CN209072499U - 一种雷达射频光接收机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种雷达射频光接收机，接收机的壳体内设有射频光接收模块，所述射频光接收模块由第一射频光接收模块和第二射频光接收模块组成，第一射频光接收模块用于接收S波段信号，第二射频光接收模块用于接收P波段信号，第一射频光接收模块和第二射频光接收模块在壳体内分别独立设置，且相互隔离。本实用新型能够有效解决双波段电磁干扰，改善输出信号质量。

Description

一种雷达射频光接收机

技术领域

本实用新型涉及一种雷达射频光接收机。

背景技术

射频光纤传输具有高带宽、高灵敏度、抗干扰性能强、传输距离远、保密性能高、重量轻体积小等优点，尤其在雷达组网系统中也引起广泛关注并开始应用。射频信号光纤传输需要射频光发射机和射频光接收机。由于S波段雷达T/R组件需要接收P波段时钟信号和S波段本振信号，射频光接收机则需要一体化集成S波段接收模块和P波段接收模块，并达到小型化的要求安装在雷达T/R组件内。

当前雷达上应用的射频光接收机一般均针对不同的波段设计为不同的模块以满足隔离度及电磁兼容性要求，难以满足小型化的要求。实现方式一般均采用PIN管将光信号转换为射频信号，并通过后级射频放大电路实现信号放大，但对光输入功率没有指示，同时输出的射频信号因输入光信号功率变化不能自适应的调整输出确保幅相一致性。

现有射频光接收机存在的不足之处：

(1)对P波、S波段的集成难以满足电磁兼容及小型化的要求PIN二极管接收光信号转化出电信号十分微弱，容易受到后端放大后的电信号对前端微弱电信号的干扰，同时P波段和S波段的射频信号之间也存在相互之间的干扰，常规的电磁屏蔽及抗干扰措施难以满足抗干扰及小型化的要求。

(2)功率放大器对不同波段的增益决定了对P波段和S波段放大电路的不同。根据工程经验，射频信号经过电光——光电转换后，将引入20dB～25dB的插入损耗，同时考虑光分路器引入的插入损耗为15dB，为满足射频输出功率2～5dBm的要求，整体需要约40dB以上增益。而P波段射频放大器每级增益在21dB以上，S波段射频放大器每级增益在16dB以上，所以采用相同的放大电路难以满足工程应用的实际需求。

(3)射频光输入功率波动影响输出信号的幅度一致性

射频光信号在传输链路中，一般需要经过光分路器、光放大器、光纤连接器。因光链路中器件都有一定的公差值，光分路器各输出端的均匀性指标为1.5dB，每个光纤连接器引入的光插入损耗波动为0.3dB，因此最终进入各接收光模块的光功率值存在较大差异，可达5-8dBm，光接收机进行光电信号转换时为线性关系(响应度单位为A/W)，光功率损耗定义为10log(P1/P2)，而射频信号损耗定义为20log(V1/V2)，1dBm的光功率波动将引入2dBm的射频信号波动，因此对光电转换后的射频信号直接放大输出后会带来10-16dbm的功率误差，难以满足实际使用需求。

实用新型内容

本实用新型发明目的在于提供一种雷达射频光接收机，能够有效解决双波段电磁干扰，改善输出信号质量。

实现本实用新型发明目的的技术方案：

一种雷达射频光接收机，接收机的壳体内设有射频光接收模块，其特征在于：所述射频光接收模块由第一射频光接收模块和第二射频光接收模块组成，第一射频光接收模块用于接收S波段信号，第二射频光接收模块用于接收P波段信号，第一射频光接收模块和第二射频光接收模块在壳体内分别独立设置，且相互隔离。

进一步地，第一射频接收模块和第二射频接收模块的结构为，PIN光电二极管的信号输出端接放大单元的信号输入端，放大单元的信号输出端接可调衰减器信号输入端，可调衰减器输出射频信号；可调衰减器的信号输出端接自动控制增益单元信号输入端，自动控制增益单元的信号输出端接可调衰减器的控制端。

进一步地，所述自动控制增益单元由定向耦合器和运算放大电路组成，定向耦合器用于获取可调衰减器输出的射频信号，定向耦合器的信号输出端接运算放大电路信号输入端，运算放大电路的信号输出端接可调衰减器的控制端。

进一步地，所述PIN光电二极管的信号输出端与放大单元信号输入端之间设有匹配阻抗电路，PIN光电二极管后端预留所述匹配阻抗电路的元器件贴片位置。

进一步地，所述第一射频接收模块的放大单元由三级放大电路组成，第一级放大电路为低噪放大电路，第二级放大电路、第三级放大电路为功率放大电路；所述第二射频接收模块的放大单元由两级放大电路组成，第一级放大电路为低噪放大电路，第二级放大电路为功率放大电路。

