一种毫米波射频收发系统的制作方法

本实用新型属于信号传输的技术领域，具体涉及一种毫米波射频收发系统。

背景技术：

毫米波(millimeter wave)：波长为1-10毫米的电磁波称毫米波，它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼有两种波谱的特点。毫米波的理论和技术分别是微波向高频的延伸和光波向低频的发展。毫米波与较低频段的微波相比，具有可利用的频谱范围宽、信息容量大、易实现窄波束和高增益的天线因而分辨率高、抗干扰性好、穿透等离子体的能力强、多普勒频移大、测速灵敏度高等优点。其缺点是大气中传播衰减严重、器件加工精度要求高。

与光波相比，它们利用大气窗口(毫米波与亚毫米波在大气中传播时，由于气体分子谐振吸收所致的某些衰减为极小值的频率)传播时的衰减小，受自然光和热辐射源影响小。因而毫米波在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学和波谱学方面都有重大的意义。利用大气窗口的毫米波频率可实现大容量的卫星-地面通信或地面中继通信。利用毫米波天线的窄波束和低旁瓣性能可实现低仰角精密跟踪雷达和成像雷达。在远程导弹或航天器重返大气层时，需采用能顺利穿透等离子体的毫米波实现通信和制导。高分辨率的毫米波辐射计适用于气象参数的遥感。用毫米波和亚毫米波的射电天文望远镜探测宇宙空间的辐射波谱可以推断星际物质的成分。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种毫米波射频收发系统。本实用新型中将射频部与微波收发中频部分离式设置，减少射频部内部的接口，所述电源与I2C线合成一组线、信号线是一组线，精简了射频部的结构，通过射频与基带分离，降低设备的安装难度，便于携带，同时提高使用稳定性，具有较好的实用性。

本实用新型主要通过以下技术方案实现：一种毫米波射频收发系统，包括射频部和微波收发中频部，所述微波收发中频部通过两个接口与射频部连接，所述微波收发中频部与射频部之间通过一组信号线、一组电源线与I2C线连接；所述射频部包括毫米波接收模块、毫米波发射模块、本振模块、发射天线、接收天线，所述微波收发中频部包括信号处理中频模块、ADC模块、DAC模块、电源模块、基带板；所述信号处理中频模块的接收链路接收射频部的中频信号并处理后向AD输出中频信号；所述信号处理中频模块的发射链路从 DA接收中频信号并处理后向射频部提供发射信号；所述毫米波接收模块通过接收天线接收发射的毫米波信号，所述毫米波接收模块输出中频信号给所述微波收发中频部，所述毫米波发射模块接收微波收发中频部提供的发射信号，并通过发射天线发送。

所述毫米波发射模块与发射天线的发射端连接，所述毫米波发射模块通过发射天线将毫米波信号发送出去；所述毫米波接收模块与接收天线的接收端连接，所述毫米波接收模块用于接收所述毫米波发射模块发射的毫米波信号并将所述发射信号转换成中频信号；所述本振模块分别与毫米波接收模块、毫米波发射模块连接，用于向毫米波接收模块和毫米波发射模块提供本振信号。现有技术中专利申请号为201210545331.4、申请日为2012.12.14 的中国专利公开了毫米波接收模块、毫米波发射模块、本振模块、发射天线、接收天线之间的连接关系，故不再赘述。

为了更好的实现本实用新型，进一步的，所述信号处理中频模块的共用链路包括功分器/环行器和π衰减，且功分器/环行器间对收发信号的隔离度大于20dB，所述信号处理中频模块的共用链路中增加π衰减以增加隔离的大小；所述信号处理中频模块的接收链路将接收射频部提供的中频信号经过功分器/环行器后，依次经过衰减、滤波、放大、均衡处理，向 AD输出中频信号；所述信号处理中频模块的接收链路通过均衡实现对中频信号高频部分的补偿，调节带内信号的平坦度；所述信号处理中频模块的发射链路由DA输出中频信号以后，经过均衡、数控衰减、放大波处理，向射频部提供发射信号；所述信号处理中频模块的自检链路中间增加了π衰，降低电平的幅度，所述信号处理中频模块的自检链路中包括高通滤波器以保证自检回路的信号为DAC的输出信号。

