专利名称：低成本无线毫米波户外装置(odu)的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线户外装置的领域，更确切地说，本发明涉及使用微波单片集成电路(MMIC)的毫米波无线地面室外装置。
(2)背景技术高速、高数据传输速率通信的需求增长产生了对宽带接入相关网络基础设施的迫切需求。新的应用包括计算机与计算机的通信、游戏以及基于视频的服务。无线解决方案所提供的便利在于可轻松地配置而不需要为了布置光纤而破坏街道。无线解决方案同时还提供了进一步的灵活性，当添加新的用户时新的通信连接可以添加到网络中。另外，无线传输方案与光纤及硬线连接方案相比成本更低。
毫米波(MMW)频带的使用允许无线连接的数据容量达到数字用户环路(DSL)或有线调制解调器、系统的约一千倍，并且在较低的操作频率下提供一个比现有的更高的带宽。目前，许多地面无线系统以点对点方式、单点对多点方式、本地多点分布服务(LMDS)以及网状结构等来构造。每一个连接终端都包括一个室内装置(IDU)和一个户外装置(ODU)。室内装置通常包括一个调制解调器和一个功率电源。户外装置，大约占据连接成本的百分之六十，典型地包括一些组件如毫米波发射机和接收机或者集成的收发机、频率源如频率合成电路、功率电源、控制器以及监视电路。
不同的厂商通常会制造这些组件。一个户外装置的制造就是将组件装配在一个大的外壳中并且将这些组件用电缆和带状线连接起来。户外装置要接受测试，同时实现它基于温度而变化的工作特性，这个过程一般需要几个小时来完成。
这种装配和测试户外装置的方法花费昂贵，需要许多手工劳动，并导致较低的操作可靠性。
(3)发明内容因此本发明的一个发明目的是提供一种能够克服上文所述的缺点户外装置。
本发明有利地减小了在高速、高数据传输率无线通信中所使用的传统宽带户外装置的体积以及成本。本发明提供一个较小体积的户外装置，并方便地将户外装置集成于现有的通信系统的硬件组件，如将户外装置组装在现有的天线上。它可以方便地集成在发射塔装置中，并且可以缩减成本同时使网络服务提供商为用户提供一种更能承受的服务。
毫米波户外装置适合装载在天线上并且配有一个带散热片的外壳以及专为天线装载的设计的装配组件。装配组件包括发射和接受的波导孔。毫米波收发机板是由陶瓷材料所制成的，并装配在外壳内还含一个毫米波的收发电路，该收发电路包括微波单片集成电路(MMIC)芯片，可以通过发射和接收孔进行操作。
中频(IF)板装配在外壳中，它具有一些组件以组成一个可由毫米波收发电路操作的中频电路。频率合成器板装配在外壳内。控制器板装配在外壳内并且表面贴装了直流和低频分离元件，由此组成了电源和控制电路为其它板上的其它电路提供各自的电源和控制信号。电路接触组件将不同板之间的电路互相连接起来使其中的电缆和硬线的使用达到最小化。一个快速连接/断开组件可供外壳使用以使外壳与天线可以迅速连接或断开连接。
本发明的一个方面，快速连接/断开组件包括扣件。外壳分离部件可以分离各自的收发机和控制板并且频道化，至少有一个电磁干扰垫圈帮助把板上的各个电路隔离开。中频电路可用来接受由室内装置的调制解调器所输出的低频发射信号并且将该信号变换成中频信号并进行放大。它也可接受来自毫米波收发机板所输出的中频信号并将其传输到室内装置之前变换成环低频信号。
本发明的另一个方面，发射和接收微带至波导的转换是在毫米波收发机板上形成的并且可由各自的发射和接收波导孔来控制。外壳部件还包含一块盖板，在该盖板的上面构造了波导孔。频率合成板装配在一个浮置的非机械附着的接口中，以允许相对移动与热膨胀系数的不匹配并减少相位冲突。控制板的装配可用于固定散热片。
本发明的另一个方面，毫米波收发机主板靠近中频板装配并且两端相平。电路连接组件可以把各自板上的电路互相连接起来，并且各自都包括一个外壳部件，该部件具有一个插座的夹子和电路板固定用的表面，并且至少一个导电的夹子具有在夹子插座内容纳的另一端。夹子部件的一端可固定在一个板子的电路上，另一端加偏压使之连接到另一块板子上的电路。微控制器装配在控制板上可有效地连接到至少一个微波单片集成电路芯片，可以有效地控制收发增益与输出功率。这个微控制器可以响应所检测到的温度。收发机主板可以在选择的频带下进行操控，并且很容易从外壳中拆下，以便于允许可在不同频带下工作的收发机板进行替换。控制板是由聚四氟乙烯合成材料所制成。
(4)
本发明的其它目的、特征和优点有下面结合附图的详细描述将会变得更加清晰。其中图1是现有技术中的地面户外装置的等距视图。
图2是本发明能够用于毫米波频率上的户外装置的方框图。
图3是一例自调谐毫米波收发机微控制器电路的示例方框图，它可以修改与图2的户外装置一起使用，具有本发明的增强电路功能。
图4是显示外壳组件的等距分解视图，显示了一例相对于作为分离板的平板和外壳组件部分定位的主板的实例。
图5是显示了本发明能使用的基板和元件的局部大致等距视图，并显示了一例典型的高频微波单片集成电路(MMIC)芯片、滤波器、低成本表面贴装组件以及各组件之间的互连的实例。
图6是显示一例本发明中能使用的单层基板实例的局部分解视图，并显示了射频电路、粘结以及射频接地层。
图7是显示一例本发明中能使用的单层基板实例的局部分解视图，它包含了设置在基板上的绝缘层和电导层。
图8是本发明中能使用的微带至波导转换的分解平面图。
图9是本发明中能使用的微带至波导转换的另一分解平面图。
图10是本发明中能使用的表面贴装、压力接触的接插件的分解剖面视图，并显示了板与板，如本发明能使用的陶瓷板和控制板或者“软”板，之间的连接。
图11是诸如图10所示的一些接插件的等距视图，这些接插件定位在第一块印刷电路板上的相邻位置，它们用来形成可以在上部协同层(如陶瓷板和控制板或者“软”板)之间传递高频率射频信号、地、直流信号的连接系统。
图12显示了装配在天线上的本发明的户外装置。
图13是显示现有技术的调制器解调器结构的方框图。
图14是显示本发明中室内和户外装置中不同系统之间互连的方框图。
图15是本发明能使用的多路复用器/解复用器的电路图。
图16是监视和控制调制器的方框图，用来实现室内(调制解调器和IF硬件)与户外(IF至RF转换器硬件)装置之间的通信。
图17是本发明的调制器的电路图。
图18是本发明的解调器的方框图。
图19是本发明能使用的解调器的有源滤波器的电路图。
图20是本发明能使用的解调器的包络检波器的电路图。
(5)具体实施方式
下文将结合附图对本发明的具体实施方式
进行更全面地描述，附图中显示了本发明的较佳实施例。当然，本说明可以许多不同的形式来实施但分析不应仅限于此。确切地说，提供这些具体实施方法是为了使本披露公开地更加彻底与全面，同时也将本发明涵盖的内容传递给本技术领域熟练的技术人员。全文中相同的数字指相同的元件。
本发明有利地减小了在高速、高数据传输率无线通信中所使用的传统的宽带户外装置的体积以及成本。本发明与数字用户环路(DSL)、有线电视调制解调器或者类似的通信系统相比更具优势，它可以应用于点对点、单点对多点、本地多点分布式服务(LMDS)以及网状通信结构中。本发明缩减了户外装置的体积，使其更易于集成于现有的通信系统部件中，如将户外装置装配在现有的天线上。本发明的户外装置也很容易集成到发射塔装置中。整个户外装置成本的降低也使网络服务提供商为用户提供一个更能承受的服务。