进一步地，设有光功率监测报警单元，光功率监测报警单元用于监测PIN光电二极管的光功率输出，并向远程提供监测信号。

进一步地，所述光功率监测报警单元由镜像电流检测电路、比较放大电路和光功率报警指示灯组成，镜像电流检测电路的信号输入端接PIN光电二极管，镜像电流检测电路的信号输出端接比较放大电路的信号输入端，比较放大电路的信号输出端接光功率报警指示灯。

进一步地，雷达射频光接收机的器件、芯片、接插件均采用表贴微小封装。

进一步地，第一射频光接收模块和第二射频光接收模块在壳体内左右独立设置，且相互隔离；每个射频光接收模块均设置于三个腔室内，三个腔室分别对应射频光接收模块的PIN光电二极管、低噪放大电路和功率放大电路。

进一步地，射频电路位于印制板的正面，低频电路位于印制板的背面；所说低频电路为自动控制增益单元、光功率监测报警单元，其余电路为射频电路。

本实用新型具有的有益效果：

本实用新型第一射频光接收模块和第二射频光接收模块在壳体内分别独立设置，且相互隔离；每个射频光接收模块均设置于三个腔室内，在避免工作频带内腔体谐振的同时，还有效的避免了两波段之间的干扰，既满足小型化设计要求的同时，还使双波段输出隔离度≥

50db。本实用新型雷达射频光接收机的器件、芯片、接插件均采用表贴微小封装，有助于进一步实现产品小型化，使整个光接收机的尺寸控制在51mm(长，含光纤连接器)×20mm(宽)×8mm(高)范围内。本实用新型设有自动控制增益单元(AGC控制电路)，设备在接收到不同光功率输入信号的同时稳定的输出射频信号，有效改善输出信号质量，精确调整控制输出射频信号的幅度，使输入光功率在变化范围内输出幅度在2～5dBm范围内可调，输出幅度稳定度≤±

0.1dB/h。本实用新型针对不同波段的射频光接收模块设置不同级数的放大单元，进一步保证了输出信号质量。本实用新型设有光功率监测报警单元，可对光接收机接收到的光功率进行远程监测，同时进行低功率报警。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理图；

图2是本实用新型光功率监测报警单元部分的电路原理图；

图3是本实用新型匹配阻抗电路部分的电路原理图；

图4是本实用新型放大单元部分的电路原理图；

图5是本实用新型上壳体的结构示意图；

图6是本实用新型下壳体的结构示意图；

图7是本实用新型俯视图外形尺寸示意图；

图8是本实用新型侧视图外形尺寸示意图；

图9是本实用新型主视图外形尺寸示意图。

具体实施方式

为了便于理解，首先对本发明实施例所涉及的概念进行说明：

(1)P波段：指雷达发射电波的频率范围，频率为0.23-1GHz，波长范围为130-30cm。

(2)S波段：指雷达发射电波的频率范围，频率为2-4GHz，波长范围为15-7.5cm。

(3)射频光接收机：射频光接收机可以将特定波段的光信号根据其功率解调到射频信号的接收转换装置，是针对微波光纤传输应用的一种光电转换模块，在本发明中简称为光接收机。

(4)PIN光电二极管：也称PIN结二极管，是在光电二极管的PN结中参入一层本证(Intrinsic)半导体，具有结电容小、渡越时间短、灵敏度高等优点。

(5)S11参数：系统输入反射系数，即输入回波损耗，值越大，表示系统反射的能量越大，系统效率低。

(6)S22参数：系统输出反射系数，即输出回波损耗，值越大，表示系统反射的能量越大，系统效率低。

(7)S12参数：系统反向传输系数，即隔离度，值越大，表示系统输入输出隔离度越高。

(8)S13参数：射频信号到电源之间传输系数，值越大，表示射频信号与电源的隔离度越高。

下面结合附图所示的各实施方式对本实用新型进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本实用新型的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的结构上的等效变换或替代，均属于本实用新型的保护范围之内。

本实用新型雷达射频光接收机的壳体内设有射频光接收模块，所述射频光接收模块由第一射频光接收模块和第二射频光接收模块组成，第一射频光接收模块用于接收S波段信号，第二射频光接收模块用于接收P波段信号，第一射频光接收模块和第二射频光接收模块在壳体内分别独立设置，且相互隔离。第一射频光接收模块和第二射频光接收模块设计在一个印制板上，在壳体内左右独立设置，且相互隔离；如图5所示，每个射频光接收模块均设置于三个腔室内，三个腔室分别对应射频光接收模块的PIN光电二极管、低噪放大电路和功率放大电路，实现隔离度要求。