为了更好的实现本实用新型，进一步的，所述信号处理中频模块的接收链路的滤波包括低通、放大、高通，中频信号依次通过低通、放大、高通实现带通滤波功能；所述信号处理中频模块的接收链路中包含依次连接的VGA、耦合、检波，用于完成AGC的功能。

为了更好的实现本实用新型，进一步的，所述毫米波发射模块包括二倍频器、混频器、滤波器、低噪放、驱放、功放，本振信号输入二倍频器，且在混频器中与中频信号完成变频，然后经过平行耦合滤波器滤波后由低噪声放大器放大，再次经过平行耦合滤波器滤波，通过驱放后功放放大后通过发射天线输出毫米波信号；所述毫米波接收模块包括混频器、波导滤波器、低噪放，发射的毫米波信号通过接收天线发送到毫米波接收模块，毫米波信号经过波导滤波后由低噪声放大器放大输出到混频器并与本振信号混频，然后输出中频信号。

为了更好的实现本实用新型，进一步的，所述本振模块包括晶振、集成PLL、二倍频器、滤波器、功分器，锁相环输出的本振频率经过滤波、功分后，形成两路本振信号，分别提供给毫米波发射模块和毫米波接收模块；所述二倍频器的型号为hmc814LC。

为了更好的实现本实用新型，进一步的，所述毫米波发射模块的二倍频器的型号为HMC579、混频器的型号为HMC329、低噪放的型号为CGY2260UH/C1、驱放的型号为 AMMCS040、功放的型号为TGA4522；所述毫米波接收模块混频器的型号为HMC339、低噪放的型号为CGY2260UH/C1。

为了更好的实现本实用新型，进一步的，所述射频部还包括射频微波模块，所述射频微波模块的共用链路包括功分器/环行器和π衰减，所述功分器/环行器间对收发信号的隔离度大于20dB，通过增加π衰减以增加隔离的大小；所述射频微波模块的接收链路由毫米波接收模块变频后提供的中频信号，经过衰减、滤波、放大后向微波收发中频模块输出中频信号；所述射频微波模块的发射链路由微波收发中频模块提供的中频信号，经过衰减、滤波、放大处理后向毫米波发射模块输出变频所需的中频信号；所述射频微波模块的接收链路中的滤波包括低通、放大、高通，中频信号依次通过低通、放大、高通实现带通滤波。

为了更好的实现本实用新型，进一步的，所述射频部还包括信息处理模块，用于读取 PA、LNA的上电信息、本振锁定信息、毫米波发射模块温度信息、射频部的工作电流信息、晶振调谐电平信息，所有信息的传输通过串口方式与基带板进行交互。

为了更好的实现本实用新型，进一步的，所述毫米波收发装置的发射频段为 37GHz±0.5GHz、接收频段为41GHz±0.5GHz；所述毫米波发射模块用于将20.1/18.9GHz的中频信号上变频为37GHz±0.5GHz；所述毫米波接收模块用于将通过接收天线接收的 41GHz±0.5GHz信号下变频为0.3-1.3GHz。

为了更好的实现本实用新型，进一步的，所述接收天线和发射天线分别为喇叭天线。

射频系统中包括射频部、微波收发中频部两个部分。所述射频部分包括毫米波发射模块、本振模块、毫米波接收模块、电源模块、射频微波模块、信息处理模块、发射天线、接收天线8个部分。

