一种16通道数字多波束收发前端组件的制作方法

本发明涉及收发变频信道技术领域，是一种主要采用mmic裸芯片与pcb电路混合设计、通过一次变频方式实现的16通道数字多波束收发前端组件。

背景技术：

多波束技术，一般用于多波束测深，是水声技术、计算机技术、导航定位技术和数字化传感器技术等多种技术的高度集成；多波束测试系统是一种多传感器的复杂组合系统，是现代信号处理技术、高性能计算机技术、高分辨显示技术、高精度定位技术、数字化传感器技术以及其他相关高新技术等多技术的高度集成。

收发前端组件采用变频的设计，变频前端是射频部分和基带部分良好纽带，是现代无线电通信、无线电探测不可缺少的一部分。无线电收发装置(例如天线)的尺寸与其接收和发射的无线电波长成正比。我们的低频信号需通过一次或者多次变频，将频谱搬移至射频部分，再使用合适尺寸的天线发射出去；天线接收到的无线电波，通过一次或者多次变频，将频谱搬移至中频部分，便于后级电路处理分析。

传统方式下的收发前端通常包括接收、发射和本振三大独立模块。接收模块通过预选滤波器选出需要接收的射频微弱信号，由限幅低噪声放大器将微弱信号放大后变频到中频，再通过中频滤波器提取出需要的中频信号，送至信号处理模块解调分析；发射模块将基带产生的中频信号变频到射频，然后通过滤波选出需要发射的射频信号，经放大后输出至天线；本振模块为接收模块和发射模块提供所需的本振驱动信号。面对各种各样的工作环境，传统方式下的收发前端已暴露出极大的局限性，主要包括以下几点：

1、传统方式的收发前端分为接收、发射、本振三个独立模块，各个模块功能单一，集成度低，系统体积庞大，电路组装复杂；

2、传统方式的收发前端器件种类、器件数量多，装配方式多样，在复杂的使用环境下可靠性、稳定性受到了极大挑战；

3、传统方式的收发前端本振信号采用常规锁相环模式产生，相位噪声较低，不能达到多波束测试条件下对目标测试的测试要求；

4、传统方式的收发前端通道少，使用范围窄，不能实现多目标，宽场景的测试。

技术实现要素：

本发明克服了传统方式收发前端的局限性，现在提出一种以mmic裸芯片和pcb电路为核心的一种ku波段16通道数字多波束收发前端组件，为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：

一种16通道数字多波束收发前端组件，其特征在于：包括接收天线、发射天线、16路接收通道、1路发射通道、3路测试时钟模块、1路本振模块、散热模块和电源控制模块；所述16路接收通道发射通道接收天线信号相连，所述发射通道与发射天线信号相连，所述16路接收通道与散热模块相连，所述本振模块与所述发射通道信号相连，所述电源控制模块分别与发射通道、1路本振模块和3路测试时钟模块供电，所述3路测试时钟模块和1路本振模块为频率源，各结构为多层立体硬连接。

接收天线接收的信号经16路接收通道分别经一次变频，实现ku波段信号至中频信号之间的变换；1路发射通道通过一次变频，实现中频l波段信号至ku波段信号之间的变换，然后直接连接到发射天线；测试时钟满足对外输出3路所需频点的测试时钟信号，方便后级处理；本振信号为发射链路提供高相位噪声的变频本振信号；电源控制部分为ldo电源，实现外部输入电压到内部供电电压之间的稳压、滤波、转换。

所述接收天线、发射天线、16路接收通道、发射通道、3路测试时钟模块和1路本振模块为多层结构，第一层为接收天线和发射天线，接收天线、发射天线安装在腔体中；所述腔体是指根据接收和发射天线特性仿真得出的腔体，长宽高以及发射天线和接收天线间的隔条长宽高，腔体主要保证接收天线和发射天线的指标和接收发射天线的隔离度，第二层为发射通道、16路接收通道的射频部分，即前端软基片部分、以及电源控制模块，第三层为中频输出、中频输入和3路测试时钟模块和本振模块，所述中频输出与16路接收通道信号相连，所述中频输入与发射通道信号相连；第四层包括散热模块；各层之间电源及控制信号通过微型低频连接器对插互连，射频信号通过射频绝缘子互连；各层内部主要通过过孔实现互连。

