一种五通道毫米波收发组件的制作方法

本发明涉及通信技术领域，尤其是无线电通信，具体而言涉及一种五通道毫米波收发组件。

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。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种五通道毫米波收发组件，包括本振功分单元、接收单元、发射单元、切换开关和电源及控制单元。

所述本振功分单元将外部提供的本振信号功分为五路输出，为接收单元的各通道提供本振信号；接收单元设有五路通道，包括一路监测通道和4路接收通道，该监测通道与一路接收通道通过切换开关切换共用同一中频输出接口；发射单元采用浅饱和的方式将发射激励信号放大至满足发射机需要的功率，并通过发射机发射；电源及控制单元，用于为前述本振功分单元、发射单元、接收单元分别提供电压转换、控制电平以及功放脉冲电源；

采用上述组件，所述本振功分单元通过4个功分器将本振信号功分为5路，每一路经过一放大器后进入接收单元的对应通道，其中第五路信号在放大之前经过一衰减器后进入监测通道。

采用上述组件，所述接收单元的5路通道结构相同，均包括依次连接的波导转换器、保护开关、低噪放大器、混频器、中频桥、衰减器、前级中放、LC带通滤波器和末级中放，所述波导转换器接收所述发射单元发射的信号，所述混频器的第二个输入来源为本振功分单元产生的功分信号；在检测通道和一输入通道的末级中频放大器后连接一切换开关。

采用上述组件，所述发射单元包括依次连接的前级驱动功放、末级功放、隔离器及波导转换器，发射激励信号经所述前级驱动功放、末级功放进行信号放大后输出，经所述隔离器后输出至所述波导转换器，所述波导转换器进行波导转换后发射输出。

由以上本发明的技术方案可知，本发明所提出的毫米波收发组件，其可在宽温工作，实现电路的高度集成及较好的幅相一致性；为确保各接收通道的幅度、相位及开关控制的一致性，各个通道采用相同的电路和对称布局，第四路接收通道和监测通道通过单刀双掷开关切换共用同一中频输出接口，减小非线性和寄生参数引入的相位不一致误差和相位的全温相对变化量，同时通过中频输出端的温补衰减器补偿各通道在全温下的增益变化量和幅度不一致性；接收通道之间的隔离度高，且满足低功耗要求；发射单元采用浅饱和以减少非线性从而确保相噪及杂散指标,同时要保证效率；为了得到较好的电源隔离度，毫米波收发单元的各收发单元和本振功分单元均采用单独的电源供电，且互相之间采取去耦处理。

附图说明

图1时收发组件系统组成框图。

图2本振功分单元设计框图。

图3毫米波收发组件原理方案框图。

图4发射单元指标设计框图。

具体实施方式

结合图1，一种五通道毫米波收发组件，收发组件分为四个单元进行设计，分别是：本振功分单元、接收单元、发射单元、电源及控制单元。将组合开关分 为包含毫米波收发开关和调制开关的集成二级封装单元及其电源控制驱动电路两部分。

其中本振功分单元将系统提供的Ku频段信号功分为五路输出，为各接收通道提供本振信号，主要由功分器、放大器等组成。发射单元将发射激励信号放大到需要的电平输出，主要由增益级放大器、功率放大器等组成。接收单元完成信号接收功能，主要由保护开关、低噪放、谐波镜像抑制混频、前中放大电路、滤波器、中频放大器等组成。电源及控制单元完成电源变换及控制、各路开关控制等功能。

2、本振功分单元电路设计

本振功分单元为组件各接收通道提供本振信号，通道之间的隔离度是本单元设计需要考虑的关键，同时还需满足低功耗要求，其具体设计如图3所示：

电路中影响路间隔离该指标的主要有：功分器的隔离、Ku放大器的反向隔离和正向频响特性。

(1)功分器设计

采用威尔金森电路形式的进行功分器设计。具体指标要求如下：

频率：17～18GHz

插损：≤3.5dB

驻波：≤1.3

隔离度：≥20dB(16～18GHz)

≥15dB(34～36GHz)

(2)Ku驱动放大器设计

采用Ku波段单片放大器，利用其反向隔离和低通幅频特性可实现通道间在Ku波段和Ka波段的相互隔离。具体指标要求如下：

频率：17～18GHz

增益：≥18dB

反向隔离度：≥20dB

输出功率：≥15dBm

电源：+2.5V/61mA

本振单元的各通道隔离度指标计算如表1所示：

表1 本振功分单元各通道隔离度指标分配表

(3)电源供电

本振单元电源供电情况：电压+5V，电流66×5＝330mA

4.2.2.1.2接收单元电路设计

Ka波段接收单元主要实现Ka波段信号接收功能。共有五个接收通道，其中第四路和监测通道通过单刀双掷开关切换共用同一中频输出接口.。

根据接收支路指标要求，接收单元指标设计如图3所示：

该部分的电路实现的关键是各个通道之间的幅相一致性及通道隔离度。

为了确保各通道之间的隔离度，在结构上采用增加腔体隔离设计以提高通道之间的隔离度，同时选用隔离度较好的混频器；此外本振功分单元的设计也充分考虑了该指标要求。综合上述设计思路保证通道隔离度指标要求。

为确保各通道的幅度、相位及开关控制的一致性，各个通道采用相同的电路和对称布局，减小非线性和寄生参数引入的相位不一致误差和相位的全温相对变化量，同时通过中频输出端的温补衰减器补偿各通道在全温下的增益变化量和幅度不一致性。