所述毫米波发射模块包括二倍频器、混频器、滤波器、低噪放、驱放、功放，整个链路的信号输入本振信号和中频信号在混频器HMC329完成变频后，经过平行耦合滤波器滤波后由LNA放大，再次经过平行耦合滤波器滤波，通过驱放后功放放大后输出毫米波信号。模块的增益为33dB左右，链路中关键性器件的给出的值为典型值，实际上会有一定的余量；在工程中，通过调整供电的中栅极电压调整链路的增益为比较合适的值。整个链路的输出 OP1在高端频率为25dBm，考虑到微带鳍线过波到波导的连接损耗，输出OP1应该在 24dBm，低端频率部分能够在25dBm左右。考虑到毫米波发射模块的温度最高，需要监测其温度信息，在毫米波发射模块还考虑温度状态信息的输出。

本振模块链路包括晶振、集成PLL、二倍频器、滤波器、功分器。锁相环输出的频率为10.05GHz/9.45GHz本振频率，经过滤波、功分后，形成两路本振信号，分别提供给毫米波发射模块和毫米波接收模块，两路本振信号的幅度大于6dBm，满足变频信号所需的本振频率和幅度。锁定指示信号输出到信号处理模块。

所述毫米波接收模块包括混频器、波导滤波器、低噪放。毫米波信号经过波导滤波后由低噪声放大器放大输出到混频器与本振信号混频，输出中频信号。接收模块的噪声系数由低噪声放大器决定，整个链路的噪声系统由于低噪声放大器的增益相对比较小，噪声会有一定的恶化，此外，由于前置滤波器的插入损耗和滤导、鳍线过滤到微带插入损耗，会恶化变频噪声系数，噪声系数据应该能够小于5.0dB，不考虑前置滤波器，噪声系数小于 4.0dB。

所述电源模块由DC-DC、电源开关、LDO等组成，电压根据各个模块的电压需求处理。所述电源模块为现有技术且不是本实用新型的改进点，故不再赘述。

所述射频微波模块主要包括功分器/环行器、滤波器、均衡器、衰减器(固定)。所述射频微波模块的链路如下：

共用链路：其中功分器/环行器间对收发信号的隔离度至少应该超过20dB，通过增加π衰减可以增加隔离的大小；

接收链路：由毫米波模块变频后提供中频信号，经过衰减、滤波、放大等处理，向微波收发中频部输出中频信号；通过低通、放大、高通的方式，实现带通滤波功能；

发射链路：由微波收发中频部提供的中频信号，经过衰减、滤波、放大等处理，向毫米波模块输出变频所需的中频信号。

所述信息处理模块用于实时监测射频部分的工作状态信息，所述工作状态信息包括本振锁定信息、毫米波发射模块温度信息、射频部分的工作电流信息，读取PA、LNA的上电信息，以及晶振调谐电平信息等；可根据基带提供信息调整晶振的调谐电平和控制PA、LNA 的上电；所有信息的传输通过串口方式与基带板进行交互。

所述微波收发中频部分包括信号处理中频模块、ADC模块、DAC模块、电源模块、基带板。所述信号处理中频模块的链路如下：

共用链路分析：其中功分器/环行器间对收发信号的隔离度至少应该超过20dB，通过增加π衰减可以增加隔离的大小；

接收链路分析：由射频部分提供的接收中频信号经过功分器/环行器后，经过衰减、滤波、放大、均衡等处理，向AD输出中频信号；通过低通、放大、高通的方式，实现带通滤波功能；VGA、耦合、检波完成AGC的功能；通过均衡实现对中频信号高频部分的补偿，调节带内信号的平坦度；

发射链路分析：由DA输出中频信号以后，经过均衡、数控衰减、放大波等处理，向射频部分提供发射信号；通过均衡实现对中频信号高频部分的补偿，调节带内信号的平坦度；通过数控衰减调节输出功率有利用应对恶劣天气和中间故障设备的越区工作；通过放大高通实现的滤波放大功能；

自检链路分析：当自检控制电平拉低时，自检回路导通，中间增加了π衰减，降低电平的幅度，保证在放大器处处于线性放大区，放大器的功能在于隔离放大作用，最后的高通滤波器是保证自检回路的信号为DAC的输出信号，此处，还有对接收链路的滤波隔离作用。

