一种主动微波源组合的制作方法

本发明涉及一种微波电子技术，特别是一种主动微波源组合。
背景技术：
：在微波频段，相对于半导体器件，真空电子器件虽然具有高功率、高效率等显著的优点，但同时具有体积大、重量重、一致性差等缺点。因而随着半导体器件的快速发展，真空电子器件如行波管、返波管、速调管、磁控管等在通讯、雷达、制导、电子对抗、微波加热、加速器、受控热核聚变等领域面临着巨大的挑战。因此，真空电子器件急需向小型化方向发展、同时需要进一步提高功率，以应对来自半导体器件的挑战。主动微波源组合主要功能是产生本振信号及整机需要的各种频率信号，将整机输入的发射中频信号进行上变频、开关选通发射输出，将天线接收的信号进行下变频输出给中频接收机。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种主动微波源组合，包括频综单元、接收单元、上变频单元、发射单元、电源及控制单元。所述频综单元产生整机需要的晶振基准信号、晶振基准耦合信号、本振信号和输出信号，产生上变频单元和接收单元需要的一本振信号和二本振信号，其中二本振信号为跳频信号；上变频单元完成输入中频的两次上变频，并在预调脉冲的作用下对第一次上变频后的信号进行预调制；发射单元将上变频单元输出信号进行放大耦合功分四路，一路经过输入方波信号开关调制和电控衰减的作用下输出自校信号，一路经过检波输出检波信号，一路耦合输出发射激励耦合信号，一路经过开关调制和功放电源调制后输出激励信号；接收单元完成天线接收信号两次下变频，并在pin开关、thl开关、本振闭塞开关的作用下完成接收通道的保护和关断。电源及控制单元完成整机提供电源的二次稳压、各路开关驱动控制和发射放大电路的加电时序控制。采用上述组合，所述频综单元包括晶振、功分电路、一本振产生电路、二本振产生电路、倍频器；所述功分电路将晶振产生的信号功分为6路，其中3路分别作为晶振基准信号、晶振基准耦合信号、本振信号，第4路经倍频器10倍频后作为输出信号，第5路经一本振产生电路生成一本振信号传输至上变频单元和接收单元，第6路经二本振产生电路生成二本振信号传输至上变频单元和接收单元。采用上述组合，所述频综单元中二本振产生电路采用下变频锁相的方式实现，具体包括以下元器件：第一功分器将晶振信号功分为两路，其中第一功分器第一路输出信号从鉴相器第一输入端传输，第一功分器第二路输出信号依次经过点频源，衰减器、放大器后输入混频器第二输入端，混频器第二输入端接入信号由鉴相器输出信号获得，鉴相器第二输入端输入信号为混频器处混频后的信号，具体为：鉴相器输出信号经低通滤波器、压控振荡器后与与一二分频器耦合，二分频器输出信号作为混频器的第一输入信号，混频器的输出信号经低通滤波器和放大器后作为鉴相器的第二输入信号，压控振荡器的输出信号经一带通滤波器后被第二功分器分为两路，每一路经衰减器和放大器后作为二本振信号输出；所述鉴相器通过可编程逻辑器件接受外部调频控制码和调频同步信号的控制。采用上述组合，所述接收单元包括3个接收通道，每一接收通道均包括依次连接的前隔离器、pin开关、前混频器、90°电桥、前中频放大器、温补衰减器、thl开关、后隔离器、后混频器；所述一本振信号经本振闭塞开关输入前混频器，所述前隔离器输入天线接收信号，前混频器处对信号进行第一次下变频处理，后混频器处对信号进行第二次下变频处理。采用上述组合，接收单元三路均设计有幅度调试点，在所使用器件出现离散型时进行调试；接收单元结构上采用腔体隔离设计，三个通道腔体独立形成屏蔽腔；接收单元电源设计中增加了滤波网络，对电源上的高频信号进行隔离。采用上述组合，所述发射单元通过一耦合功分电路将上变频单元输出信号分为两路，耦合后的第一路信号依次经过输入方波信号开关调制、电控衰减、功率放大器和隔离器后输出自校信号，耦合后的第二路信号经一功分器功分为两路，其中第一路信号经开关调制和功率放大器和隔离器后输出激励信号，第二路经一末级功分器分为两路，末级功分器功分的第一路信号经过检波器输出检波信号，末级功放器功分的第二路信号经过隔离器后输出激励耦合信号。