第二层的射频部分为高频部分，所述高频部分以mmic裸芯片电路为核心，将ku波段变频部分所有的mmic裸芯片、薄膜电路高密度集成在软基片电路上；第三层为中频部分，所述中频部分以多层微波板为载体，采用成熟可靠的表贴工艺，降低组装难度，提高系统的稳定性。

mmic裸芯片电路包括发射链路ku波段信号的放大、滤波、混频、耦合；接收链路ku波段信号的限幅、放大、滤波和混频；本振功分链路的功分、放大以及功率检测电路；16个接收通道分两个腔体，每个腔体8个通道，每个通道单独一个小腔体，通道间用隔条隔开，改善通道间的隔离度。发射通道单独一个腔体，与接收通道不共面设计，保证收发通道的隔离度要求。

本振信号为ku波段信号，其经过多次倍频、滤波放大之后再送至混频器与相应的信号进行频率变换。

第二层中的电源控制模块包括pcb板、ldo电源模块电路、电源滤波电路、控制电路、腔体以及对外的低频接口。

变频电路部分包括第二层的射频部分和第三层的中频输入、中频输出，所述变频电路包括软基片板、pcb板、小腔体、内部隔条、大腔体、接收链路、发射链路和本振链路，其中接收链路本振通过发射链路耦合提供。

所述叠层结构设计根据信号工作频率高低、信号类型不同、电路功能不同进行分层分区设计。所述电源和控制电路为低频电路，分别处理模拟电压电流信号和数字逻辑信号，拓扑设计为电源分区和控制逻辑分区。ku波段处理电路为高频电路，变频之后为中频电路，拓扑设计为射频和中频两大分区：射频分区以软基片电路为载体、通过mmic裸芯片对ku波段信号进行滤波放大和频率变换，实现多信道小型化设计，将放在同一水平面的印制电路分解到空间垂直的多个水平面上，通过层间的垂直互连实现三维拓扑结构；中频分区处理的信号来自射频分区ku频段下变频之后的信号，故以多层微波板为载体，采用成熟可靠的表贴工艺，降低组装难度，提高系统的稳定性。为了充分保证各路幅相一致性，仿真设计全部为对称结构，各个通道采用等长线布局。

本发明的优点在于：

实现了ku波段多通道数字多波束收发前端组件的高密度集成化，体积小，重量轻，稳定性好，满足了多波束收发测试的多方面要求。

本申请主要完成线性调频信号变频和功率放大，完成雷达多通道回波接收信号的放大、变频、滤波、幅度调整，最后输出信号给数据采集。收发天线实现信号的接收和发射；频率源为各模块提供相参时钟源；散热模块给整个组件提供良好的散热。发射通道具有性能异常监测功能；发射天线覆盖范围俯仰向40°，方位向3°。接收部分为16个接收通道，天线在水平上采用半阵法，左右各8个接收通道俯仰向上组成阵列，利用dbf技术实现俯仰向扫描。

薄膜滤波器电路尺寸小、重量轻、插入损耗小、温度稳定性好；所述中频部分采用pcb板，滤波器定制，尺寸小、重量轻、性能稳定、便于装配、不用调试。

16通道数字多波束收发前端组件，其接收链路为一次变频方式，直接将ku波段信号变换至0~20mhz信号，其好处在于设计链路简单，使用器件少，大大提高了系统稳定性。

电源和控制部分采用成熟可靠的ldo电源模块设计方案，输出提供给后级的电源稳定度高，纹波小，避免了采用dc-dc电源会带来开关杂散的问题。

接收通道本振信号通过发射通道输出耦合提供，大大简化了设计，使整个组件结构简化，稳定性提高，体积变小。

实现了ku波段多通道数字多波束收发前端组件的高密度集成化，体积小，重量轻，环境适应能力强，提高了系统在各种环境条件下工作的可靠性与稳定性，符合多波束收发前端组件的未来发展趋势。