本发明的优势在于提供一个轻型的、高集成、低成本、紧凑的户外装置，它还限制了连线装置和连接电缆的使用。本发明的户外装置包括一个动态热管理系统，它使得户外装置能够处于一个安全的温度中，从而增强了电子器件的可靠性，虽然户外装置整体尺寸很小。适用于本发明的户外装置的模块化设计使得一个单独的平台可以适用于很宽的频率范围的使用。另外，户外装置可以享用一个通用标准接口来连接天线，使其与天线可以迅速地连接或断开连接。
图1图示说明了一个在地面通信中使用的典型的现有技术的无线户外装置30。如图所示，现有技术的户外装置30有一些组件，彼此功能独立，需要单独测试而且仔细地选择和制造来构造地面无线户外装置。外壳的四周31支撑着电路和其它的装配板32，在该板上装配毫米波(MMW)发射机33、毫米波接收机(MMW)34以及频率合成器35。中频(IF)处理器电路与其它电路相分离或是其中的一部分，它可以控制频率合成器、发射机和接收机。功率电源36提供发射机、接收机和频率合成器所需的电源。波导滤波器37提供响应的信号滤波使其正常工作。
在这种类型的现有技术的户外装置30中，如图所示，各种组件使用昂贵的连线装置和同轴电缆38来连接。同时，正如前文所述，不同的厂商生产不同的组件。无线电制造商从不同的厂商处购买这些组件，在组装前对各部分进行独立测试，组装后对整个户外装置进行测试。户外装置的温度特性测试一般要在很大的环境腔体中进行。这种类型的户外装置通常超过20磅，在目前的经济时期下，根据所需的性能和最终使用情况，一般需要花费约在5000美元至10000美元之间。
图2是图示说明了本发明的户外装置40的基本组件的高质量的方框图。如图所示，本发明的户外装置40包含了发射机电路链42、接收机电路链44以及本机振荡电路链46。部分中频电路，同时也是构成了发射机电路链42和接收机电路链44的一部分，典型地安装在中频(IF)板(或卡)48上。毫米波收发机电路包含了发射机电路链42、接收机电路链44和本机振荡电路链46的部分，装配在(RF)收发板(或卡)50上，边沿与中频板(或卡)48对齐。频率合成器电路52装配在频率合成器板(或卡)54上。功率电源电路56可以与调节器/控制器电路58装配在一起，调节器/控制器电路包括一个装配在功率电源/控制器板(或卡)60上的微处理器或者其它微控制器电路。
外壳62把各块板装配在一起实现功能上的配合动作，如图4所示，主外壳和散热片62a、外壳中间部件62b(作为外壳隔离板)和盖板62c的组合构成了外壳的主要部件。这些组件可以用铝或其它类似材料制成。收发机(射频)板50和边沿相连的中频板48通过以及形成频道化的64a的隔离版64与功率电源/控制器板60分隔开。中频板48和边沿相连的收发机板50装配在外壳中间部份62b一侧，并通过外壳中间部份62b与频率合成器板52分隔开，其中外壳中间部分包括了一个电磁干扰垫圈66。隔离板64有一个用于保护收发机板50的扩展部件64b，它也很容易拆卸外壳以及边沿相连的中频板。频率合成器板52装配在外壳中间部件62b靠近盖板62c的另一侧。外壳62包括一些扣件，它们可以嵌入在合适的扣件位置63，用于在装配时把各部件固定在一起。发射和接收波导孔62d、62e可定位在盖板62c上，用来发射和接收各自的无线信号。
图2的方框示说明了电路的基本组件，其中低频发射机信号可从室内装置(IDU)的调制解调器接收，然后通过进入输入/输出端68a输入到同向双工器68。从同向双工器68，信号可以沿着收发机电路链42通过，并上变换成中频(IF)并放大。如图所示，同向双工器的信号输出至混频器69，当混频器69将该信号与由70所产生的本机振荡信号进行混频，其中本机振荡器作为频率合成器电路52的一部分用于生成适当的中频信号。带通滤波器71通过适当的滤波消除某些窦生信号和窦生频率。可变增益放大器72(可以由微控制器来控制)为沿着发射电路链42传输到收发机板上的信号提供附加增益。可变增益放大器72输出的信号可由混频器73与另一个本机振荡器信号进行混频，形成所需的发射频率。带通滤波器74滤去所不需要的信号和窦生信号。发射高增益放大器75进一步放大待发射信号。波导转换器76允许信号转换成发射信号同时允许一个信号环路通过反馈环电路77进行分析。
在收发机端，波导转换器78接收信号并将该信号转发至低噪声放大器79和带通滤波器80，然后输入混频器81与频率合成器电路52所生成的本机振荡信号进行混频，构成适当的中频信号通过接收机电路链44。这个中频信号馈至具有可变增益放大器82的中频板48。信号传至带通滤波器82a和混频器82b，混频器将该信号与本机振荡器83所生成的本机振荡信号进行混频，其中本机振荡器作为频率合成器电路的一部分。在混频之后，信号转发到同向双工器，然后再由同向双工器通过输入/输出端口68a发送给室内装置(图中未示)。接收信号强度指示电路84通过耦合器85进行耦合来接收小部分的接收信号并确定所接收到的信号的强度。
频率合成器电路52通过压控振荡电路来产生各种所需的本机振荡信号，其中压控振荡器电路可以用相位锁定晶振。电路52包括了主振荡电路86，它将本机振荡信号转发给多路复用器87和带通滤波器88，用于消除不需要的信号和窦生信号。分离器89将发射机电路链42和接收机电路链44的各自信号进行分离。
这是适合本发明的一个方面，户外装置与室内装置之间更适合用一根单独的同轴电缆相连，可以通过在同一根电缆上传输的开/关键控来使用遥控系统。同向双工器68将接收机电路链44和发射机电路链42上的中频信号、直流信号以及控制和命令语音分离开，这些信号都是频率复用在同一根电缆上的，这些将在下文中更具体地解释。功率电源电路56将高电压直流信号例如大于24伏特的直流电转换成控制放大器和其它任何电路所需要的较低电平和直流信号。如图所示，频率合成器电路52和各种振荡器电路包括主振荡器电路86，它将所产生的振荡信号转发至乘法器87，接着通过带通滤波器88输入分离器89。
调节器/控制器电路58可以包括诸如微处理器之类的微控制器，用于提供控制与监视(C&M)功能以及与室内装置的接口。微控制器电路提供了“智能”收发功能，通过微控制器的操作来增强电路的功能。接收机电路链44和发射机电路链42可以在中频(IF)板(或卡)48的中频信号下工作。组成这些电路的组件一半都定位在陶瓷基板上，例如基板是陶瓷材料，如95％或96％的氧化铝材料，这些组件都可以转发和接收室内装置的预定中频信号X中频工作。收发机(RF)板也可以如图4所示，类似地构成而且边沿相接。
以上所描述的任何放大器一般都可以微波单片集成电路(MMIC)芯片的方式构成。来自调节器/控制器电路58中的微控制器的增益控制信号可以控制任一个可变增益放大器的增益。接收信号强度电路84可以确定信号强度并且产生接收信号强度指示信号给微控制器。自然，微控制器也可以通过各种传感器来接收输入信号，比如温度传感器，这在下文会进一步解释，又或者是用户的输入，或者预先定义的标准控制信号。微控制器可以输出增益控制信号并且放大门偏置信号。
