CN212845922U - 一种毫米波射频综合前端 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种毫米波射频综合前端，包括频率综合器、毫米波收发信道、电源及控制单元；所述频率综合器主要用于产生送给收发模块的发射激励信号、频率基准信号、二次本振信号，送给信号处理器的100MHz采样时钟信号等；所述毫米波收发信道主要功能是对频率综合器提供的发射激励信号和频率基准信号进行上变频产生发射信号，同时完成三路Ka波段回波信号下变频至接收中频送给信号处理机；所述电源及控制单元用于给内部各个单元模块提供必要的工作电源和控制信号，同时对内部监测信号进行处理后返回整机所需的状态指示信号。

Description

一种毫米波射频综合前端

技术领域

本实用新型涉及一种无线通信技术领域，特别是，涉及一种毫米波导引头前端。

背景技术

目前，毫米波导引头前端是雷达系统中的重要组成部分，实现雷达系统中除天线、信号处理外的其他功能。毫米波导引头前端是雷达系统的一个重要环节，其性能好坏决定了雷达系统的目标探测能力。

实用新型内容

本部分的目的在于概述本实用新型的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和实用新型名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和实用新型名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本实用新型的范围。

因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中接收灵敏度低、噪声大等缺陷，从而提供一种毫米波导引头前端。

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：一种毫米波射频综合前端，包括频率综合器，所述频率综合器用于产生发射激励信号、频率基准信号、二次本振信号及传输至信号处理机的100MHz采样时钟信号等；毫米波收发信道，所述毫米波收发信道接收来自频率综合器所产生的信号，并且对所接收信号进行上变频产生发射信号，同时完成三路Ka波段回波信号下变频至接收中频并发送至信号处理机；电源及控制单元，所述电源及控制单元用于给内部各个单元模块提供必要的工作电源和控制信号，同时对内部监测信号进行处理后返回整机所需的状态指示信号。

作为本实用新型所述一种毫米波射频综合前端的一种优选方案，其中：所述频率综合器包括晶体振荡器、晶振信号分配电路、一本振单元、二本振单元和发射激励单元，所述晶体振荡器用于产生晶振信号并通过晶振信号分配电路将晶振信号功分，所述二本振单元采用点频源产生一接收通道并二次变频的第二本振信号,所述一本振单元与所述发射激励单元均采用DDS分别产生一种供发射通道和接收通道倍频混频的跳频本振信号和一种供发射通道混频的跳频发射激励信号。

作为本实用新型所述一种毫米波射频综合前端的一种优选方案，其中：所述二本振单元采用锁相源功分和分频电路，包括锁相源电路、功分器和二分频电路。

作为本实用新型所述一种毫米波射频综合前端的一种优选方案，其中：所述一本振单元还包括混频电路，所述DDS产生的跳频本振信号与点频源功分后的信号于第一混频器混频，混频后的信号经过第一滤波器、放大器、第二滤波器后，经过第一二倍频器进行二倍频产生基准信号；基准信号再经过一个滤波器、三个功分器功分为四路基准信号，四路基准信号分别经过二倍频器、滤波器后，分别成为三路射频接收通道与一路射频发射通道的一本振信号。

作为本实用新型所述一种毫米波射频综合前端的一种优选方案，其中：所述发射激励单元采用DDS扫频和混频电路，包括DDS扫频产生电路、滤波器和混频电路。

作为本实用新型所述一种毫米波射频综合前端的一种优选方案，其中：所述毫米波收发信道由三个波导口实现，其中一个波导口通过开关切换实现一路发射通道和一路接收通道功能，另外两个波导口实现两路接收通道功能。

作为本实用新型所述一种毫米波射频综合前端的一种优选方案，其中：所述毫米波收发信道包括限幅器、低噪声放大器、射频滤波器、射频开关、混频器、数控衰减器、介质滤波器、放大器、低通滤波器、中频放大器、温补衰减器、LC带通滤波器组成；所述接收通道接收的信号经过限幅器、低噪放、滤波器后，经过射频开关进行信号隔离，随后经过低噪声放大器后于第一混频器处与第一本振倍频信号混频，混频器后的信号依次经过第一数控衰减器、介质滤波器、放大器后，于第二混频器处与第二本振信号混频，混频后的信号依次经过低通滤波器、第二数控衰减器、中频第一放大器、温补衰减器、中频第二放大器、LC带通滤波器后输出。