附图说明

图1为本发明组成框图。

图2为本发明接收原理框图。

图3为本发明发射原理框图。

图4为本发明频率源原理框图。

图5为本发明本振功分原理框图。

具体实施方式

一种16通道数字多波束收发前端组件包括接收天线、发射天线、16路接收通道、1路发射通道、3路测试时钟模块、1路本振模块、散热模块和电源控制模块；所述16路接收通道发射通道接收天线信号相连，所述发射通道与发射天线信号相连，所述16路接收通道与散热模块相连，所述本振模块与所述发射通道信号相连，所述电源控制模块分别与发射通道、1路本振模块和3路测试时钟模块供电，所述3路测试时钟模块和1路本振模块为频率源，各结构为多层立体硬连接。

接收天线接收的信号经16路接收通道分别经一次变频，实现ku波段信号至中频信号之间的变换；1路发射通道通过一次变频，实现中频l波段信号至ku波段信号之间的变换，然后直接连接到发射天线；测试时钟满足对外输出3路所需频点的测试时钟信号，方便后级处理；本振信号为发射链路提供高相位噪声的变频本振信号；电源控制部分为ldo电源，实现外部输入电压到内部供电电压之间的稳压、滤波、转换。

所述接收天线、发射天线、16路接收通道、发射通道、3路测试时钟模块和1路本振模块为多层结构，第一层为接收天线和发射天线，接收天线、发射天线安装在腔体中；所述腔体是指根据接收和发射天线特性仿真得出的腔体，长宽高以及发射天线和接收天线间的隔条长宽高，腔体主要保证接收天线和发射天线的指标和接收发射天线的隔离度，第二层为发射通道、16路接收通道的射频部分，即前端软基片部分、以及电源控制模块，第三层为中频输出、中频输入和3路测试时钟模块和本振模块，所述中频输出与16路接收通道信号相连，所述中频输入与发射通道信号相连；第四层包括散热模块；各层之间电源及控制信号通过微型低频连接器对插互连，射频信号通过射频绝缘子互连；各层内部主要通过过孔实现互连。

第二层的射频部分为高频部分，所述高频部分以mmic裸芯片电路为核心，将ku波段变频部分所有的mmic裸芯片、薄膜电路高密度集成在软基片电路上；第三层为中频部分，所述中频部分以多层微波板为载体，采用成熟可靠的表贴工艺，降低组装难度，提高系统的稳定性。

mmic裸芯片电路包括发射链路ku波段信号的放大、滤波、混频、耦合；接收链路ku波段信号的限幅、放大、滤波和混频；本振功分链路的功分、放大以及功率检测电路；16个接收通道分两个腔体，每个腔体8个通道，每个通道单独一个小腔体，通道间用隔条隔开，改善通道间的隔离度。发射通道单独一个腔体，与接收通道不共面设计，保证收发通道的隔离度要求。

本振信号为ku波段信号，其经过多次倍频、滤波放大之后再送至混频器与相应的信号进行频率变换。

第二层中的电源控制模块包括pcb板、ldo电源模块电路、电源滤波电路、控制电路、腔体以及对外的低频接口。

变频电路部分包括第二层的射频部分和第三层的中频输入、中频输出，所述变频电路包括软基片板、pcb板、小腔体、内部隔条、大腔体、接收链路、发射链路和本振链路，其中接收链路本振通过发射链路耦合提供。

