CN207853874U - 一种小型化微波宽带捷频上下变频系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种小型化微波宽带捷频上下变频系统，该系统包括使用相同的本振信号的上变频通道和下变频通道；还包括一路冗余校准混频通道，所述的冗余校准混频通道采用定向耦合器和开关网络接入上变频通道和下变频通道组成的上下变频系统中，使用所述的上变频通道或者下变频通道使用的本振信号混频实现上变频或者下变频。本实用新型在Ku波段宽带捷变频上下变频系统中增设冗余校准混频通道，可以实现上下变频自校准功能。
Description
技术领域
本实用新型涉及通信变频系统领域，特别涉及一种小型化微波宽带捷频上下变频系统。
背景技术
Ku波段宽带捷变频上下变频系统是一种上下变频器，用于将中频信号01 和Ku波段射频信号进行频率转换，其捷变频率源(本地振荡器)由于变频时间短(典型时间小于100微秒)，因而可以有效的防截获、抗干扰欺骗，具有优秀的电子战性能。上下变频器是雷达探测和卫星通信系统中的核心设备，其性能直接影响系统的战术性能表现。
典型的上下变频器采用超外差变频结构，最简单的超外差变频为一级变频，即使用一个本地振荡器(fLO)作为频率源，将低频的中频信号搬移到高频的射频频段，射频频率fRF＝fLO+fIF(低本振模式)或fRF＝fLO-fIF(高本振模式)。在信号链路的合适位置插入射频驱动放大器和滤波器，确保信号的幅度和质量以及对带外信号的抑制。在更复杂的变频应用中(例如宽带射频应用)，常采用二次变频如图1所示，或更高次的变频模式。在图1中具有两个本地振荡器，本振频率为的fLO1的本振03和本振频率为的fLO2的本振03，如果均采用低本振模式，一中频频率表示为：fIF1＝fLO1+fIF，射频频率表示为：fRF＝fLO1+ fLO2+fIF。由于一中频(fIF1)相比于中频频率(fIF)较高，在二次变频产生的本振泄露fLO2和镜频频率距离fmir＝fLO2-fIF1距离射频信号fRF较远，因而有利于采用射频滤波器滤除。接收链路的低噪声放大器04应尽量靠前放置，有利于降低接收机整机噪声系数。为降低系统调试难度以及研发生产成本，在不影响噪声系数的前提下，增益应尽量配置在一中频或中频频段。链路中滤波器应能有效滤除带外干扰信号，例如镜频频率、本振泄露以及自然或人为干扰信号。
本地振荡器03(频率源)是上下变频器的核心部件，良好的频率源应具有较高的频率稳定度、低的杂散、低的谐波发射以及低相位噪声，捷变频率源还要求较短的变频时间。频率源主要有三种合成方式：直接合成方式、直接数字合成(DDS)以及间接合成方式(锁相环PLL)。直接合成方式具有最优的相位噪声和杂散性能，但电路实现较为复杂，具有较高的体积、功耗和成本，变频速度很快但频率分辨率不足。直接数字合成DDS变频速度很快同时频率分辨率很高(典型可以达到1Hz量级甚至更精细的频率分辨率)，缺点是其杂散性能不佳，同时由于数字电路性能限制可输出的频率不高(目前业界可输入的最高时钟频率的DDS为AD9914，时钟频率可达3.5GHz，可输出最高频率为1.4GHz)，若要生成X波段甚至更高的本振信号源，需要采用变频或倍频方式进行频谱搬移。间接合成方式采用锁相合成，其环路滤波器可以抑制带外的参考源杂散，因而具有较低的杂散性能，由于鉴相器和环路噪底以及闪烁噪底较高的影响导致其相位噪声在环路带宽内较差，同时锁相环环路锁定时间通常在100微秒量级，无法满足捷变频率源的跳频速度。
现有技术不具备上下变频自校准功能，对因温度变化或电路老化带来的幅度偏移和相位偏移带来的系统性能变化无能为力，只能通过定期的回厂维护完成系统标校。
实用新型内容
针对现存技术不具备上下变频自校准功能，对因温度变化或电路老化带来的幅度偏移和相位偏移带来的系统性能变化无能为力，只能通过定期的回厂维护完成系统标校所带来的不足，提供一种小型化Ku波段宽带捷变频上下变频系统及校准方法。