如前文所述及图2所示，户外装置也包括一个信号反馈环电路77，并且可由发射机电路链42、接收机电路链46以及本机振荡器电路链46控制。信号反馈回路77包括混频器90和振荡器91(频率合成器电路52的一部分)。所产生的振荡信号在混频器90中与波导转换器78所接收到的信号进行混频，然后耦合输出到本机振荡电路46的另一个输出端。收发机板(或卡)包括混频器92和检波电路93作为信号反馈电路的77的一部分来对发射信号进行检波，这两个信号也通过耦合器94耦合至混频器90。检波电路90的输出信号也可以转发至微控制器，用于分析和辅助控制收发功能。这整个电路可以工作在各种频率下，包括Ka频段。需要理解的是，本机振荡(LO)信号可以由一个振荡器如X射线带(9-10GHz)低成本介质谐振振荡器(DRO)(自由运行或相位锁定)或乘法VCO相乘来产生。传感器电路95的信号，例如，温度或者电压，可以转发至调节器/控制器58，用于分析和改变三极管偏置和其它条件以及改变整个装置的工作。
微控制器更适合合并于调节器/控制器电路和微处理器电路中，它同样装配在控制器板60表面。这一类型的板可以构成一个独立的“软”板或者控制器板，如前文所述，某些情况下也可以包括功率电源。与适用于较高频率组件装配的陶瓷板相比，这些组件与其它低频组件可以装配在“软”板即控制器板上。微控制器可提供控制和监视功能以及与室内装置的接口。微控制器还能提供逻辑“智能”，这是控制装置中各个MMIC芯片所需的，比如使用一个电路功能，该功能在共同转让的美国专利申请序列号09/863,052，题为“自调谐毫米波射频收发模块”一文中叙述过，该申请的全部内容通过参考合并于此。
为了减少相位冲突，这较典型地由外壳(和它的组件)或者印刷线路板材料与温度不同的膨胀率所引起的，或者频率合成器板54没有用任何扣件与外壳连接在一起。在外壳盖板之间的滑动是允许的，也可以用中间部件62构成隔离板或者部件。外壳盖板与隔离板上的EMI垫圈可以用来在空间上支撑电路板并且提供电路间所需的绝缘隔离以减少空间冲突。这个具有优势的“浮置”设计在共同转让的美国专利申请序列号6,489,551，题为“微波单片集成电路(MMIC)中的毫米波(MMW)模块”一文中叙述过，该申请的全部内容通过参考合并于此。
如微控制器电路110的一个没有限制的实例，它可以改进成适用于本发明使用以控制微波单片集成电路芯片和自偏置电路，下面将结合图3来描述。当然，也可以设计其它的电路。下文结合图3所描述的电路只给出了一个可以用于本发明中的能实现功能的微控制器电路的类型的范例。图3图示说明了一个可用的低成本电路的范例，并且解释了本发明所讨论的微控制器功能的目的。整个电路可以用低成本的现有的大批量生产的(COTS)表面贴装的芯片来实现。
自调谐毫米波收发机模块110如图所示，它包括了一个射频微波单片集成电路芯片，作为一个模块制成并如虚线112所示，表面贴装的数字微控制器可由虚线114所示。
微波单片集成电路模块与典型的微波单片集成电路芯片一样，可包括众多放大器，但为了简化只画出了一个放大器116用来描述。射频信号输入并且通过滤波器118，然后输入放大器118，放大器118具有正常的栅极、源极以及漏极。从放大器116输出的射频信号又输入另一放大器116a(如果存在)。微波单片集成电路芯片112可以在一块芯片上包括许多个放大器116。表面贴装的数字控制器114包括了一个数字电位计120，它有一个非易失性的存储器电路。电位计的一个实例包含了一个AD5233电路。电位计120能够处理大约-3伏特的偏置电压。
电流传感器122，如漏极电压为3-12伏特的MAX471，通过漏极与地线和放大器116相耦合。电流传感器122连接着多通道采样及模转数电路124，如AD7812。其它电流传感器连接着其它放大器(图中未示)，也连接到模转数电路124。温度传感器126与频道采样A/D电路相连接，用来测量微波单片集成电路模块的温度。微处理器128属于表面贴装的数字控制器的一部分，与EEPROM129以及其它组件相连接，包括多通道采样A/D电路124和非易失性的存储器数字电位计120。如图所示，电位计120与MMIC上的其它放大器相连，可以对各自的放大器的栅极电压进行单步调整并提供独立控制。
同样，如图中阐述的，放大器116输出的射频信号通过无源耦合器130馈至电源监视二极管或者其它与地相连接的检波器电路132。这个与无源耦合器130的连接也可以转发至多通道采样A/D电路124。
通过测量由漏极吸入的电流量(Id)和检波器电路132测量放大器输出(如果有效的话)，电路可以自动调节放大器的栅极电压(Vg)直到放大器116达到它最佳工作环境。这可以通过控制(通过数字串行接口)数模(D/A)转换器转换电位计120所产生的输出电压来获得。D/A转换器包含非易失性存储器，目前可购得的四通道转换器大约不足3美元。
随着栅极电压的变化，电流传感器122可提供一个与放大器116所汲入的漏极电流成正比的电压输出。多通道串行模数转换器(A/D)24对电流传感器的输出数字化，即，将漏极电流值数字化。漏极电流值与预存的最佳放大器漏极电流值相比较，预存的电流值存放在EEPROM 129。栅极偏置电压可进行调整直至达到到最佳漏极电流值。MMIC芯片上具有的或外部附加的检波器电路通过测量输出功率来确认漏极电流的设置是否已达到最佳值。检测器输出132与预存的预期放大器输出的正常值作比较。
漏极电流的调整、电流检测以及检测器输出测量都可以通过使用低成本微处理器或者用在模块测试中所完成的一次性设置以实时持续的调整模式来实现。EEPROM 129用来存放预置的芯片特性，例如最佳漏极电流和射频电路在不同环节中的预期输出。
电流测量传感器122也支持对电路中的各个放大器进行诊断。电流测量电路也可检测在电流汲取中的任何非预期的衰落和增加。通过监测温度传感器126，微处理器128可确定电流(Id)的变化是不是由温度变化和故障所引起的。各个放大器116都可通过数字串行接口报告状态。
如果直流功率的消耗是热量方面最为关注的问题，则任何一个放大器116都可以通过栅极电压控制来调节，使得放大器汲入最少的电流。用户可以选择一个最大的温度，则微处理器会通过控制直流功率在MMIC芯片中的耗散将收发机维持在该温度或低于该温度。
控制RF模块中增益和输出功率的传统方法是在发射电路链中使用有源衰减器。这种方法效率较低，因为链中所有的放大器都会消耗功率。通过使用数字电位计120，就可以单独或者分组控制各个放大器的增益与输出功率。本发明使模块可以不受限制地控制增益和输出电压，而不需要在各个放大器后增加有源衰减器，这样，降低了成本并且消除了不必要的直流功率的消耗。
RF功率检测可以，利用将部分放大器的输出功率(15至20分贝)耦合至无源耦合器130通过功率监视二极管和检测器电路132来获得。二极管132a可以检测耦合器的输出。二极管132a的输出并由串行A/D转换器进行放大和数字化。
数字电位计120、各个放大器的电流传感器122以及温度传感器126允许模块在温度功能变化时能够自己调整它的增益。当模块的温度变化时，通过将放大器所预置的电流吸入值维持恒定来实现这一功能。在本发明中，模块增益和输出功率都可以高精度地控制。
用户能够编制模块中发射机、接收机(甚至是本机振荡器)电路链的各个环节的增益，从而提高了平衡关键性能参数的灵活性，比如发射机对于互调电平(IM)的噪声系数(NF)的调节，而不需要更改电路设计。实时单独的芯片控制可以使用户能在希望的条件下进行工作，例如，适用于高速调制通信的线性模式。