本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)二本振产生单元中的锁相环电路在鉴相频率为4.5mhz时，其输出射频信号时，由于鉴相泄漏而引起的杂散指标得到优化；(2)上变频单元中，预调脉冲的选择对发射的激励信号关断比设计和腔体滤波器的使用，使的上变频过程得到优化；(3)接收单元中通过pin开关、幅度调试点、独立腔体、滤波网络的设计，增加了接收通道的合理性。下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。附图说明图1是主动微波源组合组成框图。图2是频综单元原理框图。图3是第二本振详细设计原理框图。图4是环路滤波器原理框图。图5是上变频单元原理框图。图6是接收单元设计原理框图。图7是发射单元设计原理框图。具体实施方式主动微波源组合由频综单元、接收单元、上变频单元、发射单元和电源及控制单元组成，其基本组成原理如图1所示。主动微波源组合的工作原理是内部产生本振信号及整机需要的各种频率信号，完成输入中频信号两次上变频并经过开关调制、电源选通输出整机需要的激励信号，完成天线接收信号两次下变频输出给中频接收机。其中各功能单元的工作原理如下：频综单元：产生整机需要的晶振基准信号f92、晶振基准耦合信号f92ts、本振信号f92lo和输出信号f918，产生上变频单元和接收单元需要的一本振信号和二本振信号，其中二本振信号为跳频信号。上变频单元：完成输入中频的两次上变频，并在预调脉冲tb的作用下对第一次上变频后的信号进行预调制。发射单元：将上变频单元输出信号进行放大耦合功分四路，一路经过输入方波信号f119开关调制和kfa电控衰减的作用下输出自校信号fa，一路经过检波输出tj，一路耦合输出发射激励耦合信号fts，一路经过tb2开关调制和tb3功放电源调制后输出激励信号ft。接收单元：完成天线接收信号两次下变频，并在tp开关、thl开关、本振闭塞开关tl开关的作用下完成接收通道的保护和关断。电源及控制单元：完成整机提供电源的二次稳压、各路开关驱动控制和发射放大电路的加电时序控制。1、频综单元设计频综单元完成的主要功能是产生整机需要的晶振基准信号f92、晶振基准耦合信号f92ts、本振信号f92lo和输出信号f918，产生上变频单元和接收单元需要的一本振信号和二本振信号，其中二本振信号为跳频信号。频综单元总体设计原理框图如图3所示，该单元包括晶振功分放大电路、输出信号f918产生电路、一本振产生电路和二本振产生电路。(1)晶振功分放大电路晶振功放放大电路完成的主要功能是产生整机需要的晶振基准信号f92、晶振基准耦合信号f92ts、本振信号f92lo，并且完成输出信号f918产生电路、一本振产生电路和二本振产生电路的晶振信号功分放大功能。根据技术协议要求，晶振频率选择为91.86mhz。根据晶振基准信号f92、晶振基准耦合信号f92ts、本振信号f92lo频率稳定度(含准确度)为±3×10-6(全温范围内)的指标要求，温补晶振可以满足指标要求，且温补晶振具有功耗小，开机稳定时间短的特点，故选用温补晶振。二本振产生电路输出信号为跳频信号，由于晶体振荡器频率为91.86mhz，指标要求在频综输出频率在工作带宽内频率点数不少于60个，故跳频步进为9.186mhz，根据二本振信号电路设计原理，其理论相位噪声恶化值为-45.1dbc，考虑到工程实现过程中3db左右的相位噪声损耗，本方案所需晶振相位噪声指标必须满足-50dbc-100dbc＝-150dbc@10khz的技术要求。考虑到设计指标的冗余量，晶振相位噪声指标为-155dbc/hz@10khz，可以满足设计要求。晶振基准信号f92、晶振基准耦合信号f92ts、本振信号f92lo由晶振信号功分、放大、滤波直接输出，考虑到放大器对晶振信号相位噪声的影响，这三路信号的相位噪声能够达到-150dbc/hz@10khz以远，放大器后的低通滤波器为lc滤波器，谐波抑制能够达到35db以上。