功率为-12.5dBm，满足指标要求。
(4)端口驻波
为改善产品的端口匹配，降低端口开路造成器件损坏的风险，在功放的输出端设计有隔离器，该隔离器驻波小于1.4，隔离度大于17dB，满足设计要求。
4、接收支路
组件包括全向接收支路和定向接收支路共两个接收支路，两个接收支路采用完全相同的电路。接收支路主要实现的功能为将接收天线接收到的两路回波信号经过功率合成器、带通滤波器、限幅器、低噪声放大器、数控衰减后下变频至中频，经低通滤波器、中放后输出中频。
根据技术指标要求，接收支路的原理框图如图5所示。
(1)增益及一致性
接收支路增益、噪声系数分配表如表8所示。
表8接收支路增益、噪声系数分配表
接收机设计增益为28dB，高低温下中频器件的增益相对稳定，而射频器件的增益变化量约为4dB，因此设计中在中放之前增加一级温补衰减器，补偿射频 器件的增益变化，可以保证接收机总增益全温指标为25±1dB的要求。同时，同相接收支路和定向接收支路采用相同的电路布局，并预留增益微调电路用于补偿器件增益的离散，可以满足两路总增益相差绝对值≤0.8dB的要求。
选用宽带增益平坦度好的中频放大器，并对放大器进行宽带偏置。经过实际测试，在1kHz～100MHz的频率范围内增益不平坦度在±0.4dB，可以满足增益不平坦度小于±0.5dB的指标要求。
(2)噪声系数
为降低混频器及中频电路对噪声系数的影响，设计中采用射频端两级低噪放的方案。
第一级低噪声放大器的增益为28dB、噪声系数2.7dB，在第二级数控衰减器之后加第二级低噪声放大器，其增益为9dB、P-1为12dBm、噪声系数为4dB。
系统级联噪声系数计算公式为：
根据此公式进行计算，组件的常温条件下的接收机噪声系数为12.3dB，高、低温条件下噪声系数满足指标要求。
(3)带通滤波器
为了提高组件的抗干扰能力，在接收机输入端功合器之后加一级带通滤波器，由于其在低噪放之前，其插损直接叠加在噪声系数上，因此在满足带外抑制的要求前提下，插损尽量做小。该带通滤波器采用平行耦合线带通滤波器，并通过HFSS进行优化仿真设计。在f0±3GHz处的抑制大于20dB，f0±5GHz的抑制大于40dB，可以满足系统使用要求。
(4)功合器、隔离器、限幅器
选用GaAs单片功分器，承受连续波功率能力为10W，可以满足功合器承受连续波功率≥3W的指标要求；
选用GaAs基片隔离器，承受连续波功率能力为5W，可以满足隔离器承受连续波功率≥3W的指标要求；
限幅器承受连续波的能力为2W，可以满足限幅器承受连续波功率≥2W的指标要求；限幅器的限幅功率为15dBm(30mW)，前级低噪声放大器可承受功率为18dBm(60mW)，可以有效保护低噪声放大器。
(5)数控衰减器
第一级数控衰减器为1位数控衰减器，其衰减量为30dB，衰减精度±1dB，抗烧毁功率为+30dBm(1W)，其P-1为24dBm(0.25W)。满足衰减精度和衰减量的要求。
第二级数控衰减器为6位数控衰减器，其衰减量为31dB，衰减精度±1.5dB抗烧毁功率为+15dBm(0.03W)，其P-1为11dBm(0.013W)。满足衰减精度和衰减量的要求。前级低噪声放大器的最大输出功率为+10dBm，第二级数控衰减器是可以正常工作的。
两级数控衰减器总衰减量为61dB，满足最大衰减量大于60dB的指标要求。
两级数控衰减器都是GaAs材料，开关反应速度＜20ns，同时需用GaAsFET驱动器，其响应时间在20ns以内，因此数控衰减器的反应时间满足不大于1us的指标要求。
(6)中频带内谐波抑制
协议对接收机中频输出二次及以上谐波的抑制提出了很高的要求，而由于中频带宽较宽(1KHz～135MHz)，低频段信号的谐波处于工作带内，无法通过滤波器实现对谐波的抑制。因此必须选用大动态且对谐波分量抑制较好的混频器和中频放大器。本次设计中选用输入P-1为9dBm的混频器和P-1为12.5dBm的中频放大器，通过实际测试，谐波抑制为-38dB,满足指标要求。
(7)中频P-1及Pmax
选用P-1为12.5dBm、饱和输出功率13.6dBm的中频放大器，设计中在其输出端增加1dB衰减器，可以将中频的Pmax控制在12.6dBm以内，可以满足指标要求。
(8)中频带宽
考虑到产品对中频带宽及带外抑制的技术要求以及体积的限制，设计中选用LTCC材料低通滤波器，该滤波器的-3dB带宽为130MHz，对250MHz的抑制大于30dB。
(9)组件在加电或加控制信号情况下中频输出特性