应该理解的是，本文所描述的自优化技术也可以用于具有MMIC芯片的不同器件上，如混频器、乘法器和衰减器。在装配期间出于安全的考虑，通过夹断(最大负栅极偏置)，发射链上的所有放大器都可以具有高度衰减(超过50分贝)。本发明不需要附加的开关或硬件。
微处理器128和上文提到的芯片控制电路的使用使得制造商能够只激活那些客户所需要的特殊应用的性能，如前文所描述的户外装置。虽然硬件是类同的，但性能是可以由软件来控制的。这就可以在许多不同的应用中灵活地使用同一个模块或电路板(或卡)，包括无线点对点、单点对多点、甚至很小的操作终端。另外，微处理器和标准接口的使用提供了设备的在线可编程性能和软件升级(提供附加特性)，而不需要拆卸它们。
微控制器114的使用、辅助微处理器128以及板上EEPROM129的使用提供了各种功能的修正与调试。在这个具体讨论的功能中，修正可能包括但不仅限于(a)增益与温度的变化，(b)功率监视电路以温度和频率的作为函数的线性化，(c)增益以频率的作为函数的量化，和(d)以频率和温度作为函数的功率衰减的线性化。微处理器128可用于控制器件中的各个有源器件，而EEPROM 129可用于存储修正因子，这就提供了相当高的灵活度，也使模块或其它器件能够高精确度、高性能地工作。模块在温度和频率方面的特性数据(增益、功率、噪声系数)可在测试过程中予以收集。修正因子可用于普通模块或其它器件的工作中以得到期望的性能。
本发明中的微控制器可以检测各种工作状况，例如但也不限于，温度，发射机的输出功率、发射机的增益以及接收信号强度(RSS)。基于这些信号和室内装置的所发出的选择信息，微控制器能够自动地和连续地调整收发机增益和输出功率，以维持在各种温度和天气条件下的期望性能。
收发机(RF)板50上所使用的微波单片集成电路(MMIC)芯片可以采用传统的表面贴装方法装配在首选的陶瓷板上。陶瓷板可以用于毫米波(MMW)射频电路，而控制器(软)板60可以装配微控制器和所有直流和低频信号组件。MMIC芯片可以采用另一项技术直接附加在陶瓷板上，该技术在共同转让的美国专利申请序列号10/091,382，题为“毫米波(MMW)射频收发机模块及其构成方法”一文中叙述过，该申请的全部内容通过参考合并于此。
控制器或“软”板60可以包括各种表面贴装组件和相关电路组件，而且可以有效地与各种同轴接插件和其它接插件相连接，用来连接在任何“软”板与陶瓷板之间的电路，例如控制器板和收发机板之间的电路如图4所示。盖板62c包括发射和接收波导孔62d、62e，它可采用各种电路连接结构和技术有效地连接着各种MMIC芯片。控制器或“软”板60可包括各种表面贴装部件，和相关的电路部件，并可以有效地连接同轴接插件，同时使用下文将要描述的接触式接插件来连接各种控制器或“软”板和用于收发机射频板50以及也可能是用于中频板48的陶瓷板上的各种电路。
382号申请书中揭示了现有技术“芯片和线”制造技术的改进技术，它可以用于本发明中。毫米波(MMW)射频收发机模块包括了一块基板。大部分的微波单片集成电路(MMIC)芯片可以由基板支撑，一个方面，可分为接收机部分、本机振荡器部分和发射机部分。大部分滤波器和射频的互连都形成在基板上，并可与接收机部分、本机振荡器和/或发射机部分一起工作和/或相互连接。大部分电气互连可与接收机部分、本机振荡器部分和/或发射机部分一起工作和/或相互连接。
图5-8图示说明了一个本发明所使用的电路类型、主板结构以及在包括MMIC芯片的功能电路组件间的互相连接不受限制的的类型。当然，也可以使用其它电路结构和设计。
如图5所示，大部分微波单片集成电路(MMIC)芯片由较佳是由陶瓷所制成的基板支撑，例如氧化铝板，并且可分为接收机电路254、本机振荡器电路256以及发射机电路258。大部分滤波器259和射频的互连形成在基板上，可与接收机部分254、本机振荡器256和/或发射机部分258一起工作和/或相互连接。任一滤波器259和射频互连260(图6)首选使用本技术领域熟练的技术人员皆知的厚膜工艺技术制成，如低温陶瓷共融技术，并且可作为顶层电路261的一部分。大部分电气互连可与接收机部分254、本机振荡器部分256和/或发射机部分258控制。在本发明的一个方面，电气互连是使用本技术领域熟练的技术人员皆知的印刷电路技术(如果需要也包括厚膜工艺)印刷在基板上的，可作为电路层261的一部分。
图5显示了单层陶瓷板248、具有MMIC芯片的顶层采用厚膜工艺和/或其它工艺印刷在其之上(图6)的RF互连(电路)的实施例。底层包括形成在陶瓷板基板另一侧上的射频和接地层262。如图6中的电路层261所示，电气互连(电路)与射频互连(电路)一般都一起印刷在顶层上。
本发明的另一方面，至少一列接地的过孔264形成在这个基板上，并提供至少是在发射机254和接收机258电路之间的隔离。过孔264从基板的上部一直贯穿到底部直至射频层和接地层262。接地的过孔264在发射机模块中如发射机和接收机电路链之间提供大于70分贝的高隔离度。过孔264的间隔典型地是大约四分之一个波长，过孔的密度可以根据隔离的要求进行调整。在较低的隔离要求情况下，单牌接地过孔264的间隔大约是0.4倍波长。在较高的隔离度要求情况下，还可以使用第二个补偿过孔。
本发明的另一方面，单陶瓷基板248可以由大约90％至100％的氧化铝来制成，且在一个较佳实施例中，为大约95％或96％至99％的氧化铝。基板248可以具有不同的厚度，范围在约5密耳至10密耳，而从本发明的角度来说较佳为10至15密耳厚。
如图5所示，高频电容器嵌在陶瓷基板的上表面。嵌入式电容器可消除高频率MMIC芯片所使用的传统的和普遍的高成本金属板电容器的需要。有可能在电容器的介质材料中添加一些阻性材料，从而优化电容器的谐振频率。在嵌入式电容器的电容值不足以抑制振荡的情况下，贴片(SMT)电容器也可以采用环氧树脂粘结在陶瓷基板的顶层。
如图5和图6所示，有可能在MMIC芯片下形成用导电材料填充的散热(或者可以是RF)过孔268，以获得满意的电气性能和改良的热导电性。这些过孔268可从MMIC芯片延伸到射频和粘结的接地层262。如果MMIC芯片还是产生大量的热量，可以在陶瓷基板中切割一个开口270，如用激光切割器切割成的，可以使MMIC芯片附件的热扩散系数与托架或散热片相匹配，这也是底盘的一部分。
图7图示说明了一例陶瓷基板248包括一层射频接地层272的实施例。如图所示，直流电路层274和粘结的接地层276由两层绝缘层278与陶瓷基板分隔开。射频过孔280将射频电路层261有效地连接到射频接地层272。DC过孔282将基板上表面的嵌入式电容器266有效地连接到DC电路层274。热过孔268将MMIC芯片252通过过陶瓷基板248和两层绝缘层278有效地连接到粘结的接地层276。
图5如图所示说明了射频电路261的一部分所形成的50欧姆微带线286和作为电气互连(电路)形成的直流信号引线带288。发射机部分258和接收机部分254包括直流和中频连接焊盘290，它可有效地通过50欧姆微带线和直流信号引线连接到作为接收机电路和发射机电路一部分的各种微波单片集成电路芯片。