(2)输出信号f918产生电路输出信号f918产生电路完成的主要功能是产生输出信号f918，设计时该信号由点频锁相源产生，该点频源的指标为：单边带相位噪声指标为≤-115dbc/hz@10khz以远，谐波抑制≥10db，杂散电平≤-65dbc，输出功率(5～9)dbm。为了满足谐波抑制指标要求，在点频源输出加一级低通滤波器，其对谐波抑制可达到30db，加上点频源本身对谐波的抑制，谐波抑制可以达到40db。(3)一本振产生电路一本振产生电路完成的主要功能是产生上变频单元和接收单元需要的一本振信号，设计时该信号由点频源产生，该点频源的指标为：单边带相位噪声指标为≤-111dbc/hz，谐波抑制≥10db，杂散电平≤-65dbc，输出功率(5～9)dbm。为了使谐波抑制指标满足要求，在点频源输出端加一级低通滤波器，谐波抑制达到40db，然后经过功分放大后输出两路一本振信号。(4)二本振产生电路二本振产生电路完成的主要功能是产生上变频单元和接收单元需要的二本振信号，由于该本振信号频率较高，该部分电路采用下变频锁相的方式实现，原理框图如图3所示。二本振产生电路中下变频本振信号源技术指标为：输出频率：7899.96mhz；输出功率：(5～9)dbm；谐波抑制：≤-25dbc；杂波抑制：≤-65dbc；相位噪声：≤-105dbc/hz@10khz以远；二本振产生电路中鉴相器选用hittite公司生产的hmc704lp4，vco选用13所的hev1800n-3，压控灵敏度为250～400mhz/v，谐波抑制≤-15dbc，杂波抑制≤-70dbc，相位噪声：≤-88dbc/hz@100khz，锁相环路带宽为500khz，鉴相频率4.593mhz，中心频点对应压控电压为3v，环路滤波器采用有源滤波器，环路滤波器原理框图如图4所示。2、上变频单元设计上变频单元完成的主要功能是将输入中频进行两次上变频，并在预调脉冲tb的作用下对第一次上变频后的信号进行预调制，其原理框图如图5所示。(1)tb对ft的关断比设计上变频单元所选用预调器开关隔离度为60db，tb开关要求隔离度大于40db，发射单元增益压缩不超过10db，tb为高电平时对ft的关断比可以满足指标要求。(2)tb到预调器输出的泄漏设计tb信号的频率较低，设计中在混频器的输出端使用了腔体滤波器，可以完全的阻断tb信号的传输，确保其在预调器输出的泄漏小于≤-80dbm。(3)发射信号对fl信号的抑制设计发射信号对fl信号的抑制主要通过上变频单元的混频器的本振隔离和滤波器实现。上变频单元混频器的本振隔离最小值为40db，结合该混频器的实际工作情况，本振输入功率为+13dbm，中频输入功率为+1dbm，变频损耗为9db，则混频器输出端ft信号功率为-8dbm，fl信号功率为-27dbm。故混频器输出端ft信号对fl信号的抑制比为19db。连接频综单元和发射单元的滤波器对fl信号的抑制≥40db由此计算可得，发射信号对fl信号的抑制设计值为19db+40db＝59db。3、接收单元设计设计原理框图如图6所示，(1)增益设计情况增益计算链表如表1所示(由于s、dy、dz三路所用器件、结构一致，增益计算仅对其中一路进行计算)。表1接收单元增益计算链表接收单元单通道增益根据增益链表计算典型值常温为-10db，增益指标要求为全温下(-10±2)db。通道增益全温幅度波动主要取决于放大器、混频器。在全温范围内，根据器件资料和模块实测值可得，混频器u1损耗在低温工作时减小约0.3db，在高温工作时增大约0.5db；放大器v2增益在低温工作时增大约0.5db，在高温工作时减小约0.5db；混频器u2损耗在低温工作时减小约0.5db，在高温工作时增大约0.5db；接收单元增益的初步设计值为(-8.7～-11.5)db，为了保证接收单元增益在全温下有更大的设计裕度，我们加入了一级3db温补衰减器进行温度补偿。