(1)波导转换

垂直支路输入为毫米波非标波导，波导到微带的转换采用电耦合的形式，探针位于波导宽边的中央,为了得到探针耦合的最佳形式，利用HFSS(场分析)软件进行优化模拟计算，以获得波导到微带过渡的最佳匹配。

(2)保护开关

保护开关电路主要用于实现收发隔离的功能。保护开关在该收发组件中置于射频信号输入端，发射机工作时，保护开关进入关断状态，防止前端低噪放芯片过功率烧毁，从而保护系统正常工作。

保护开关选用GaAs高速PIN开关单片，可实现隔离度：35dB、耐功率：200mW的要求，

(3)低噪声放大器

由于低噪放是接收机的第一级有源电路，其噪声系数将直接叠加于系统的噪声系数上，它本身应有低的噪声系数，并提供足够的增益以减小后级电路的噪声影响，但同时会导致大信号下系统出现非线性失真，因此低噪放增益的设计必须兼顾噪声系数和线性度。根据系统要求，四通道采用低功耗、低增益的单片放大器，确保线性度，其主要技术指标如下：

频率：34～36GHz

增益：≥15dB(常温)

增益平坦度：≤0.5dB

噪声系数：≤3dB

P-1dB：≥10dBm

反向隔离度：≥25dB

输入驻波：≤1.5

电源：5V/55mA

而监测通道则采用噪声低、增益较高的单片放大器确保噪声系数和总增益。

频率：34～36GHz

增益：≥21dB

增益平坦度：≤1dB

噪声系数：≤2.5dB

P-1dB：≥10dBm

输入驻波：1.5

电源：5V/66mA

(4)镜像抑制混频器

混频器是接收单元输入射频信号最强的模块，其线性度是最重要的指标，同时由于处在接收机的前端，因此要求同时具有较低的噪声系数。

采用Ka波段谐波镜像抑制混频器单片完成频率变换的功能，将接收到的射频信号转换成中频信号。其主要技术指标如下：

工作频率：Ka波段

本振频率：17～18GHz，高本振

本振功率率：12～18dBm

中频频率：DC～4GHz

变频损耗：10.5dB

带内平坦度：0.3dB

本振到射频抑制：40dBc

P-1输入功率：7dBm

配合60MHz电桥(3dB，90°)，可以实现接收信号的变频和镜像频率的抑制大于18dB。

(5)中频滤波器

中频滤波器采用博伦LC带通滤波器。要求线性好，具体指标如下：

中心频率：60±0.35MHz；

(1dB)带宽：16±0.35MHz；

插损：≤3dB

带内波动：≤1dB；

带外衰减：≥65dB(0MHz～30MHz以及90MHz～150MHz范围内)；

矩形系数：(B-60/-3)≤2.8；

(6)前置中频放大器

选用单级硅双极晶体管实现，其主要技术指标如下：

工作频率：50～70MHz

增益：≥30dB

P-1dB：≥5dBm

输出驻波：2

电源：8V/18mA

(7)数控衰减器

采用开关切换原理的数控衰减器实现，特点是低功耗、低附加相位,其主要技术指标如下：

工作频率：50～70MHz

插损：≤2.5dB

二态衰减量：20±0.5dB，15±0.8dB

附加相位：≤1°

P-1dB：≥0dBm

输出驻波：≤1.6

电源：5V/6mA

(8)中频放大器

选用InGaP/GaAs MMIC单片实现，可满足P-1dB和输出驻波要求，其主要技术指标如下：

工作频率：50～70MHz

增益：≥21dB

P-1dB：≥12dBm

输出驻波：≤2

电源：3.5V/36mA

(9)中频开关

选用隔离度高的金属气密封装的单刀双开关，其主要技术指标如下：

工作频率：50～70MHz

插损：≤1.5dB

隔离：≥60dB

P-1dB：≥18dBm

输出驻波：≤1.5

电源：5V/8mA

(10)电源供电

接收单元电源供电情况：

电压+5V，电流55×4+66+6+8＝300mA。电压+12V，电流(18+36)×5＝270mA。

3、发射单元电路设计

发射单元主要是将上变频产生的驱动信号放大至满足发射机需要的功率。

根据指标要求，发射单元采用浅饱和以减少非线性从而确保相噪及杂散指标,同时要保证效率，设计指标如图4所示：

(1)驱动放大器设计

选用TGA4521实现,特点是低功耗,其主要技术指标如下：

工作频率：34～36GHz

线性增益：≥19～17dB

P-1dB：≥24dBm

电源：+6V/200mA

(2)功率放大器设计

选用TGA4516实现,特点是低功耗,其主要技术指标如下：

工作频率：34～36GHz

线性增益：≥19～17dB

输出功率：≥33dBm

电源：+6V/1900mA

4、电源与控制单元电路设计

电源及控制单元主要为组件提供各种电压转换、控制电平以及功放脉冲电源。根据组件通道隔离的要求，电源的处理尤为关键。为了得到较好的电源隔离度，必须对每个单元单独供电，互相之间采取去耦处理。同时为保证各级放大电路之间的高隔离，对不同频率采用不同的LC滤波电路对泄露功率进行去耦处理；调制脉冲产生网络将外部TTL脉冲进行差分整形，采用高速度的PIN驱动器，对各开关进行脉冲控制，其开关时间≤30ns。