在某些情况下，任何所选择的外壳部件，如隔离板64、外壳/散热片62a、中间部件64a或者盖板62c，都可以包含电磁感干扰(EMI)垫圈，该垫圈可设置在陶瓷基板(或其它板)的上表面和MMIC芯片的周围，并且当外壳组件固定时可由陶瓷基板支撑。图5所示的陶瓷基板248也同样包含电磁干扰接地连接带295，该连接带环绕着所有的发射机电路258，接收机电路254以及本机振荡器256，同时当外壳组件固定时啮合了一个干扰垫圈。
如图5所示，发射机电路258、接收机电路254和本机振荡器256都彼此充分地隔离以增强绝缘性和减少振荡。外壳组件62的任何一个部件都可包括一部分已形成射频信道的表面，例如，正如具有频道化的64a的隔离板64所示，任何射频频道周围都包含了电磁干扰垫圈，这样当外壳组装完成时，就能容纳垫圈并装配在接收机电路、发射机电路和本机振荡器电路的四周。也有可能包含装配在部分外壳部件62中的射频频道/回声吸收性材料以增强绝缘度。
射频模块的布置可以不同部件来频道化，以便于提供高隔离度并且避免可能的振荡。频道闸门可以使用在关键区域以提高隔离度。如图5所示，发射机电路258、接收机电路254以及本机振荡器256以相对较直和窄的方式构造，如前文所述，而且彼此充分地隔离。这特别适用于高增益放大器级联应用的情况。
中频、射频以及DC连接可以使信号在陶瓷基板上传送。DC和中频信号可以使用压力接触式接插件在陶瓷板上传入和送出，例如，可使用高频自调微型同轴接插件(SMA)，还如共同代理的美国专利申请序列号10/200,517，2002年7月22日所提交的文中图9-13所示，该申请的全部内容通过参考合并于此。
射频信号可以在陶瓷基板上的信号引线中输入和输出，如微带，它使用宽带、低损耗的微带至波导转换310(图8)，它对应于图2所示发射机和接收机电路链42、44的波导转换76、78，在该情况下，在陶瓷基板上不需要切割即可实现转换。如图8和图9所示，转换可包含一个频道或短接槽311，在其之上形成了一个通道墙式的接地层312以及接地的过孔314。缩小的通道进给管可以与微带探针部件318和调节部件320，正如作为一对元件所图示说明的那样一起工作。
图9图示说明了转换器310的分解部件图并且显示了具有一个短接槽311的陶瓷基板248，它包括一个成形的金属部件318a和一个波导发射器318b，作为探针部件318的一部分。诸如由厚膜工艺技术所制成的嵌入部件可以用来作为结构。在本发明的一个方面，短接槽的深度可以是许多东西的函数，包括陶瓷基板上所使用的任何材料的介质常数以及系统所能得到的带宽的函数。短接槽典型的深度范围约20至60密耳。如图所示，隔离过孔在转换器中起辅助作用。背面短接可以排列在基板的任意一测，以方便安装同时降低整体成本。如果能量要扩散入波导，则短接槽设置在陶瓷基板的底部。如图所示，根据需要，其它组件可以包括调节控制器板、直流接插件以及其它一些部件。
在本发明中，低频组件可使用传统表面贴装方式装配在控制器或“软”板60上。控制器或“软”板60可以用罗杰斯公司(Rogers Corporation)制造的罗杰斯板(Rogers board)来构造。无焊接触式接插件可定位在形成IF板48或RF板50的陶瓷基板和低频控制或“软”板60之间。图10和图11显示了可以在本发明中使用的接插件类型的例子，并且在共同代理的美国专利申请序列号10/224，622一文中进行讨论，该申请的全部内容通过参考合并于此。
图10图示说明了表面贴装的接触式压力接插件410的一部分，它可以提供如本发明所使用的在陶瓷基板与控制器或“软”板之间的无焊连接。
正如图10分解局部示意图所示，接插件410可以连接板412和414，它们分别是本发明中的陶瓷基板和控制器(或“软”)板，并且可以连接多个电路，例如控制器板上的微控制器以及陶瓷基板上的MMIC。插件410包含了外壳部件416，它有一个夹子槽座418(也可以称之为引脚槽座)以及用于定位陶瓷基板的电路板啮合表面420。
如图11所示，每一个外壳部件416可以包含三个夹子槽座418，其中所示的三个外壳部件416互相邻接。外壳部件416较佳的是由塑料制成，且具有基本矩形的结构，并包括一个基本平坦的电路板啮合表面，用于依靠在板的平坦表面。如图10所示，每个夹子槽座418示意矩形开口的方式支撑并包含一个侧翼422来啮合导电的夹子部件424。
如图10所示，各个夹子部件424具有一个基本的V字形的形状。夹子部件424体积很小，由于它们的小的、弹簧状以及针状的容量来形成“引脚”的连接，所以它们也可以称之为引脚。各个夹子部件424都包括一个第一支腿部件430以及终端，可用于啮合在电路板412上。这一终端包括一个向下倾斜的侧翼430a，可用于焊接电路引线或板412上的其它电路。第一支腿部件430的上边部分可插入在夹子插槽418中。腿部件432有一个终端，它可弹簧压在电路板414上。第二支腿部件432包含一个歪曲的接触端432a，这就构成了可在偏压条件啮合电路板414上的电路或引线，被称之为“引脚”或弹簧的接插件。部件432在夹子插槽中与侧翼422相啮合，以保持夹子部件对侧翼的偏压力或者“弹簧作用”，同时也保持对电路板414的偏压力，使得第二支腿部件的歪曲端所建立的压力能啮合电路板414上的电路、引线或者其它触点。
在本发明的一个方面，一些接插件410形成了图2所示的连接系统438，中央的夹子部件互连射频信号线440，例如普通50欧姆的射频信号线，正如本技术领域熟练的技术人员所皆知的。相邻夹子部件424(或引脚)互连射频信号另一侧的接地线442。虽然每一侧只显示了一个接地引脚，但接地引脚可以变化以增加绝缘度且改善返回损耗。其它相邻夹子部件424(或引脚)连接直流和信号线444。这样，使用接插件410的连接系统448通过弹簧状引脚所形成的夹子部件连接不仅可以传输高频信号，而且还可以将接地的连接以及使直流信号从一块板412传输到另一块板414。
在本发明的一个方面，夹子部件(或引脚)之间的间隔大约40密耳，并且直流信号可以由在同一个接插件中的其它夹子部件来运载。
典型的是，图4所示的各块板一块块向上层叠起来，但没有用扣件，而是使用了隔离板或部件，包括外壳中间部件，如图所示。不同的外壳装配部件可以用铝制成。在每一块板上的独立电路可以用附着在隔离板上的电磁干扰垫圈来隔离，如图中所示的邻近控制器板60的隔离板64上，另外也可以附着在外壳中间部件62b上。板上或者中间部件上形成的各种开口供接触式接插件使用。这种板层叠的方式去除了对成本昂贵的硬线和同轴电缆的需求，也减小了各个电路所需的空间量。由于板与板间十分靠近，从而减少了互相连接中的衰减，因此，所需的电路就更少了。
随着户外装置的机械封装尺寸越来越小，热量管理方面的需求就变得更为关键。从管理热量方面考虑，本发明使用了一个微控制器和三个主要的技术。由于电路设计的改进允许使用较少的零件，所以本发明减少了零件总数。本发明同时也为所有发热组件提供了足够的散热性，比如使用已阐述的外壳和散热片部件62a。功率电源较佳的是安装在最靠近外壳/散热片62a的一块板上以确保适当的热传递。