本实用新型的有益效果：

(1)所述微波收发中频部通过两个接口与射频部连接，所述微波收发中频部与射频部之间通过一组信号线、一组电源线与I2C线连接；所述射频部包括毫米波接收模块、毫米波发射模块、本振模块、发射天线、接收天线，所述微波收发中频部包括信号处理中频模块、ADC模块、DAC模块、电源模块、基带板；所述信号处理中频模块的接收链路接收射频部的中频信号并处理后向AD输出中频信号；所述信号处理中频模块的发射链路从DA 接收中频信号并处理后向射频部提供发射信号；所述毫米波接收模块通过接收天线接收发射的毫米波信号，所述毫米波接收模块输出中频信号给所述微波收发中频部，所述毫米波发射模块接收微波收发中频部提供的发射信号，并通过发射天线发送。本实用新型中将射频部与微波收发中频部分离式设置，减少射频部内部的接口，所述电源与I2C线合成一组线、信号线是一组线，精简了射频部的结构，便于携带，同时提高使用稳定性，具有较好的实用性。

(2)本实用新型集成了毫米波信道的所涉及的所有模块，不同于传统通信的几十兆的物理带宽，本装置提供单个物理带宽高达1GHz，为Gbps级的毫米波无线超宽带通信系统提供必要的验证平台，特别是5G通信在高频段即毫米波频段的开发起到促进作用。

(3)本实用新型充分利用毫米波带宽大的特点，采用单本振的方式的FDD全双工，对以后的设备小型化提供必要的参考，对特殊区域的设备如高铁列车安装时，通过射频与基带分离，降低设备的安装难度。

(4)本实用新型充分利用毫米波频段高，天线可以小型化的特点，采用收发分离双天线方式，降低了收发共用天线隔离度要求。

(5)本实用新型通过内置功耗、温度等传感器完成功耗、温度等信息采集，对设备的工作情况进行监测，提高设备工作的可靠性，从而保障系统的稳定性。

(6)本实用新型通过功分器与π衰减，实现收发中频采用一线通方式，减少连接出错概率，降低装置成本，提高装置安装便捷，还利于小型化。

(7)本实用新型的通过高通、放大、低通，实现了对信号的带通放大功能，减少了带通定制的难度和定制周期。

(8)本实用新型采用模拟均衡方式调整宽带信号的带内平坦度，保持带内信号起伏比较小。

(9)本实用新型通过模拟AGC使接收机的输入中频信号幅度起伏比较小，响应时间快，还可以减少数字信号处理的动态处理资源。

附图说明

图1为射频部与微波收发中频部的连接框图；

图2为射频部的连接框图；

图3为毫米波发射模块的结构示意图；

图4为本振模块的结构示意图；

图5为毫米波接收模块的结构示意图；

图6为射频微波模块的结构示意图；

图7为微波收发中频部的结构示意图；

图8为信号处理中频模块的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

一种毫米波射频收发系统，如图1所示，包括射频部和微波收发中频部，所述微波收发中频部通过两个接口与射频部连接，所述微波收发中频部与射频部之间通过一组信号线、一组电源线与I2C线连接；所述射频部包括毫米波接收模块、毫米波发射模块、本振模块、发射天线、接收天线，如图7所示，所述微波收发中频部包括信号处理中频模块、ADC模块、DAC模块、电源模块、基带板；所述信号处理中频模块的接收链路接收射频部的中频信号并处理后向AD输出中频信号；所述信号处理中频模块的发射链路从DA接收中频信号并处理后向射频部提供发射信号；所述毫米波接收模块通过接收天线接收发射的毫米波信号，所述毫米波接收模块输出中频信号给所述微波收发中频部，所述毫米波发射模块接收微波收发中频部提供的发射信号，并通过发射天线发送。

本实用新型中将射频部与微波收发中频部分离式设置，减少射频部内部的接口，所述电源与I2C线合成一组线、信号线是一组线，精简了射频部的结构，通过射频与基带分离，降低设备的安装难度，便于携带，同时提高使用稳定性，具有较好的实用性。本实用新型充分利用毫米波带宽大的特点，采用单本振的方式的FDD全双工，对以后的设备小型化提供必要的参考，对特殊区域的设备如高铁列车安装时，通过射频与基带分离，降低设备的安装难度。