所述叠层结构设计根据信号工作频率高低、信号类型不同、电路功能不同进行分层分区设计。所述电源和控制电路为低频电路，分别处理模拟电压电流信号和数字逻辑信号，拓扑设计为电源分区和控制逻辑分区。ku波段处理电路为高频电路，变频之后为中频电路，拓扑设计为射频和中频两大分区：射频分区以软基片电路为载体、通过mmic裸芯片对ku波段信号进行滤波放大和频率变换，实现多信道小型化设计，将放在同一水平面的印制电路分解到空间垂直的多个水平面上，通过层间的垂直互连实现三维拓扑结构；中频分区处理的信号来自射频分区ku频段下变频之后的信号，故以多层微波板为载体，采用成熟可靠的表贴工艺，降低组装难度，提高系统的稳定性。为了充分保证各路幅相一致性，仿真设计全部为对称结构，各个通道采用等长线布局。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：实现了ku波段多通道数字多波束收发前端组件的高密度集成化，体积小，重量轻，稳定性好，满足了多波束收发测试的多方面要求。

本申请主要完成线性调频信号变频和功率放大，完成雷达多通道回波接收信号的放大、变频、滤波、幅度调整，最后输出信号给数据采集。收发天线实现信号的接收和发射；频率源为各模块提供相参时钟源；散热模块给整个组件提供良好的散热。发射通道具有性能异常监测功能；发射天线覆盖范围俯仰向40°，方位向3°。接收部分为16个接收通道，天线在水平上采用半阵法，左右各8个接收通道俯仰向上组成阵列，利用dbf技术实现俯仰向扫描。

薄膜滤波器电路尺寸小、重量轻、插入损耗小、温度稳定性好；所述中频部分采用pcb板，滤波器定制，尺寸小、重量轻、性能稳定、便于装配、不用调试。

16通道数字多波束收发前端组件，其接收链路为一次变频方式，直接将ku波段信号变换至0~20mhz信号，其好处在于设计链路简单，使用器件少，大大提高了系统稳定性。

电源和控制部分采用成熟可靠的ldo电源模块设计方案，输出提供给后级的电源稳定度高，纹波小，避免了采用dc-dc电源会带来开关杂散的问题。

接收通道本振信号通过发射通道输出耦合提供，大大简化了设计，使整个组件结构简化，稳定性提高，体积变小。

实现了ku波段多通道数字多波束收发前端组件的高密度集成化，体积小，重量轻，环境适应能力强，提高了系统在各种环境条件下工作的可靠性与稳定性，符合多波束收发前端组件的未来发展趋势。

下面结合附图进行说明：

如图1组成框图所示，16通道数字多波束收发前端组件主要包括天线模块、接收通道模块、发射通道模块、本振模块、散热模块。产品采用模块化的设计思路将上述各部分按照不同的功能进行分区设计。

发射通道模块，采用高本振本振频率，将输入的中频信号直接上变频到ku波段。混频后采用腔体滤波器和微带滤波器对带外杂散进行抑制，链路末级采用检波器和比较器实现功率检测输出功能，综合考虑各个滤波器及其它器件尺寸以进行结构匹配。

接收通道完成对雷达多通道回波接收信号的放大、变频、滤波、幅度调整，最后输出信号给数据采集，链路中将接收到的ku波段信号与发射链路耦合过来的本振信号混频下变频至中频信号，然后通过放大、滤波、衰减控制输出。链路中采用两级数控衰减实现对信号40db的衰减控制。

频率源模块为各个模块提供相参时钟源，一共包括4个频率源，频率源参考使用100mhz恒温晶振，功分后一路分频产生10mhz测试时钟信号和50mhz的ad采样时钟信号；一路经过放大、滤波取5倍频谐波、放大、滤波、放大再滤波取4倍频谐波产生2000mhz的da采样时钟，之后放大、滤波输出；本振信号通过分频产生的50mhz信号与功分后的da采样时钟信号混频先产生2050mhz信号，再通过滤波、放大、滤波、放大滤波取2倍频谐波得到4.1ghz信号，对该信号滤波后采用4倍频的方式达到需要的16.4ghz的本振信号。

天线模块包括一个发射天线和16个接收天线，发射天线覆盖范围俯仰向40°，方位向3°。接收天线水平上采用半阵法，左右各8个接收通道俯仰向上组成阵列，利用dbf技术实现俯仰向扫描。