作为本实用新型所述一种毫米波射频综合前端的一种优选方案，其中：所述发射通道由混频器、滤波器、低噪声放大器、驱动放大电路、功放电路、耦合器检波电路和单刀双掷开关组成；所述发射通道的信号由发射激励信号于混频器处与一本振信号混频，随后依次经过滤波器、低噪声放大器、驱动放大器、功率放大器后，经过耦合器耦合一路信号进入检波电路，检波电路对发射信号进行检波故检，经过耦合器后主路信号经过单刀双掷开关；检波电路包括一个运算放大比较电路；在单刀双掷开关处进行选择：若单刀双掷开关选择发射通道，则发射信号经过功放电路后经过单刀双掷开关输出至天线；若单刀双掷开关选择接收通道，则发射通道关闭，无信号输出。

作为本实用新型所述一种毫米波射频综合前端的一种优选方案，其中：所述功放电路与发射通道及其他电路分腔设置。

作为本实用新型所述一种毫米波射频综合前端的一种优选方案，其中：所述电源及控制单元包括电源电路和控制电路；所述电源电路对外部输入电源的滤波和电压变换，产生内部各模块需要的高质量电源，包括+5.5V去驱动放大器电源电路、+5.5V线性稳压到+5V电路、+5.5V经DC/DC稳压到+3.3V和+1.8V电路、+3.3V线性稳压到+2.5V电路、+1.8V线性稳压到+1.2V电路、-15V直接去大功率单刀双掷开关电路、-15V线性稳压到-5V电路、+12V晶振电源滤波电路和+20V去功率放大器电源电路；所述控制电路根据外部控制指令产生内部所需的各种控制信号，以及返回产品工作状态信息等，包括FPGA电路、差分通信电路和存储器电路。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供一种毫米波射频综合前端，具有快速跳频频率源、功率状态管理、发射通道杂波抑制好、发射通道相位噪声低、接收灵敏度高、增益高且可控、噪声低、高收发隔离等技术优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为一种毫米波射频综合前端总原理框图；

图2为频率综合器工作原理框图；

图3为晶振信号功分电路原理框图；

图4为一本振单元原理框图；

图5为发射激励信号原理框图；

图6为毫米波收发信道原理框图；

图7为电源稳压原理框图；

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

本实施例提供了一种毫米波射频综合前端，结合图1，一种毫米波导引头前端，包括频率综合器、毫米波收发信道、电源及控制单元；所述频率综合器用于产生产生送给收发模块的发射激励信号、频率基准信号、二次本振信号，送给信号处理器的100MHz采样时钟信号等；所述毫米波收发信道主要功能是对频率综合器提供的发射激励信号和频率基准信号进行上变频产生发射信号，同时完成三路Ka波段回波信号下变频至接收中频送给信号处理机；所述电源及控制单元用于给内部各个单元模块提供必要的工作电源和控制信号，同时对内部监测信号进行处理后返回整机所需的状态指示信号。

结合图2，所述频率综合器包括晶体振荡器，用于产生晶振信号；晶振信号分配电路，用于将晶振信号功分；一本振单元，采用DDS产生一供发射通道和接收通道倍频混频的跳频本振信号；二本振单元，采用点频源产生一接收通道二次变频的第二本振信号；发射激励单元，采用DDS产生一供发射通道混频的跳频发射激励信号。

下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步描述：

晶振信号单元

首先因为输出时钟信号的频率为100MHz，所以晶振频率选择100MHz；其次Ka波段发射信号在振动条件下的相位噪声指标要求优于-75dBc/Hz@1kHz、-80dBc/Hz@10kHz，所以晶振在振动条件下的相位噪声要优于-126dBc/Hz@1kHz、-131dBc/Hz@1kHz；再次考虑本项目实际应用背景需要短时间内开机频率稳定，所以选择快速稳定抗振晶振；最后考虑本项目结构尺寸受限，所以晶振尺寸必须小型化。

结合图3，所述晶振信号单元中通过对晶振信号隔离、功分、放大、滤波、功率调整后输出100MHz信号，分配电路包括一功分器、一衰减器、一放大器、一衰减器；所述功分器将晶振信号功分为两路，其中第一路晶振信号经过衰减器、放大器和衰减器功率调整，作为系统时钟输出；另外一路经过滤波器滤波后作为参考时钟给频率综合器单元。