实施例2：

本实施例是在实施例1的基础上进行优化，如图8所示，所述信号处理中频模块的共用链路包括功分器/环行器和π衰减，且功分器/环行器间对收发信号的隔离度大于20dB，所述信号处理中频模块的共用链路中增加π衰减以增加隔离的大小；所述信号处理中频模块的接收链路将接收射频部提供的中频信号经过功分器/环行器后，依次经过衰减、滤波、放大、均衡处理，向AD输出中频信号；所述信号处理中频模块的接收链路通过均衡实现对中频信号高频部分的补偿，调节带内信号的平坦度；所述信号处理中频模块的发射链路由DA 输出中频信号以后，经过均衡、数控衰减、放大波处理，向射频部提供发射信号；所述信号处理中频模块的自检链路中间增加了π衰，降低电平的幅度，所述信号处理中频模块的自检链路中包括高通滤波器以保证自检回路的信号为DAC的输出信号。

所述信号处理中频模块的接收链路的滤波包括低通、放大、高通，中频信号依次通过低通、放大、高通实现带通滤波功能；所述信号处理中频模块的接收链路中包含依次连接的VGA、耦合、检波，用于完成AGC的功能。本实用新型采用模拟均衡方式调整宽带信号的带内平坦度，保持带内信号起伏比较小。

所述高通与低通在于通过通用滤波器组合，实现带通功能，降低定制周期与定制成本；所述均衡通过模拟均衡在于调节带内平坦度；所述AGC通过模拟AGC使接收机的输入中频信号幅度起伏比较小，响应时间快，还可以减少数字信号处理的动态处理资源。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例是在实施例1或2的基础上进行优化，如图3、图5所示，所述毫米波发射模块包括二倍频器、混频器、滤波器、低噪放、驱放、功放，本振信号输入二倍频器，且在混频器中与中频信号完成变频，然后经过平行耦合滤波器滤波后由低噪声放大器放大，再次经过平行耦合滤波器滤波，通过驱放后功放放大后通过发射天线输出毫米波信号；所述毫米波接收模块包括混频器、波导滤波器、低噪放，发射的毫米波信号通过接收天线发送到毫米波接收模块，毫米波信号经过波导滤波后由低噪声放大器放大输出到混频器并与本振信号混频，然后输出中频信号。

本实用新型充分利用毫米波带宽大的特点，采用单本振的方式的FDD全双工，对以后的设备小型化提供必要的参考，对特殊区域的设备如高铁列车安装时，通过射频与基带分离，降低设备的安装难度。

本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例是在实施例3的基础上进行优化，如图4所示，所述本振模块包括晶振、集成PLL、二倍频器、滤波器、功分器，锁相环输出的本振频率经过滤波、功分后，形成两路本振信号，分别提供给毫米波发射模块和毫米波接收模块；所述二倍频器的型号为 hmc814LC。如图3、图5所示，所述毫米波发射模块的二倍频器的型号为HMC579、混频器的型号为HMC329、低噪放的型号为CGY2260UH/C1、驱放的型号为AMMCS040、功放的型号为TGA4522；所述毫米波接收模块混频器的型号为HMC339、低噪放的型号为 CGY2260UH/C1。

所述元器件选型，核心器件都选择行业通用型芯片和技术参数比较高的芯片，保障元器件的渠道来源，也保障装置技术指标。本实用新型集成了毫米波信道的所涉及的所有模块，不同于传统通信的几十兆的物理带宽，本装置提供单个物理带宽高达1GHz，为Gbps 级的毫米波无线超宽带通信系统提供必要的验证平台，特别是5G通信在高频段即毫米波频段的开发起到促进作用。