在本发明中，频率合成器板(或卡)54可以使用印刷电路板而且可以使用软板的材料所制成，如罗杰斯板(Rogers Board)。设计的每一部分，包括压控振荡器、锁相环、滤波器和乘法器可以通过使用通孔在板上隔离，这些通孔会产生所不需要的信号并从板上的某个区域传送的另一个区域，如图5所示。通过在外壳盖板上创建隔离区域可以进一步提高隔离度。如图4所示，附着在外壳盖板62c和中间部件(作为隔离板使用)上的电磁干扰垫圈可以将每一个隔离区域包围起来。电磁干扰垫圈可以典型地直接安置在板上隔离过孔的顶端，这将会对在保持频率合成器的输出免受窦生信号和谐波信号影响而获得低相位噪声至关重要。
本发明还使用了动态热管理方法，这是采用装配在控制器板上的板载微控制器来控制。微控制器通过温度传感器或其它传感器来监视装置的温度，同时如前文所述，可调节任何需要的射频放大器栅极偏置电压，使期望的发射机输出功率的功率消散最小化，如同使用一个类似于图3的电路。
本发明的户外装置40实现了宽工作频率范围而使用单平台结构。通过改变射频(收发机)板50和频率合成器板54，可以发射和接收不同的频带。外壳组件62与中频板48对从17GHz至60GHz的频率都可通用，因为信号可向上或向下变换成中频。自然，外壳盖板62c上的波导开口62d、62e根据选定的板建立的所需的工作频带可以有不同的尺寸，并插在外壳组件之间。显然，中频板48可放置在外壳组件的中间位置，在外壳中间部件62b和频道化的隔离板64之间。
户外装置紧凑尺寸也准许了轻型的设计，也使之能够使用与天线间的通用标准接口，从而提供一个快速连接/断开连接的系统，正如图12所示。天线接口可以是一个简单的即插即用系统，如图5所示，使用环状或圆状装配底盘96b、96c的揿钮96a。发射机和接收机波导孔62d和62e可以与天线的各种信号的接收和发射部分一起工作以使天线进行适当的工作。
在本发明的一个方面，户外装置和室内装置之间可以通过开/关键控的配置来实现遥感，开/关键控是在同一个电缆上传输的，如同下文将要解释的发射机中频信号、接收机中频信号以及直流信号。
由于实际原因，在毫米波通信设备中将高频电子元件靠近于毫米波天线装置是很普遍的。由于天线是最常被装配在户外的，所以与它安置在一起的电子设备的封装通常就称之为“户外装置”或者“ODU”。发射和接收的信号通常是由一个较低的频率变换而成，或者变换成一个较低的频率，该较低频率常称之为“中频”或者“IF”，该频率可以更容易地通过不昂贵的同轴电缆传输较远的距离。这种电缆有时称之为“IF电缆”。
中频电缆典型地用来连接处于保护位置的调制器与/或解调器设备。这种设备封装经常称之为“室内装置”或者“IDU”。如果控制信号将要在IDU和ODU之间传输，则他们必须载波在单独的连线上(这会增加安装成本)或者使用“有效载荷”数据复用在IF电缆上，这就提出了重大的技术挑战。现有在IF电缆上复用控制信号的技术不是实现起来成本太高就是不能支持本发明设计中所支持的系统要求的数据传输率。
本发明提供了一个新的出众的方法，该方法在同一电缆上像高频IF信号一样没有干扰的复用复杂的数字数据信号。它可以轻易地用许多微控制器和微处理器所内嵌的接口硬件与一些附加的低成本组件来实现。
由于许多室内装置和户外装置的工作，从一个设备(如IDU)传输到另一个设备(如ODU)的数据为了传输会有编码器500进行编码(图13)。所产生的符号用来对由单音生成器504生成的单音载波信号进行调制(通过调制器502)。载波频率是经过挑选的，从而不会与相同线路上的其它信号产生干扰。在接收端，信号由解调器506进行解调制，并还原成符号，再由解码器508进行解码，并还原成原始数据。这种结构对现有技术中的许多RF调制数字通信系统来说相当普遍。
本发明独特地使在较高频谱存在的条件下添加一个非强占性通信链接。在工业生产中，在硬件的尺寸持续减小的情况下，有许多信号需要在通信硬件之间建立连接。愈加没有足够的物理空间可容纳所有的硬件和适当的连线。另外，包含所需的硬件连接的成本和预算也变得太大了。本发明在同一物理同轴电缆上像较高频率IF数据频谱一样透明耦合已调制的、全复用串行通讯数据。本发明的长处在于减少了物理接口以及因此而得到的更低的成本和机械复杂性。
在一个无线通信应用中，包括但不限于毫米波地面连接和卫星通信终端，如甚小口径天线终端，理想的是将RF发射频率硬件直接装配在户外天线96上，如图12的例子所示。户外天线96自身要装配在发射塔上。由于安装、维护和环境的限制，调制解调器、基带以及中频硬件典型地放置于另一个区域。必须建立物理连接从该硬件至位于或靠近天线的射频发射硬件的物理连接。RF装置具有DC电源、IF发射与接收通信数据以及控制信号，使之具有适用的功能。本发明的遥感电路可以通过一个物理连接来完成这些功能，从而节省了成本和机械复杂性。
本系统能使用的通信覆盖系统可以考虑分为五个主要部分多路复用器、解复用器、传输电缆、串行数据调制器以及串行数据解调器。图14图示说明了范例系统的方框图，它显示了这些系统是如何互相连接的。
如图所示，左边显示的是一个调制解调器/中频(IF)装置510，而右边的是一个中频/射频(RF)装置511。各个装置都包含了一个多路复用器/解复用器电路512和513以及在两者之间的一个电缆接口514。自然，两个装置分别对应于本发明中适当的室内装置和户外装置。如图所示，在本发明的解复用器电路中可以包括所示的电路。调制解调器/IF装置包括一个调制解调器/IF通信电路515，采用中频频谱与多路复用器/解复用器电路512一起工作。输入微控制器的通用异步接收机/发射机(UART)电路516的串行数据可与带宽滤波器/包络检波器517一起工作。逻辑电路如“与”门518，可由通用异步接收机/发射机监视和控制(M&C)数据输出电路519和工作在第一调制频率A的本机振荡器电路520一起控制。DC电源电路521为各部件提供DC电源。
中频/射频装置511也包括中频/射频通信电路522，它在中频频谱上与多路复用器/解复用器电路513一起工作。输入到微控制器通用异步的接收机/发射机电路523的串行数据可用来接收带通滤波器/包络检波器电路524的数据。如同其它装置中一样，DC电源电路525为相关的部件提供电源。通用异步接收机/发射机监视和控制数据输出电路526将数据转发至“与”逻辑电路527，它也接收第二调制频率B的本机振荡器电路527所产生的本机振荡信号。
这两个装置510和511中的任一个都可以使用全双工串行通信配置以及单独的低频振荡信号520和527，低频振荡器可由串行通信有效地产生时钟，并且控制各个模块的数据输出。各个模块都有一个具有通用异步接收传输(UART)串行通信能力的微处理器或者微控制器。电路519、526的输出的已调制的监视与控制(M&C)信号可由多路复用器/解复用器512部分中的解复用器分离，然后馈送至窄带滤波器，接着由包络检波器电路来解调微处理器的UART所输入的控制和通信信号。这些频率可根据下文将要描述的方法进行互相和与IF频谱的复用以及滤波，以确保相互之间的工作透明度。
图15显示了一例可以用来设计多路复用器/解复用器电路的电路原理图的例子。该电路的设计对于这个频率复用系统的透明度至为关键。DC和较低的频率首先采用低通滤波器从物理电缆中分离出来，然后分别滤波发射和接收IF信号的较高频率频谱并将信号输出至它们各自组件的硬件中。较低频率的信号馈送至接收包络检波器的窄带滤波器中。这个滤波器可抑制任何噪声和不需要的信号，包括在把所接收到的数据码流传输至微处理器的UART之前的发射监视和控制频率音。