如图1所示，第一射频接收模块和第二射频接收模块的结构为，PIN光电二极管VD的信号输出端接放大单元的信号输入端，放大单元的信号输出端接可调衰减器信号输入端，可调衰减器输出射频信号；可调衰减器的信号输出端接自动控制增益单元(AGC控制电路)信号输入端，自动控制增益单元的信号输出端接可调衰减器的控制端。所述自动控制增益单元由定向耦合器和运算放大电路U1组成，定向耦合器用于获取可调衰减器输出的射频信号，定向耦合器的信号输出端经射频检波电路接运算放大电路U1信号输入端，运算放大电路U1的信号输出端接可调衰减器的控制端。由于射频光接收机接收到的光功率波动较大，因此在射频电路后端设计了自动控制增益单元(AGC控制电路)，在输出端通过定向耦合器分离出部分射频信号进行信号检波，检测出射频信号的输出幅度，从而得到与射频信号幅度正比关系的电压信号，再通过一系列低频运放电路将该电压信号反馈至一个压控可调衰减器，在射频信号输出功率超出要求的输出功率时，衰减器给出一定的衰减值，从而控制整个射频电路输出。

如图1、图3所示，所述PIN光电二极管VD的信号输出端与放大单元信号输入端之间设有匹配阻抗电路(匹配网络)，PIN光电二极管VD后端预留所述匹配阻抗电路的元器件贴片位置。通过合适的匹配网络，将PIN光电二极管VD输出阻抗与后端放大电路输入阻抗实现匹配。。由于各厂家的PIN光电二极管型号和TO封装对射频信号的影响不同，很难准确得到光电二极管的S11参数，为了获得良好的阻抗匹配，本实用新型PIN光电二极管VD后端预留了匹配网络元器件的贴片位置，针对不同厂家或批次的PIN光电二极管，通过专用工装测试其S11参数，作为匹配网络元器件取值的依据。

由于射频放大电路整体需要约40dB增益。P波段和S波段的电路设计基本框架一致，区别在于P波段射频放大器每级增益≥21dB，因此仅需要两级放大即可实现，而S波段射频放大器每级增益约为16dB，采用了三级放大。如图4所示，所述第一射频接收模块的放大单元由三级放大电路组成，第一级放大电路为低噪放大电路LNA，第二级放大电路、第三级放大电路为功率放大电路PA；如图1所示，所述第二射频接收模块的放大单元由两级放大电路组成，第一级放大电路为低噪放大电路LNA，第二级放大电路为功率放大电路PA。

如图1、图2所示，设有光功率监测报警单元，光功率监测报警单元用于监测PIN光电二极管VD的光功率输出，并向远程提供监测信号。所述光功率监测报警单元由镜像电流检测电路、比较放大电路和光功率报警指示灯组成，镜像电流检测电路U4的信号输入端接PIN光电二极管VD，镜像电流检测电路U4的信号输出端经运算放大电路U3接比较放大电路U2的信号输入端，比较放大电路U2的信号输出端接光功率报警指示灯LD。在光功率到达阈值时给出高电平信号，通过镜像电流检测电路可监控流过PIN光电二极管VD的电流，而不影响射频电路部分的正常工作，通过监测电流采样和滤波，可得到与光功率成正比的电压信号，再通过集成运放构建的比较放大电路U2，即可判定光功率是否在阈值之上，从而给出电压报警信号。

雷达射频光接收机的器件、芯片、接插件均采用表贴微小封装。整个电路板分为射频电路和低频电路两部分，在设计印制板时，将射频电路集中在印制板正面，方便调试，而将低频电路集中在印制板背面，可有效的利用印制板的布板空间。所说低频电路为自动控制增益单元、光功率监测报警单元，其余电路为射频电路。

整个印制板紧密配合结构设计，P波段和S波段的电路相互独立，中间通过地网络和过孔相互隔离，印制板与模块外壳接触部分均设计为地网络铺铜，同时阻焊开窗，使得外壳与信号地良好接触，改善印制板的接地，提高外壳的信号隔离效果。

为了有效隔离P波段和S波段的射频信号，防止信号之间相互干扰，首先明确结构件需要进行分腔设计，两个波段电路分别位于印制板左右两边，中间采用金属隔断隔开，并与印制板信号地良好接触。由于各级射频放大电路之间距离较近，为了降低各级电路之间的干扰，同时为了更好的接地，将射频腔体设计为三腔结构，较小的腔体设计提高了腔体谐振频率，使其在所要求的信号放大频段内不发生腔体谐振。

在设计印制板走线时，50Ω阻抗控制线线宽设计与0402封装器件焊盘尺寸极为接近，可最大限度的减小元器件导致的阻抗不连续。射频走线集中在印制板正面，仅在引入连接器处采用过孔导入印制板背面，该过孔经过HFSS仿真优化，将过孔反射系数降至最低，从而保证产品的驻波比要求。