本实施例的其他部分与上述实施例3相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例是在实施例4的基础上进行优化，如图6所示，所述射频部还包括射频微波模块，所述射频微波模块的共用链路包括功分器/环行器和π衰减，所述功分器/环行器间对收发信号的隔离度大于20dB，通过增加π衰减以增加隔离的大小；所述射频微波模块的接收链路由毫米波接收模块变频后提供的中频信号，经过衰减、滤波、放大后向微波收发中频模块输出中频信号；所述射频微波模块的发射链路由微波收发中频模块提供的中频信号，经过衰减、滤波、放大处理后向毫米波发射模块输出变频所需的中频信号；所述射频微波模块的接收链路中的滤波包括低通、放大、高通，中频信号依次通过低通、放大、高通实现带通滤波。

所述模块完成收发信号一线通的功能，在于可以使工程实施方便快捷，降低装置成本，减少连接出错概率。本实用新型的通过高通、放大、低通，实现了对信号的带通放大功能，减少了带通定制的难度和定制周期。本实用新型采用模拟均衡方式调整宽带信号的带内平坦度，保持带内信号起伏比较小。

本实施例的其他部分与上述实施例4相同，故不再赘述。

实施例6：

本实施例是在实施例5的基础上进行优化，如图2所示，所述射频部还包括信息处理模块，用于读取PA、LNA的上电信息、本振锁定信息、毫米波发射模块温度信息、射频部的工作电流信息、晶振调谐电平信息，所有信息的传输通过串口方式与基带板进行交互。所述毫米波收发装置的发射频段为37GHz±0.5GHz、接收频段为41GHz±0.5GHz；所述毫米波发射模块用于将20.1/18.9GHz的中频信号上变频为37GHz±0.5GHz；所述毫米波接收模块用于将通过接收天线接收的41GHz±0.5GHz信号下变频为0.3-1.3GHz。所述接收天线和发射天线分别为喇叭天线。

本实用新型通过内置功耗、温度等传感器完成功耗、温度等信息采集，对设备的工作情况进行监测，提高设备工作的可靠性，从而保障系统的稳定性。本实用新型充分利用毫米波频段高，天线可以小型化的特点，采用收发分离双天线方式，降低了收发共用天线隔离度要求。本实用新型集成了毫米波信道的所涉及的所有模块，不同于传统通信的几十兆的物理带宽，本装置提供单个物理带宽高达1GHz，为Gbps级的毫米波无线超宽带通信系统提供必要的验证平台，特别是5G通信在高频段即毫米波频段的开发起到促进作用。

本实用新型充分利用毫米波带宽大的特点，采用单本振的方式的FDD全双工，对以后的设备小型化提供必要的参考，对特殊区域的设备如高铁列车安装时，通过射频与基带分离，降低设备的安装难度。

本实用新型的指标如下：

①Rx通道：

1)射频接收频段：41GHz±0.5GHz；

2)射频输入功率：-30～-60dBm；

3)链路最大增益：≥70dB；

4)噪声系数：≤4dB(不含前置滤波器)；

5)输出中频频率：0.8GHz±0.5GHz；

6)输出中频1dB压缩点：≥10dBm；

7)AGC输入动态：≥30dB；

8)中频滤波特性：3dB带宽(0.3～1.3GHz)；≥30dBc(1.8GHz)；

9)带内平坦度：≤2dB；

10)输出AGC前检波信号供信号处理；

②Tx通道：

1)输入中频频率：3.2GHz±0.5GHz；

2)输入中频功率：-5dBm；

3)射频发射频段：37GHz±0.5GHz；

4)射频输出功率：20dBm；

5)射频输出1dB压缩点：≥26dBm；

6)链路最大增益：≥30dB；

7)增益可调范围：6dB(补偿雨衰和高低温波动)；

③其他：

1)收发隔离大于60dB；

2)车上部分的功耗：＜10W；

3)射频按基准时钟自适应可调性；

4)接收通路AGC电平可监测性；

5)射频工作状态具有可控性；

6)射频工作温度可感知性。

本实施例的其他部分与上述实施例5相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。