本发明所使用的调制器/解调器电路的例子如图17(调制器)、图19(解调器)以及图20(解调器、包络检波器)所显示，并提供了室内装置和户外装置间的通信。在这个例子中，遥感信号适合用开关键控调制音来作。作为一个无限制的例子，上行频率可以达到约4.0MHz，而下行频率可以达到约5.0MHz。
如前文所述，图15所显示的电路实现了在同一根单独的电缆上多路复用输入和输出的功能。宽带宽的信息可以载波于中频信号上，通过一个简单的由Cl、电阻匹配衰减器R1-R3和C2组成的高通电路来传输，这里留出一些空间给性能调节器件。中频信号通过由元件L1、L2和C4组成的低通滤波器与遥感及功率电源信号隔离开。功率电源的输入(DC)通过L6与遥感信号分离。从户外装置送至室内装置的遥感信号通过C3耦合。从室内装置送至户外装置的遥感信号由L3-L5及C4-C6组成的带通滤波器滤波，这提供了对从户外装置送至室内装置的遥感信号大约12至15分贝的抑制。
本发明的编码与调制应用为短距离基带通信所开发的异步编码标准来调制射频通信，使用了单独的开关键控载波。现有的射频应用技术不是使用更复杂的(这导致实现起来更昂贵)编码技术就是使用更复杂的(也更昂贵)的调制技术如多频率调制或者相移键控。
如前文所述，电路可以从广义上分成两部分编码器/解码器部分与调制器/解调器部分。编码器得到“有效载荷”数据然后添加入附加信息，这可以帮助准确地发送。编码数据的基本单元是逻辑“符号”。不同的编码方案在它们的符号集中使用不同数量的符号。每个符号可以代表几位的原始数据或者少于一位的原始数据。
每个符号集之中的逻辑符号有一个明确的电磁表达式。调制器将逻辑符号转换成电磁表达式，这样就可以传输而避免额外的曲解或损坏，这使得不会把一个符号辨别成另一个。
解调器把电磁表达式还原成逻辑符号。然后符号传送至解码器，解码器利用附加在有效载荷数据上的额外信息辨认出有效载荷数据并且克服在信号进行还原变换原始有效载荷数据时所发生的损坏。不同的数字数据编码方法和调制方法适合于不同的传输介质和性能需求。
在本发明的编码方面，数据可以时间来编码成一个8位字。该编码基于标准异步编码协议，例如普遍用于最初的IBM个人计算机的国家半导体的INS8250 UART(通用异步接收发送)。相兼容的通用异步接收发送电路可以在实际中所有的计算机以及许多仪器中找到。它们经常与适用于基带频率(TIA/EIA-232F)发数字信号的遵循RS-232系列的物理接口一起使用。
8位字中的每一位都可以由一种调制符号来表示。同样，一个或更多的额外的符号可以添加在一个字的开头或结尾。本技术领域熟练的技术人员皆知，这些符号指的是“标记”或“空格”。标记代表一个二进制数据值“1”，而空格代表“0”。当没有数据传送时，编码器“休息”在标记状态。
在每个数据字的开头，插入一个空格符号代表新数据将传输，这也表示接收装置的数据时钟是同步的。接着，传送8个数据位(最小权重到最大权重)，并且也可选择的，一个奇偶校验位直至两个标记符号作为“停止位”。
大多数微控制器和某些微处理器包括能支持UART功能的专用硬件，但如果需要的话也可以用软件来实现UART。UART也可以是独立的集成电路作为与微处理器的接口。
UART的发送部分处理数据的每一个字节并把它以一个特定的符号速度按步串行处理，添加开始符号和无论何种的奇偶校验符号以及所要求的停止符号。
UART的接收部分校验开始信号并且以一段与指定的数据传输率相适当的时间来读每一个连续符号。当接收完一组中的所有信号时，它去除开始符号和所有的停止符号，并且在去除奇偶校验位(如果存在)之前对奇偶校验位进行校验。这就留下了传输数据的原始字节。
本发明可以使用硬件来支持UART的微控制器。这可以看作是对编码与解码最好的实现方法，但用集成电路UART的实施方法和软件编码与解码是相等的。
在本发明的调制方面，标记和空格调制符号用来变换载波的相近频率音的“开”和“关”，载波音“开”代表空格，载波音“关”代表“标记”。这项技术有时称之为开关键控(OOK)。于是调制的信号可通过带通滤波来保持它不受电缆上其它信号的干扰，同时也可以在共用电缆上传输。在接收端，检波器对调制音进行检波，将它转换成标准逻辑电平信号，这之后，传送至UART，来解码原始的发射字节。
如图16所示，本发明通过在所需的载波频率用一个“与”逻辑门552作为混频器开关时钟/载波，把UART的输出和时钟源550的时钟信号组合在一起，用最小的成本和组件数实现了调制器。门控时钟信号随即通过模拟带通滤波器554去除直流分量并减少会影响其它多路复用器中调制信号的高频谐波。这可以认为是调制器结构的一个较好的实现方式。
图16所示的调制与控制调制器硬件的方框图可完成室内装置(调制解调器和中频硬件)与户外装置(中频至射频转换器硬件)之间的通信。如前文所述，遥感信号是开关键控的调制音。上行遥感频率可以实现到大约4MHz，下行遥感频率可以实现到大约5MHz。图17显示了详细的本系统的电路设计范例。
数据流是标准串行UART的输出。这提供了信道编码、纠错和时序恢复。UART的“标记”状态与必须对应“单音开启”而“空格”输出状态必须对应“单音关闭”。可以实现19,600波特的全双工数据传输率。
调制器可以很简单，如用一个“与”门将时钟信号与数据流以发射频率组合在一起，然后传送调制的方波通过一个带通滤波器来分离高阶谐波。
图17中，晶振U3生成一个恒定包络固定频率为约4MHz的信号。微控制器上的RS-232端口可生成一个实际的数据流，其中使用逻辑门U2调制4MHz的固定频率。放大器U1A和相关的组件可提供缓存输出功能用于驱动调制信号沿着电缆从户外装置流向室内装置。
适用于OOK信号所使用的低成本解调器570可以由一个带通滤波器/包络检波器572、一个放大器574以及一个具有磁滞功能的反相器逻辑门576构成，如图18所示。
图18所示，解调器可以简单地实现，如用一个带通滤波器馈入一个二极管包络检波器，再接一个斯密特触发器反相器(放大器)来实现。反相器输出传回UART。图19和图20显示了可用于本发明的电路原理图设计的详细范例，它采用一个有源滤波器接了一个二极管包络检波器来实现。
如图19所示的解调器有源滤波器，在由放大器U1B和U7A以及U7B与其它的关联组件一起构成的有源滤波器的输入端存在着另一个模拟带通滤波器，结构上与前面提到的相似。电阻器R18为模拟滤波器提供一个终端，以便于得到合适的滤波整形并且将一系列脉冲的振铃效应最小化。
图20所示的解调器包络检波器、放大器U8A提供了前文所提到的有源滤波器的缓存。放大器U8B、二极管D4与D5提供信号(如果存在)的整流，而R15和C23为所有停留在高频的组件提供与地之间的整合和通路。斯密特触发器U6“整理”输出信号，减小脉冲上升与下降次数，并且提供作为功能阈值监测器的磁滞。当检波器和任何起缓存作用的放大器的时间常数确定时，解调器电路的数据传输率可以超过19.2千波特。
如图18所示，OOK信号馈入包络检波器572，检波器将输出调制载波的包络。这个输出通过高增益放大器574对信号中的高电平进行电平移动，然后馈至高磁滞(即斯密特触发器)逻辑反相器576，以提供一个干净的逻辑电平输出。其它解调器结构也可以工作，但上述所讨论述的图示范例，由于它的低成本和简单度而有利于在本发明中使用。