进行温度补偿后接收单元增益的全温设计值为(-10～-10.6)db。(2)噪声系数设计情况系统级联噪声系数计算公式为：接收单元所选用放大器v2噪声系数常温为1.6db，高温为2.1db。根据此公式进行计算，产品常温工作时的噪声系数为：12.78db，高温工作时的噪声系数为：13.75db.满足≤15db的噪声系数要求。(3)输入p-1设计情况根据增益计算链表可知，与接收单元输入p-1关联器件有混频器u1，放大器v2，混频器u2，根据前级增益链计算，该三种器件转换至输入端p-1值如表2所示。表2p-1计算情况器件名称混频器放大器混频器器件编号u1v2u2前级总增益(db)-2-11-4器件输入p-1(dbm)151.51换算后输入p-1(dbm)1712.55根据表2计算所得，产品最终输入p-1值为5dbm，满足≥-10dbm的要求(4)镜像频率抑制设计情况接收单元第一次变频的镜像频率抑制采用镜像抑制混频器的形式实现，混频器u1的镜像频率抑制在工作频率上大于25db，可以满足≥18db的指标要求。接收单元第二次变频的镜像频率抑制采用在混频器前加带通滤波器的形式实现，滤波器z2对镜像频率的抑制度为≥45db，可以满足≥18db的指标要求。(5)pin开关隔离度、三路隔离不一致性设计情况pin开关隔离通过pin开关s1实现，该开关在工作频率范围内隔离度≥35db，可以满足pin开关隔离≥30db的指标要求。同批次器件的开关隔离度离散性约为±1db，可以满足≤4db的指标要求。技术指标中还要求pin开关隔离度和路s闭锁量最大，结构设计中该开关预留了调试点，可以通过调试确保和路闭锁量最大。(6)三路幅度不一致性设计情况产品接收单元链路中共使用了9个元器件，由于三通道所使用元器件均为用一批次的同型号器件，器件之间差异较小，根据前期生产经验，产品三路幅度不一致性可以满足≤2db的指标要求。为了确保该指标符合要求，设计中，接收单元三路均设计有幅度调试点，保证在所使用器件出现离散型时仍可以通过调试满足指标。(7)相位随温度变化不一致性设计情况产品接收单元三通道采用相同的电路和布局，减小寄生参数引入的相位不一致误差，保证电路的线性余量，确保三通道的相位一致性。三通道采用元器件为同一批次器件，保证产品三通道间绝对相位在高低温下变化趋势一致，确保通道间相位随温度变化不一致性满足指标要求。(8)三通道间隔离设计情况影响通道间隔离主要有电路隔离、空间隔离及电源隔离等三个方面的因素。电路隔离方面，接收单元三通道间可通过两个混频器的本振之间进行流通，设计中两路隔离值计算如表3所示。表3隔离度计算情况根据计算结果可得，电路隔离方面接收单元三通道间隔离值设计最小值约为58db。空间隔离方面，接收单元在结构上采用腔体隔离设计，三个通道腔体独立形成屏蔽腔，避免通道间的空间串扰。根据以往设计经验，该设计通道间隔离值可达60db。电源隔离方面，为了减小信号通过电源电路泄漏到相邻通道，接收单元电源设计中增加了滤波网络，对电源上的高频信号进行隔离。根据仿真结果可见滤波网络对接收通道信号抑制度在工作频段上大于70db。4、发射单元设计设计原理框图如图7所示。(1)ft输出功率设计情况ft输出功率设计计算如表4所示。表4ft输出功率计算链表发射单元ft输出功率根据增益链表计算可得，全温输出功率为+28dbm，可以满足≥+27dbm的指标要求。(2)tb2关断比设计情况tb2开关关断比主要由两级级联的开关s2实现，该型号开关单级开关隔离度可达40db，两级开关级联后，根据前期应用经验，开关所提供的小信号隔离超过60db。而根据ft输出功率计算链表可知，tb2开关之后的输出链路中功率放大器v4存在2db(常温)、3db(低温)、1db(高温)的增益压缩。故tb2关断比的设计值为58db(常温)、57db(低温)、59db(高温)，可以满足≥40db的指标要求。