结合图4，所述频率综合器中的一本振单元采用DDS跳频和混频电路，包括DDS跳频产生电路、一个滤波器、一个功分器、混频电路、两个滤波器、一个放大器、一个二倍频器、一个滤波器、三个功分器、四个二倍频器、四个滤波器；DDS跳频信号与点频源功分后的信号于第一混频器混频，混频后的信号经过第一滤波器、放大器、第二滤波器后，经过第一二倍频器进行二倍频产生基准信号；基准信号再经过一个滤波器、三个功分器功分为四路基准信号，四路基准信号分别经过二倍频器、滤波器后，分别成为三路射频接收通道与一路射频发射通道的一本振信号。

具体地，主要元器件的型号和功能如下：

锁相源的相位噪声是本项目的关键，其直接影响最终发射信号的相位噪声指标。当晶振相位噪声指标为-130dBc/Hz@1kHz和-155dBc/Hz@10kHz时，点频源的相位噪声指标为-90dBc/Hz@1kHz和-110dBc/Hz@10kHz，四倍频后相噪恶化12dB，那么到Ka波段其相噪为-78dBc/Hz@1kHz和-98dBc/Hz@10kHz，再考虑混频和电源噪声的影响，最终相噪大约在-75dBc/Hz@1kHz和-95dBc/Hz@10kHz。

DDS芯片选择AD9914,其工作时钟由锁相源二分频产生。

DDS输出的步进频信号跟锁相源上变频取上边带后经过滤波器放大后产生基准信号，这部分电路本方案选择微组装工艺，混频器和放大器选择裸芯片，滤波器选择两级MEMS滤波器，保证输出信号远端交调杂散抑制大于65dBc，经过四倍频后杂散恶化12dB，即输出Ka波段信号的远端杂散约53dB，满足大于50dBc的指标要求。

结合图5，发射激励产生单元采用DDS扫频和混频电路，包括DDS扫频产生电路、一个低通滤波器、混频电路、两个带通滤波器、一个放大器；根据整机指令产生中线性调频信号，作为发射通道的发射激励信号。本项目采用DDS+PLL上变频技术以实现，其中PLL为二本振信号，DDS输出中心频率为125MHz、扫频带宽20MHz的线性调频信号，通过上变频取上边带滤波放大后得到发射激励信号。

2、毫米波收发通信道

结合图6，所述接收通道包括包括限幅器、两个低噪声放大器、一个射频滤波器、一个射频开关、两个混频器、两个数控衰减器、一个介质滤波器、一个放大器、低通滤波器两个中频放大器、一个温补衰减器、LC带通滤波器组成；接收通道接收的信号经过限幅器、低噪放、滤波器后，经过频开关进行信号隔离，随后经过低噪声放大器后于第一混频器处与第一本振倍频信号混频，混频器后的信号依次经过第一数控衰减器、介质滤波器、放大器后，于第二混频器处与第二本振信号混频，混频后的信号依次经过低通滤波器、第二数控衰减器、中频第一放大器、温补衰减器、中频第二放大器、LC带通滤波器后输出。

接收通道的主要指标如下表

接收通道增益、噪声系数、P-1分配表

接收通道主要元器件信号和功能如下：(1)噪声系数

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4dB，高温条件下噪声系数恶化0.5dB，满足全温不大于5dB的指标要求。

(2)增益

接收通道最大增益常温为70dB，全温幅度波动主要取决于低噪放、射频放大器、混频器中频放大器。

整个接收通道增益全温变化为6.5dB，而技术指标要求三温通道变化≤4dB。方案中采用一级5dB温补衰减片在中频进行补偿而使整个通道的增益全温变化为±1.5dB，考虑元器件及制造离散性，计算出全温范围的通道幅度不一致性变化≤2dB，能满足指标要求。

(3)输出P-1

输出P-1取决于末级中频放大器，本方案选择末级中放P-1大于18dBm，经过π型衰减和LC滤波器之后，P-1大于10dBm，满足指标要求。

(4)中频输出1dB信号带宽

中放后的中频滤波器用于保证中频输出信号的纯净度，同时要求中频通带满足信号带宽要求。本方案采用LC带通滤波器实现，插损小于3.5dB，1dB带宽≥21MHz。

(5)镜像抑制

镜像抑制实现是通过选择带通滤波器的方式实现的，根据滤波器指标和放大器的幅频特性，一次和二次镜像抑制均可满足≥40dB指标要求。

(7)通道间幅度一致性

通道选择同批次器件，尽量减少器件的离散性造成增益的不一致性。另外在各通道上预留增益调整电路，对各通道增益进行调整，保证通道间增益一致性满足指标要求。

(8)通道间相位一致性

俯仰和方位接收通道设计成完全相同的电路形式，本振功分选用了一分二、二分四的形式。从理论上可以保证通道间传输路径相同。

和路由于有收发开关存在，必然和其它两个通道存在相位差，但是该相位差在高低温下变化量主要由器件特性决定的，尤其是滤波器的特性决定的，对滤波器相位高低温下变化量加严要求。