全双工操作模式本调制配置可以用作两个设备之间的全双工数据通信，通过指定一个设备以较低的频率发射，而另一个则用较高的频率来实现数据通信。频率选择电路(带通滤波器)可以加在包络检波器之前以防止装置对自身的发射信号进行解调。由于许多系统使用两根不同的中频电缆，所以全双工通信也可以通过每个发射端使用一根电缆来实现。这就允许两个装置使用相同的频率，但这与使用两个不同频率的效果同样出色。
半双工操作模式当使用本调制配置，用单一的载波频率时，在同一时段只能有一个装置可以发射。在这种情况下，一个装置必须设定为“主机”，而另一个设定为“从机”。两个装置最好使用载波停止状态作为标记状态(即空格传送时将载波开启)，这样当两个装置都没有发射数据时线路上是安静的。在半双工模式中，从机装置只有在主机装置查询时才能发送数据。从机发送它的响应之前必须在主机完成发送之后等待一个固定的(但基本上是任意的)时间片段。
多站操作模式两个以上的设备可以共享同一根线路。如在标准的半双工模式中，电路会包含一个主装置，但可有多个从机。每个从机都会有一个地址，而主机会发送一个地址作为发送数据的一部分。只有地址是与信息中的地址相匹配的从机装置才会允许作出响应。多个设备也可以像标准全双工模中一样通过使用不同的载波频率共享同一根线路。
本申请涉及到同一日期相同代理人和发明人递交的专利申请题为，“在室内装置与户外装置之间的共用电缆上使用中频有效载荷数据来发射/接收遥感控制信号的系统和方法”一文，该申请的全部内容通过参考合并于此。
在前文的描述和附图中给出的教导将会有益于本技术领域熟练的技术人员思考到本发明的许多修改和其它的实施例。因此，值得理解的是，本发明不仅局限于所提到的特定的实施例，在相关的权利要求书的范围内旨在包含修改以及实施例。
权利要求
1.一种适用于装配在天线上构造无线连接的轻型毫米波户外装置包括一个外壳，结构成能够与天线快速地连接/断开连接；一块由陶瓷材料构成的毫米波收发机板，装配在外壳中，并具有一个包括微波单片集成电路(MMIC)芯片的毫米波收发电路；一块中频板；一块频率合成器板，具有一个表面贴装的信号发生电路来产生收发机电路的本机振荡信号；以及一块控制器板，具有表面贴装的DC和低频分立器件，由此构成电源和控制电路，为收发机电路和信号发生电路提供电源，其中毫米波收发机板、中频板、频率合成器板和控制器板以层叠的方式定位在外壳中间，每块板包括接触式接插件并且有至少一个电路接触式接插件用于连接两块板之间的电路，使得电缆和硬线的使用最少。
2.根据权利要求1所述的毫米波户外装置，其特征在于，所述控制器板是由PTFE复合材料制成的。
3.一种适用于装配在天线上构造无线连接的轻型毫米波户外装置包括一个外壳，具有一个散热片和一个装配部件，可用于构成与天线快速地连接/断开连接，所述装配部件包括发射和接收波导孔；一块由陶瓷材料构造的毫米波收发板，装配在外壳内，并具有一个包含微波单片集成电路(MMIC)芯片的毫米波收发机电路，可与发射和接收孔一起工作；一块中频(IF)板，装配在外壳内，具有可构成一个中频电路并与毫米波收发机电路控制一起工作的组件。一块频率合成器板，装配在外壳内，具有一个信号发生电路用于产生毫米波收发机电路的本机振荡信号；一块控制器板，装配在外壳内，具有表面贴装的DC和低频分离器件，由此构成电源和控制电路，为其它板上的其它电路提供各自的电源和控制信号；电路接触组件，用于板之间的电路互相连接，使得电缆和硬线的使用最小化；以及一个快速连接/断开组件，可与外壳一起工作，使外壳可以与天线迅速地连接/断开连接。
4.根据权利要求3所述的毫米波户外装置，其特征在于，所述的快速连接/断开连接组件包含扣件。
5.根据权利要求3所述的毫米波户外装置，其特征在于，进一步包括一个外壳隔离部件，用于将各个收发机和控制器板隔离开，频道化，并且至少一个电磁干扰垫圈辅助隔离板上的所有电路。
6.根据权利要求4所述的毫米波户外装置，其特征在于，进一步包括一个发射和接收微带至波导转换，形成于毫米波收发机板上，可与各自的发射和接收波导孔一起工作。
7.根据权利要求3所述的毫米波户外装置，其特征在于，所述的收发机板可以工作在选定频带，而且很容易从外壳中拆卸下来，以便于替换可工作在不同的频带的收发机板。
8.一种户外毫米波通信装置，包括一个装配组件，结构成与一个标准户外天线形成快速连接/断开连接的装配，所述装配组件包括发射和接收波导孔；以及一个毫米波收发机板，包括微波单片集成电路(MMIC)芯片，可与发射和接收孔一起工作。
9.根据权利要求8所述的户外装置，其特征在于，所述的装配部件进一步包括扣件用于提供快速连接/断开连接的装配。
10.根据权利要求8所述的户外装置，其特征在于，进一步包括一个外壳部件，它包括所述的装配部件和一个散热片。
11.根据权利要求8所述的户外装置，其特征在于，进一步包括一块中频(IF)板，它可与毫米波收发机板一起工作。
12.根据权利要求8所述的户外装置，其特征在于，进一步包括一个频率合成器板，用于产生本机振荡器信号以供给所述毫米波收发机板上的MMIC芯片。
13.一种适用于装配在天线上构成无线连接的毫米波通信户外装置，包括一块毫米波收发板，它包括微波单片集成电路(MMIC)芯片；一块中频(IF)板，可与毫米波收发机板一起工作；一块频率合成器板，可用于产生本机振荡器信号以供给毫米波收发机板上的MMIC芯片；以及电路接触组件，用于将所述的毫米波收发机板、中频板以及频率合成器板互相连接，从而减少电缆和硬线的使用。
14.根据权利要求13所述的户外装置，其特征在于，进一步包括一个外壳，其中还包括所述的毫米波收发机板、中频板以及频率合成器板。
15.根据权利要求14所述的户外装置，其特征在于，所述的外壳包括一个快速连接/断开连接的组件，使外壳可以与天线快速地连接与断开连接。
16.根据权利要求14所述的户外装置，其特征在于，进一步包括一个外壳隔离部件，用于隔离一块或多块板并且包含频道化和一个EMI垫圈。
17.根据权利要求13所述的户外装置，其特征在于，所述的频率合成器板包括不多于四个合成器。
18.根据权利要求13所述的户外装置，其特征在于，进一步包括集成的功率电源和控制电路。
19.一种适用于毫米波通信户外装置的外壳包括一个散热片；一个装配部件，用于装配在一个标准户外天线上；以及发射和接收波导孔，用于构成与毫米波收发机通信。
全文摘要
一种轻型毫米波户外装置包括一个具有散热片的轻型外壳和一个为了建立无线连接而装配在天线上的装配组件。毫米波收发机板装配在外壳中，同时包括微波单片集成电路(MMIC)芯片。频率合成器板具有信号发生电路用于产生本机振荡信号以供给收发机板和MMIC芯片。控制板表面贴装了DC和低频分离元件，由此构成了电源和控制电路用于给其它板上的其它电路提供各自的电源和控制信号。一个快速连接/断开组件使外壳可以与天线迅速连接和断开连接。
文档编号H04B7/15GK1735999SQ200380108220
公开日2006年2月15日 申请日期2003年12月10日 优先权日2003年1月8日
发明者D·F·阿玛, D·巴斯, G·克拉克, R·D·格拉罕, C·乔丹, S·A·斯塔利 申请人:柴川斯股份有限公司