本射频光接收机主要目标为小型化，因此结构设计比较关键。在进行结构设计之前，首先选定了主要电路元器件，根据各元器件及外围电路面积初步推算出印制板面积，大体确定了外形尺寸，规划好印制板布板区域后，再进行元器件初步布局，并结合印制板布局逐步细化结构设计细节。上下壳体采用螺钉固定，通过上下壳体的夹持将印制板和PIN光电二极管固定好，上壳体的分腔隔板与印制板的信号地良好接触，可进一步改善射频放大电路部分的接地，避免信号谐振。在下壳体上设计螺纹安装孔，在使用时可将光模块通过螺钉直接固定到用户印制板上。为减小射频光模块体积，雷达射频光接收机的器件、芯片、接插件均采用表贴微小封装。印制板阻容元件大量采用0402封装，以减小元器件布板面积。同时方便用户集成，结构设计中去除了SMA连接器的接口形式，而采用小体积表面贴装连接器实现电源及信号的引出。用户使用时仅需要在PCB上预留安装孔并焊接一个表面贴装连接器插座，光模块使用时通过螺钉将其直接固定到印制板上即可。所选用表贴连接器带宽7GHz，连接器总共20芯，可以满足所有信号及电源的引出。

如图7—9所示，经过最终优化，该射频光模块外形尺寸及安装比原先的射频光接收模块体积减小了96％，所占印制板面积减小了86％，并且光模块即插即用，无需进行繁琐的射频电缆连接，通过螺钉直接固定光模块，提高了整体可靠性。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。

Claims (10)

1.一种雷达射频光接收机，接收机的壳体内设有射频光接收模块，其特征在于：所述射频光接收模块由第一射频光接收模块和第二射频光接收模块组成，第一射频光接收模块用于接收S波段信号，第二射频光接收模块用于接收P波段信号，第一射频光接收模块和第二射频光接收模块在壳体内分别独立设置，且相互隔离。

2.根据权利要求1所述的雷达射频光接收机，其特征在于：第一射频接收模块和第二射频接收模块的结构为，PIN光电二极管的信号输出端接放大单元的信号输入端，放大单元的信号输出端接可调衰减器信号输入端，可调衰减器输出射频信号；可调衰减器的信号输出端接自动控制增益单元信号输入端，自动控制增益单元的信号输出端接可调衰减器的控制端。

3.根据权利要求2所述的雷达射频光接收机，其特征在于：所述自动控制增益单元由定向耦合器和运算放大电路组成，定向耦合器用于获取可调衰减器输出的射频信号，定向耦合器的信号输出端接运算放大电路信号输入端，运算放大电路的信号输出端接可调衰减器的控制端。

4.根据权利要求3所述的雷达射频光接收机，其特征在于：所述PIN光电二极管的信号输出端与放大单元信号输入端之间设有匹配阻抗电路，PIN光电二极管后端预留所述匹配阻抗电路的元器件贴片位置。

5.根据权利要求4所述的雷达射频光接收机，其特征在于：所述第一射频接收模块的放大单元由三级放大电路组成，第一级放大电路为低噪放大电路，第二级放大电路、第三级放大电路为功率放大电路；所述第二射频接收模块的放大单元由两级放大电路组成，第一级放大电路为低噪放大电路，第二级放大电路为功率放大电路。

6.根据权利要求2所述的雷达射频光接收机，其特征在于：设有光功率监测报警单元，光功率监测报警单元用于监测PIN光电二极管的光功率输出，并向远程提供监测信号。

7.根据权利要求6所述的雷达射频光接收机，其特征在于：所述光功率监测报警单元由镜像电流检测电路、比较放大电路和光功率报警指示灯组成，镜像电流检测电路的信号输入端接PIN光电二极管，镜像电流检测电路的信号输出端接比较放大电路的信号输入端，比较放大电路的信号输出端接光功率报警指示灯。

8.根据权利要求1至7任何一项所述的雷达射频光接收机，其特征在于：雷达射频光接收机的器件、芯片、接插件均采用表贴微小封装。

9.根据权利要求5至7任何一项所述的雷达射频光接收机，其特征在于：第一射频光接收模块和第二射频光接收模块在壳体内左右独立设置，且相互隔离；每个射频光接收模块均设置于三个腔室内，三个腔室分别对应射频光接收模块的PIN光电二极管、低噪放大电路和功率放大电路。

10.根据权利要求8所述的雷达射频光接收机，其特征在于：射频电路位于印制板的正面，低频电路位于印制板的背面；所说低频电路为自动控制增益单元、光功率监测报警单元，其余电路为射频电路。