本实用新型为实现以上技术要求而采用的技术方案是：一种小型化微波宽带捷频上下变频系统，包括使用相同的本振信号的上变频通道和下变频通道；还包括一路冗余校准混频通道，所述的冗余校准混频通道采用定向耦合器和开关网络接入上变频通道和下变频通道组成的上下变频系统中，使用所述的上变频通道或者下变频通道使用的本振信号混频实现上变频或者下变频。
本实用新型在Ku波段宽带捷变频上下变频系统中增设冗余校准混频通道，可以实现上下变频自校准功能。
进一步的，上述的小型化微波宽带捷频上下变频系统中：所述的上变频通道和下变频通道为二次变频超外差变频通道，所述的冗余校准混频通道为使用所述的上变频通道和下变频通道使用的两个本振信号的两级混频通道。
进一步的，上述的小型化微波宽带捷频上下变频系统中：所述的冗余校准混频通道中，还设置有以中频信号频率为中心频率的带通滤波器。
进一步的，上述的小型化微波宽带捷频上下变频系统中：所述的下变频通道中，接收射频信号后进入低噪滤波器，所述的低噪器为增益可调的氮化镓低噪声放大器。
进一步的，上述的小型化微波宽带捷频上下变频系统中：所述的下变频通道中，接收射频信号后进入低噪滤波器，所述的低噪器为大动态范围低噪声放大器；所述的大动态范围低噪声放大器包括射频二极管检波器和增益可调低噪声放大器。
进一步的，上述的小型化微波宽带捷频上下变频系统中：所述的本振的频率源包括阶跃二极管谐波发生器、DDS直接数字合成器以及混频滤波网络；
100MHz的晶振的输出接阶跃二极管谐波发生器的输入端，阶跃二极管谐波发生器输出分别经过中心频率为2.4GHz、13.7GHz、14.2GHz、14.7GHz、 15.2GHz的带通滤波器，中心频率为2.4GHz的带通滤波器的输出接DDS直接数字合成器，DDS直接数字合成器的输出经过300－800MHz跳频滤波器滤波后与分别与中心频率为13.7GHz、14.2GHz、14.7GHz、15.2GHz的带通滤波器的输出混频形成混频滤波网络。
以下将结合附图和实施例，对本实用新型进行较为详细的说明。
附图说明
图1为现有技术中的小型化微波宽带捷频上下变频系统。
图2为本实用新型小型化Ku波段宽带捷变频上下变频系统。
图3是本实用新型小型化Ku波段宽带捷变频上下变频系统实施例中大动态范围低噪声放大器设计框图。
图4是本实用新型小型化Ku波段宽带捷变频上下变频系统实施例中Ku 波段捷变频率源设计框图。
图5是本实用新型小型化Ku波段宽带捷变频上下变频系统标准校第一步信号流程图。
图6是本实用新型小型化Ku波段宽带捷变频上下变频系统标准校第二步信号流程图。
图7是本实用新型小型化Ku波段宽带捷变频上下变频系统标准校第三步信号流程图。
具体实施方式
本实施例是一种常规的超外差变频方案基础上增加了一路冗余校准混频通道，该通道使用无源混频器实施两次变频，不具有方向性，既可以上变频也可以下变频，采用定向耦合器和开关网络将该混频通道接入原变频电路中，如图2所示。本实施例以Ku波段为例，说明小型化微波宽带捷频上下变频系统，事实上，其它波段的微波如P波段、S波段等微波系统与中频之间进行上下变频变换也可以采用本实施例的系统。
本实施例中，上变频通道与图1中现有技术的二次变频的超外差式上变频通道一致，如图2所示由发射中频1开始，经过中频滤波器2后，进行以本振1为混频频率的一级上变频3以后，需要经过一中频滤波器4滤波后，再经过中频驱动放大器5放大后，进入到二级上变频器6变频后，再由射频滤波器7滤波，然后是功放8对信号进行放大，经第一射频开关9后，输出。下变频通道也与目前的二次变频的超外差式下变频通道一致，如图2所示，从接收到的射频信号10经第一射频开关9后，由低噪放大器11放大后，由射频滤波器7滤波，再由两次混频(由混频器6、3)，滤波(由滤波器4、2) 和放大(由放大器5、12)后形成中频信号接收。