散热模块主要包括4个风扇，整个组件功耗大，其中发射模块采用的功率放大器发热量大，需要及时散热，采用该防水风扇，不仅可以保证热量的及时导出，同时满足气密的设计要求。

如图2所示，所述接收通道由限幅器1、放大器1、滤波器1、混频器1、滤波器2、放大器2、数控衰减器1、放大器3、π衰1、数控衰减器2、放大器4、π衰2、放大器5、均衡器1、滤波器3、π衰3、放大器6、π衰4组成。所述限幅器1的输入端接接收天线，其输出端接所述放大器1的输入端，它对接收天线接收的信号进行限幅，保护后级器件；所述放大器1的输出端接滤波器1的输入端，对接收信号进行放大；所述滤波器1的输出端接混频器1的输入端，对放大器1放大后的信号进行滤波；所述混频器1的输出端接滤波器2的输入端；所述滤波器2的输出端接放大器2的输入端，其对混频后的信号进行滤波处理；所述放大器2的输出端接锁孔衰减器1的输入端，其对滤波器2的输出信号进行放大；所述数控衰减器1的输出端接放大器3是输入端，其对信号进行数控衰减控制；所述放大器3的输出端接π衰1的输入端；所述π衰1的输出端接数控衰减器2的输入端；所述数控衰减器2是输出端接放大器4的输入端，其对信号进行第二次数控衰减控制；所述放大器4的输出端接π衰2的输出端；所述π衰2的输出端接放大器5的输入端；所述放大器5的输出端接均衡器1的输出端；所述均衡器1的输出端接滤波器3的输入端，其对信号进行均衡处理；所述滤波器3的输出端接π衰3的输入端；所述π衰3的输出端接放大器6的输入端；所述放大器6的输出端接π衰4的输入端，其对信号进行放大；所述π衰4的输出端后级中频板，供后级处理板处理使用。

如图3所示，所述发射通道由滤波器4、放大器7、π衰5、放大器8、π衰6、温补衰减器1、混频器2、滤波器6、π衰7、放大器10、滤波器5、放大器9、滤波器7、π衰8、放大器11、π衰9、放大器12、滤波器8、放大器13、耦合器1组成。所述滤波器4的输入端接外部信号输入，其输出端接放大器7的输入端，对外部输入信号进行滤波处理；所述放大器7的输出端接π衰5的输入端，对信号进行放大；所述π衰5的输出端接放大器8的输入端，对信号进行大小功率控制并改善两级放大器级联间的匹配；所述放大器8的输出端接π衰6的输入端，对信号进行再次放大；所述π衰6的输出端接温补衰减器1的输入端；所述温补衰减器1的输出端接混频器2的if输入端，保证信号在高低常三温状态下的大小稳定度；所述滤波器6的输入端接本振模块16.4ghz的输出端，其输出端接π衰7的输入端，对本振信号进行滤波；所述π衰7的输出端接放大器10的输入端，控制本振信号大小并改善放大器10输入端匹配驻波；所述放大器10的输出端接混频器2的lo输入端，对本振信号放大器；所述混频器2的rf输出端接滤波器5的输入端；所述滤波器5的输出端接放大器9输入端，对混频后信号进行滤波；所述放大器9的输出端接滤波器7的输入端，对混频后信号进行放大；所述滤波器7的输出端接π衰8的输入端，对信号再次滤波；所述π衰8的输出端接放大器11的输入端；所述放大器11的输出端接π衰9的输入端，对信号放大；所述π衰9的输出端接放大器12的输入端；所述放大器12的输出端接滤波器8的输入端，对信号放大，保证后级放大器可以正常工作；所述滤波器8的输出端接放大器13的输入端，保证进入后级滤波器的信号尽可能干净；所述放大器13的输出端接耦合器1的输入端；所述耦合器1的输出端接发射天线输入端。