(9)通道间隔离度

电路隔离：计算值一定要大于指标要求。通道间的隔离度＝本振功分的通道间隔离度+放大器的反向隔离-放大器的增益+混频器本振至射频隔离＝(18+30-22+30)dB＝56dB。

空间隔离：射频部分，3个通道在不同的金属屏蔽腔内，中频部分采用在印制板上安装金属隔墙的方式，尽量减少空间辐射和空间耦合；

电源隔离：放大器馈电端增加去耦电容或者进行π型滤波的方式进行处理，开关控制端主要通过每个通道一个单独驱动电路的方式进行处理。

(10)数控衰减器

一中频数控衰减选择1位的数控衰减器，衰减量为20dB，二中频数控衰减器选用5位的数控衰减器，衰减位数为1dB、2dB、4dB、8dB、16dB，总衰减量为31dB。两级数控衰减级联可以实现控制动态范围为51dB，满足≥45dB指标要求。

(11)输入端口驻波

两各差路信号端口为限幅器，驻波指标为≤1.3，和路端口为单刀双掷开关开关，指标≤1.5，可以保证端口输入驻波不大于1.6。

(12)发射功率(全功率状态)

发射功率是实现发射机功能的主要指标。中频信号经过两次上变频后产生≥37dBm(10W)的端口输出功率。考虑到单刀双掷开关的插入损耗1dB，末级功放的输出功率应为≥38dBm(10W)。为了保证功放输出波形，脉冲功放的增益留有一定的压缩，本方案增益压缩值为5dB。末级功放采用GaN功放芯片，其饱和输出功率为40dBm，经过单刀双掷开关插损1dB，最终输出功率常温为39dBm，高温60℃工作时功放输出功率会减小约1dB，即高温输出功率为38dBm。

表5发射通道增益功率分配表

(13)发射链路防自激措施

由于发射链路二次变频后增益较高，容易自激。设计上采取下面三种措施：保证各级之间良好的驻波匹配；将后面功放部分与前级变频链路分腔处理。

(14)输出射频脉冲包络顶部降落

根据要求，产品电源调制最大的脉宽为15.3us，脉冲宽度较窄，设计时选用合适大小的电源储能电容，可以满足顶降0.5dB的指标要求。

(15)带内杂散

首先发射激励的杂散满足≤-50dBc的要求，上变频杂散主要是本振信号抑制，混频器本振信号抑制为-20dBc，滤波器对本振信号抑制为40dB，通过理论计算及工程实现，杂散抑制为-52dBc。

3、电源及控制单元

结合图7，电源及控制单元的主要功能是：对外部输入电源的滤波和电压变换，产生内部各模块需要的高质量电源；根据外部控制指令产生内部所需的各种控制信号，以及返回产品工作状态信息等。本方案选用ALTERA公司Cyclone IV系列的EP4CE22F17I7N作为此项目的核心控制器件，总共132个I/O口、4个PLL、20个全局时钟等资源，能充分满足本项目的需要。电源电路对外部输入电源的滤波和电压变换，产生内部各模块需要的高质量电源，包括一个+5.5V去驱动放大器电源电路、一个+5.5V线性稳压到+5V电路、一个+5.5V经DC/DC稳压到+3.3V和+1.8V电路，一个+3.3V线性稳压到+2.5V电路，一个+1.8V线性稳压到+1.2V电路，一个-15V直接去大功率单刀双掷开关电路，一个-15V线性稳压到-5V电路，一个+12V晶振电源滤波电路，一个+20V去功率放大器电源电路。

重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本实用新型的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本实用新型的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本实用新型不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本实用新型的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本实用新型不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种毫米波射频综合前端，其特征在于：包括，

频率综合器，所述频率综合器用于产生发射激励信号、频率基准信号、二次本振信号及传输至信号处理机的100MHz采样时钟信号等；

毫米波收发信道，所述毫米波收发信道接收来自频率综合器所产生的信号，并且对所接收信号进行上变频产生发射信号，同时完成三路Ka波段回波信号下变频至接收中频并发送至信号处理机；