满足这些指标的前提是中频放大器噪声低且无自激现象，且接收支路和发射支路间有很高的隔离。
在组件加电及全部控制信号的情况下，要保证中频输出视频泄漏小于0.7mVΩ(-59dBm)，按照隔离器驻波比1.4计算，反射的发射调制信号幅度约为+0.5dBm，收发本振信号传输线间的隔离为102dB，发射支路通过本振信号传输线泄漏到接收支路混频器本振端的信号大小＝(0.5-102)dBm＝-101.5dBm，到中频口输出的功率＝(-101.5+6.5)dBm＝-95dBm，因此，通道上的隔离是可以保证视频泄漏满足指标要求的；同时接收、发射模块位于屏蔽盒两侧，电源上做了充分的隔离，可以极大的提高空间和电源上的隔离效果。因此从理论上计算视频泄漏小于0.7mVΩ的指标是可以达到的(技术风险之一)。
在振动冲击条件下，在频率(20KHz～20MHz)内引起的杂波谱，主要是由DRO产生，DRO经过抗振动设计后，在频率(20KHz～20MHz)内引起的杂波谱可以小于-70dBm。
5、电源单元设计
电源单元的具体功能是完成各个单元模块之间的电源隔离和完成电压变换以及器件的保护，而设计的核心是电源上的隔离和有源器件的保护。电源单元的原理框图及电流分配情况见图6所示。
系统提供电源(+9V、-15V)进入各功能模块均经过EMI滤波器进行处理，各功能模块分别进行内部稳压，射频器件供电电路上进行去耦处理，防止射频信号通过电源电路泄漏。
为保证产品安全，在+9V、-15V的输入端增加了二极管，防止电压反向造成产品损坏；另外在驱动放大器及功率放大器的电源电路上增加负电保护电路，确保在放大器栅极未加负电压的情况下不会有正电压加至放大器的漏极，保证器件的安全。
经过初步计算，产品+9V电源电流为2685mA，产品-15V电源电流为70mA，满足整机的电流要求。
Claims (7)
1.一种双通道毫米波收发组件，包括稳频低相噪振荡源、功分倍频网络、发射支路、接收支路、电源电路，其特征在于，
稳频低相噪振荡源产生1路连续波信号；
功分倍频网络将连续波信号功分为3路；
发射支路功分后的1路信号经0/π调相器调相、开关调制后功分为两路信号，并在0/π调相器输出端耦合输出检测信号；
接收支路将天线接收到的两路回波信号与功分后信号下变频后输出，包括定向接收之路和全向接收支路；
电源电路对收发组件进行电源过压、过流、反向保护、负电保护。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，功分倍频网络包括两个功分器将连续波信号功分为3路信号；功分倍频网络还包括放大器、隔离器、低通滤波器、带通滤波器、倍频器，具体连接方式为：
第一放大器输入端接连续波信号，输出端接第一功分器将信号分为两路，
其中第一路依次经过隔离器、低通滤波器、倍频器和带通滤波器后输出至发射之路，
第二路信号依次经隔离器、低通滤波器后经第二功分器再次功分为两路，每一路经倍频器和带通滤波器后分别输出至定向接收之路和全向接收支路。
3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，发射支路包括依次连接的衰减器、定向耦合器、隔离器、PIN开关、驱动放大器和功分器，在功分器处信号功分为两路，每一路分别经过功率放大器和隔离器后输出；
定向耦合器同时输出一检测信号。
4.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，PIN开关为三个单刀单掷开关级联，开关隔离度不低于65dB。
5.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，两路接收支路组成相同，均包括依次连接的功合器、带通滤波器、初级隔离器、初级数控衰减器、限幅器、初级低噪声放大器、次级数控衰减器、次级低噪声放大器、次级隔离器、混频器、低通滤波器、温补衰减器、初级中频放大器、衰减器、次级中频放大器；在混频器处对回波信号和功分倍频网络功分后的信号进行下变频。
6.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述电源电路去耦设计并增加EMI滤波器。
7.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述组件中模块间分层设计，使用同轴电缆连接。
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