如图4所示，所述频率源模块由晶振1、声表滤波器1、功分器6、放大器16、声表滤波器2、放大器17、声表滤波器3、放大器18、声表滤波器4、放大器19、声表滤波器5、功分器7、放大器20、声表滤波器6、滤波器11、放大器21、滤波器12、分频器1、滤波器10、滤波器13、滤波器14、混频器3、声表滤波器7、放大器22、声表滤波器8、声表滤波器9、放大器23、滤波器15、滤波器16、滤波器17、滤波器18、倍频器1组成。所述晶振1的输出端接声表滤波器1的输入端，给整个系统提供参考信号；所述声表滤波器1的输出端接功分器6的输入端；所述功分器6的某一输出端接放大器16的输入端，为后级2ghz时钟信号做参考，另一输出端接分频器1的输入端，为后级10mhz和50mhz时钟信号做参考；所述放大器16的输出端接声表滤波器2的输入端；所述声表滤波器2的输出端接放大器17的输入端，其对前级放大后的信号取500mhz的谐波信号；所述放大器17的输出端接声表滤波器的输入端，对500mhz的谐波信号进行放大；所述声表滤波器3的输出端接放大器18的输入端，对前级信号再次滤波；所述放大器18的输出端接声表滤波器4输入端，对前级信号进行饱和放大，方便后级谐波信号的提取；所述声表滤波器4的输出端接放大器19的输入端，其对前级信号取2ghz的谐波信号；所述放大器19的输出端接声表滤波器5的输入端，对前级信号放大；所述声表滤波器5的输出端接功分器7的输入端，对信号再次滤波处理；所述功分器7的某一输出端接放大器20的输入端，提供给对外2ghz时钟信号，另一输出端接放大器21的输入端，提供给后级16.4ghz信号使用；所述放大器20的输出端接声表滤波器6的输入端；所述声表滤波器6的输出端接滤波器11的输入端；所述滤波器11的输出端对外输出2ghz时钟信号；所述放大器21的输出端接滤波器12的输入端；所述滤波器12的输出端接混频器3的lo输入端；所述分频器1的某一输出端接滤波器10；所述滤波器10的输出端对外输出10mhz信号；分频器1的另一输出端接滤波器13；滤波器13的输出端对外输出50mhz时钟信号；分频器1的第三路输出端接滤波器14；所述滤波器14的输出端接混频器3的if输入端；所述混频器3的输出端接声表滤波器7的输入端，前级两路信号混频产生2.05ghz信号；所述声表滤波器7的输出端接放大器22的输入端，对混频后的信号进行滤波处理；所述放大器22的输出端接声表滤波器8的输入端；所述声表滤波器8的输出端接声表滤波器9的输入端；所述声表滤波器9的输出端接放大器23的输入端，两级声表滤波器对信号进行滤波处理，保证信号的杂散要求；所述放大器23的输出端接滤波器15的输入端；所述滤波器15的输出端接滤波器16的输入端；所述滤波器16的输出端接滤波器17的输入端；所述滤波器17的输出端接滤波器18的输入端；所述滤波器18的输出端接倍频器1的输入端，多级高通和低通滤波器的组合滤波，保证主信号的信号纯净度；所述倍频器1的输出端接滤波器6的输入端，输出16.4ghz本振信号。

如图5所示，本振功分网络包括滤波器9、功分器1、功分器2、π衰10、放大器14、功分器3、功分器4、功分器5、放大器15、检波二极管1、电压比较器1。所述滤波器9的输入端接耦合器1的耦合输出端，输出端接功分器1的输入端；所述功分器1的某一输出端接检波二极管1的输入端；所述检波二极管1的输出端接电压比较器1的输入端；所述电压比较器1的输出端对外输出功率检测高低电平结果；功分器1的另一输出端接功分器2的输入端；所述功分器2的输出端接π衰10的输入端；所述π衰10的输出端接放大器14的输入端；所述放大器14的输出端接功分器3的输入端；所述功分器3的输出端接功分器4的输入端；所述功分器4的输出端接功分器5的输入端；所述功分器5的输出端接放大器15的输入端；所述放大器15的输出端接接收通道混频器1的lo输入端，为接收通道提供本振信号。