电源及控制单元，所述电源及控制单元用于给内部各个单元模块提供必要的工作电源和控制信号，同时对内部监测信号进行处理后返回整机所需的状态指示信号。

2.根据权利要求1所述一种毫米波射频综合前端，其特征在于：所述频率综合器包括晶体振荡器、一本振单元、二本振单元和发射激励单元，所述晶体振荡器用于产生晶振信号并通过晶振信号分配电路将晶振信号功分，所述二本振单元采用点频源产生一接收通道并二次变频的第二本振信号,所述一本振单元与所述发射激励单元均采用DDS分别产生一种供发射通道和接收通道倍频混频的跳频本振信号和一种供发射通道混频的跳频发射激励信号。

3.根据权利要求2所述一种毫米波射频综合前端，其特征在于：所述二本振单元采用锁相源功分和分频电路，包括锁相源电路、功分器和二分频电路。

4.根据权利要求2或3所述一种毫米波射频综合前端，其特征在于：所述一本振单元还包括混频电路，所述DDS产生的跳频本振信号与点频源功分后的信号于第一混频器混频，混频后的信号经过第一滤波器、放大器、第二滤波器后，经过第一二倍频器进行二倍频产生基准信号；基准信号再经过一个滤波器、三个功分器功分为四路基准信号，四路基准信号分别经过二倍频器、滤波器后，分别成为三路射频接收通道与一路射频发射通道的一本振信号。

5.根据权利要求4所述一种毫米波射频综合前端，其特征在于：所述发射激励单元采用DDS扫频和混频电路，包括DDS扫频产生电路、滤波器和混频电路。

6.根据权利要求1所述一种毫米波射频综合前端，其特征在于：所述毫米波收发信道由三个波导口实现，其中一个波导口通过开关切换实现一路发射通道和一路接收通道功能，另外两个波导口实现两路接收通道功能。

7.根据权利要求6所述一种毫米波射频综合前端，其特征在于：所述毫米波收发信道包括限幅器、低噪声放大器、射频滤波器、射频开关、混频器、数控衰减器、介质滤波器、放大器、低通滤波器、中频放大器、温补衰减器、LC带通滤波器组成；

所述接收通道接收的信号经过限幅器、低噪声放大器、滤波器后，经过射频开关进行信号隔离，随后经过低噪声放大器后于第一混频器处与第一本振倍频信号混频，混频器后的信号依次经过第一数控衰减器、介质滤波器、放大器后，于第二混频器处与第二本振信号混频，混频后的信号依次经过低通滤波器、第二数控衰减器、中频第一放大器、温补衰减器、中频第二放大器、LC带通滤波器后输出。

8.根据权利要求6所述一种毫米波射频综合前端，其特征在于：所述发射通道由混频器、滤波器、低噪声放大器、驱动放大电路、功放电路、耦合器检波电路和单刀双掷开关组成；

所述发射通道的信号由发射激励信号于混频器处与一本振信号混频，随后依次经过滤波器、低噪声放大器、驱动放大器、功率放大器后，经过耦合器耦合一路信号进入检波电路，检波电路对发射信号进行检波故检，经过耦合器后主路信号经过单刀双掷开关；检波电路包括一个运算放大比较电路；在单刀双掷开关处进行选择：若单刀双掷开关选择发射通道，则发射信号经过功放电路后经过单刀双掷开关输出至天线；若单刀双掷开关选择接收通道，则发射通道关闭，无信号输出。

9.根据权利要求8所述一种毫米波射频综合前端，其特征在于：所述功放电路与发射通道及其他链路分腔设置。

10.根据权利要求1所述一种毫米波射频综合前端，其特征在于：所述电源及控制单元包括电源电路和控制电路；

所述电源电路对外部输入电源的滤波和电压变换，产生内部各模块需要的高质量电源，包括+5.5V去驱动放大器电源电路、+5.5V线性稳压到+5V电路、+5.5V经DC/DC稳压到+3.3V和+1.8V电路、+3.3V线性稳压到+2.5V电路、+1.8V线性稳压到+1.2V电路、-15V直接去大功率单刀双掷开关电路、-15V线性稳压到-5V电路、+12V晶振电源滤波电路和+20V去功率放大器电源电路；

所述控制电路根据外部控制指令产生内部所需的各种控制信号，以及返回产品工作状态信息等，包括FPGA电路、差分通信电路和存储器电路。

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