与现有技术不同的是，本实施例中，增加了一路冗余校准混频通道，利用 4个射频开关13和两个射频耦合器14将冗余校准混频通道加入到如图1所示的二次变频的超外差式上下变频系统中。
冗余校准混频通道与上、下变频通道一样也是二次变频，也就是采用上、下变频通道中相同的本振信号进行两次混频(由混频器6、3)。该通道使用无源混频器实施两次变频，不具有方向性，既可以上变频也可以下变频，采用定向耦合器和开关网络将该混频通道接入原变频电路中。
大动态范围接收机的设计关键在于其对大信号的处理方式和耐受能力，大信号输入时不能被压缩产生失真，也不能损耗低噪声放大器。本实施例选用增益可调的氮化镓低噪声放大器，该放大器增益在-30～20dB范围内连续可调，输出1dB压缩点为15dBm，低增益时可耐受30dBm射频功率不损坏，噪声系数为2dB，最小接收信号为-110dBm情况下该放大器的动态范围高达140dB，远超业界常规水平。
大动态范围低噪声放大器设计如图3所示，关键器件为射频二极管D检波器和增益可调低噪声放大器F。二极管D实时监测当前射频输入功率，输出检波电压(并经适当处理后)用于控制放大器增益。本实用新型采用前馈增益控制方式，检波和增益调整反应时间小于10ns，大信号不会对放大器F 造成损害。如图3所示信号从左端输入，一部分能量经耦合器K送往检波器，主通道信号经放大器F放大输出。检波器检出与信号功率成比例的直流电压，该直流电压经增益控制模块处理输出直流电压控制放大器的增益，因此产生对主通道信号的增益控制。
本实施例结合了直接合成和数字合成两种频率合成方法实现Ku波段 2GHz带宽的捷变频率源。如图4所示，频率源核心由晶振401阶跃二极管谐波发生器402、DDS直接数字合成以及混频滤波网络三大部分组成。
阶跃二极管谐波发生器402可以产生参考晶振的各次谐波，采用合适的窄带带通滤波器403即可以将需要的频率取出来，本实用新型取出的2.4GHz作为DDS的参考频率源，取出的13.7GHz、14.2GHz、14.7GHz、15.2GHz作为混频本振，幅度放大等器件未在框图中显示。
DDS直接数字合成生成300MHz～800MHz的扫频源，由于DDS带内杂散很好(约-90dBc)而带外杂散较差(-50dBc)，因此本实用新型为了保证一定带宽内都具有良好的杂散水平(-80dBc)，在DDS输出端插入了窄带跳频滤波器(约3MHz带宽)，对带外的杂散进行抑制，可确保在300MHz～800MHz 范围内杂散水平低于-80dBc。后级的混频和放大电路以及开关网络不会恶化信号的杂散水平，因此最终Ku波段的本振输出405的杂散也可以达到-80dBc。
100MHz晶振的相噪可达-165dBc@1kHz，15.2GHz谐波理论上相噪恶化 44dB，考虑阶跃二极管自身对相噪恶化2dB，15.2GHz相噪可达 -119dBc@1kHz。DDS输出的相位噪声取决于芯片自身的残余相噪，AD9915 的残余相噪约为-128dBc@1kHz，因此与15.2GHz混频后的本振2的相位噪声取决于相噪差的一方，即-119dBc@1kHz。
频率源的捷变速度取决于DDS的捷变速度，AD9915捷变时间小于100ns。频率源频率分辨率取决于DDS的频率分辨率，AD9915频率分辨率为135pHz。
现有技术不具备上下变频自校准功能，对因温度变化或电路老化带来的幅度偏移和相位偏移带来的系统性能变化无能为力，只能通过定期的回厂维护完成系统标校。而本实施例加入冗余校准通道，可以实时对系统的幅度偏移和相位偏移进行校准，对因温度和电路老化带来的幅度偏移和相位偏移可以实时补偿，极大的保障了系统全寿命时间的性能。