(3)tb3关断比设计情况tb3为功率放大器v4调制开关。开关导通时，功率放大器v4处于工作状态，开关关断时，功率放大器v4处于断电状态。并且，tb3开关锁控制的功率放大器v4之后没有存在增益压缩的器件。所以产品tb3关断比直接取决于功率放大器v4的输出功率值与断电状态的信号泄漏值之差。对芯片模块进行实际测试，该型号芯片输出功率值与断电状态的信号泄漏值之差在全温范围内约为50db。根据实测值可得，tb3关断比设计值为50db，可以满足≥40db的指标要求。(4)激励信号ft对fl的抑制设计情况激励信号ft对fl的抑制主要通过上变频单元的混频器的本振隔离和滤波器实现。根据上变频单元5.2.3设计结果，激励信号在进入发射单元时ft对fl的抑制为59db。发射模块ft链路共有最高8db的增益压缩，故激励信号ft对fl的抑制设计值为51db，可以满足≥40db的指标要求。(5)fts输出功率设计情况fts输出功率设计计算如表5所示。表5fts输出功率计算链表发射单元ft输出功率根据增益链表计算可得，全温输出功率为(2～3)dbm，确保ft输出功率满足(0～5)dbm的指标要求。(6)激励信号fts对fl的抑制设计情况激励信号fts对fl的抑制与ft对fl的抑制实现原理类似，主要通过上变频单元混频器的本振隔离和滤波器实现。根据上变频单元5.2.3设计结果，激励信号在进入发射单元时fts对fl的抑制为59db，发射模块fts链路共有最高5db的增益压缩，故激励信号ft对fl的抑制设计值为54db，可以满足≥40db的指标要求。(7)fa输出功率设计情况fa输出功率设计计算如表6所示。表6fa输出功率计算链表发射单元fa输出功率根据增益链表计算可得，全温连续波输出功率为(+23.5～+24.5)dbm。(8)fa端口激励信号ft的泄漏设计情况fa端口激励信号ft的泄漏主要由3级级联的开关s1实现，该型号开关单级开关隔离度可达40db，3级开关级联后，根据前期应用经验，开关所提供的小信号隔离超过80db。而根据ft输出功率计算链表可知，s1开关之后的输出链路中功率放大器v4存在5.5db(常温)、5db(低温)、4.5db(高温)的增益压缩，而fa输出功率为(+23.5～+24.5)dbm。fa端口激励信号ft的泄漏的设计值为-56dbm(常温)、-55dbm(低温)、-57dbm(高温)，可以满足≤-45dbm的指标要求。6、控制信号设计根据总体技术指标的要求以及设计分配，发射单元的主要指标分配如表7：表7发射单元主要指标要求序号参数名称要求备注1tp开关关断/恢复延时35±15ns2tl开关关断/恢复延时35±15ns3tb开关关断/恢复延时35±15ns4tb脉冲前后沿≤20ns5tb2开关关断/恢复延时35±15ns6tb2脉冲前后沿≤20ns7tb3开关关断/恢复延时100±15ns8tb3脉冲前后沿≤20ns(1)tb、tb2、tp、tl延时及前后沿设计脉冲产生网络采用高速度的pin驱动器，将外部输入的ttl脉冲进行整形，对各开关进行脉冲控制，该驱动器延迟时间、前后沿均小于8ns。产品各单元所选调制开关开关延时均为20ns，前后沿为5ns，根据计算结合前期该型驱动器和开关的应用结果，可以确保开关的控制延时小于30ns，温度下变化量小于±5ns，开关前后沿小于13ns。(2)tb3延时及前后沿设计为了保证发射信号具有良好的上升沿和下降沿，设计中采用一种高速mosfet作为功放电源调制器，该调制器延迟时间小于30ns，前后沿小于10ns。功放脉冲的反相驱动电路延时小于60ns。根据计算结合前期该型驱动器和开关的应用结果，可以确保开关的控制延时小于80ns，温度下变化量小于±5ns，开关前后沿小于15ns。8、电源设计主动微波源组合电源供电有+10v、+8v和-8v电源，为了减小外部电源和组合的相互干扰，设计中对外部电源进行滤波、稳压供给各单元使用，具体电源分配情况如表8所示。表8主动微波源组合电源分配情况当前第1页12