现有技术多采用高输出1dB压缩点的低噪声放大器或自动增益控制放大器实现大动态范围接收机，但前者功耗往往较大，不利于降低整机功耗和系统散热，而后者往往不具有低噪声性能，影响接收系统的小信号接收，同时自动增益控制属于反馈控制，反应时间较长，典型反馈时间为10微秒，难以及时对当前信号幅度做出反应。而本实施例该部份是采用检波器前馈控制低噪声放大器实现，具有很高的动态范围和大信号反应速度，可满足通信和雷达系统大范围动态范围要求。
现有技术实现的频率源的各项指标，诸如相位噪声、杂散、频率分辨率和变频速度常常互相掣肘，难以设计得到各项指标都十分优异的频率源。本实用新型采用频率直接合成和数字直接合成相结合的方式，利用直接合成方式的低相位噪声和低杂散优点以及数字直接合成方式的捷变和高频率分辨率的优点，得到相位噪声、杂散、频率分辨率和变频速度均十分优异的宽带微波频率源。
本实施例中的小型化Ku波段宽带捷变频上下变频系统的标校过程如下：
系统正常工作状态，不使能冗余校准混频通道，系统正常的上变频发射或下变频接收。实施校准时采用三步法校准：
1)使能上变频通道和校准通道，如图5所示，并将射频开关网络设置为合适状态形成中频回路，利用中频处理电路即可以测试得到该回路的相位偏移值：
其中为校准步骤1相位偏移值，为上变频通道相位偏移值，为校准通道相位偏移值。
2)使能上变频通道和下变频通道，如图6所示，并将射频开关网络设置为合适状态形成中频回路，利用中频处理电路即可以测试得到该回路的相位偏移值：
其中为校准步骤2相位偏移值，为下变频通道相位偏移值。
3)使能校准通道和下变频通道，如图7所示，并将射频开关网络设置为合适状态形成中频回路，利用中频处理电路即可以测试得到该回路的相位偏移值：
其中为校准步骤3相位偏移值。
均为实时的测试数据，通过方程(1)、(2)、(3)即可以计算出即得到当前状态(某时间或某温度)下上变频电路和下变频电路的相位偏移值。系统校准自由度高，不受环境限制，可随时校准，保证系统工作稳定性和准确性。
Claims (6)
1.一种小型化微波宽带捷频上下变频系统，包括使用相同的本振信号的上变频通道和下变频通道；其特征在于：还包括一路冗余校准混频通道，所述的冗余校准混频通道采用定向耦合器和开关网络接入上变频通道和下变频通道组成的上下变频系统中，使用所述的上变频通道或者下变频通道使用的本振信号混频实现上变频或者下变频。
2.根据权利要求1所述的一种小型化微波宽带捷频上下变频系统，其特征在于：所述的上变频通道和下变频通道为二次变频超外差变频通道，所述的冗余校准混频通道为使用所述的上变频通道和下变频通道使用的两个本振信号的两级混频通道。
3.根据权利要求1所述的一种小型化微波宽带捷频上下变频系统，其特征在于：所述的冗余校准混频通道中，还设置有以中频信号频率为中心频率的带通滤波器。
4.根据权利要求1所述的一种小型化微波宽带捷频上下变频系统，其特征在于：所述的下变频通道中，接收射频信号后进入低噪滤波器，所述的低噪器为增益可调的氮化镓低噪声放大器。
5.根据权利要求1所述的一种小型化微波宽带捷频上下变频系统，其特征在于：所述的下变频通道中，接收射频信号后进入低噪滤波器，所述的低噪器为大动态范围低噪声放大器；所述的大动态范围低噪声放大器包括射频二极管检波器和增益可调低噪声放大器。
6.根据权利要求1至5中任一所述的一种小型化微波宽带捷频上下变频系统，其特征在于：所述的本振的频率源包括阶跃二极管谐波发生器、DDS直接数字合成器以及混频滤波网络；
100MHz的晶振的输出接阶跃二极管谐波发生器的输入端，阶跃二极管谐波发生器输出分别经过中心频率为2.4GHz、13.7GHz、14.2GHz、14.7GHz、15.2GHz的带通滤波器，中心频率为2.4GHz的带通滤波器的输出接DDS直接数字合成器，DDS直接数字合成器的输出经过300－800MHz跳频滤波器滤波后与分别与中心频率为13.7GHz、14.2GHz、14.7GHz、15.2GHz的带通滤波器的输出混频形成混频滤波网络。
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