一种Ka频段高集成超低噪声瓦片式接收组件的制作方法

一种ka频段高集成超低噪声瓦片式接收组件
技术领域
1.本发明涉及接收机技术领域，具体涉及一种ka频段高集成超低噪声瓦片式接收组件。


背景技术：

2.相控阵天线因其独特的波束控制能力广泛用于雷达、通信等领域，其接收系统接收从目标发射回来的信号，然后对其进行放大和变换，滤除接收机内噪声或外来的有源干扰与无源杂波干扰，检测出目标回波，判定是否存在目标，并从回波中提取目标信息。接收组件处于相控阵接收天线和下变频组件的中间位置，其输入端口连接接收天线，输出端口连接下变频组件，是相控阵天线的核心部件，对接收信号的处理起到承上启下的关键作用，能够将接收天线接收到的超低信号进行低噪声放大，并实现天线波束扫描所需的相移及波束控制等功能。接收组件在相控阵天线中处于关键位置，对整个相控阵系统的性能起到决定性作用，如何实现接收组件的高集成、高性能和高一致性至关重要。


技术实现要素：

3.本发明是为了解决接收组件的高集成、高性能和高一致性问题，提供一种ka频段高集成超低噪声瓦片式接收组件，多次灵活采用垂直互连结构，合理设计端口和传输线布局，采用瓦片式结构设计形式，使输入与输出端口、接收链路、合路网络、校准耦合网络分布于组件正反两面，各通道电路网络及结构设计高度一致，集成一级超低噪声放大器、幅相控制器、校准耦合网络和合路网络等电路，实现了接收组件的高集成、高一致性、超低噪声和增益放大、数控移相、数控衰减以及校准信号的分发耦合等功能。
4.本发明提供一种ka频段高集成超低噪声瓦片式接收组件，包括壳体和设置在壳体的表面及内部的接收通道、校准通道，校准通道与接收通道电连接，接收通道和校准通道均为瓦片式结构；
5.接收通道包括l极化通道和r极化通道；
6.l极化通道用于在接收组件处于接收状态时接收下行l极化射频信号并进行放大、移相、衰减、合路后输出，r极化通道用于在接收组件处于接收状态时接收下行r极化射频信号并进行放大、移相、衰减、合路后输出，校准通道用于在接收组件处于校准状态时接收校准信号并耦合至l极化通道和r极化通道进行放大、移相、衰减、合路后输出；
7.l极化通道、r极化通道和校准通道均为垂直互联结构以使l极化信号、r极化信号和校准信号在壳体的正面和反面交替传输。
8.本发明所述的一种ka频段高集成超低噪声瓦片式接收组件，作为优选方式，l极化通道包括设置在壳体的正面及内部的l极化接收通道和与l极化接收通道依次电连接的l极化合成网络、l极化输出接口，l极化输出接口设置在壳体的反面，l极化接收通道的数量为至少2个，l极化合成网络的输入通道数量与l极化接收通道的数量相同；
9.r极化通道包括设置在壳体的正面及内部的r极化接收通道和与l极化接收通道依
次电连接的r极化合成网络、r极化输出接口，r极化输出接口设置在壳体的反面，r极化接收通道的数量为至少2个，r极化合成网络的输入通道数量与r极化接收通道的数量相同；
10.校准通道与l极化接收通道和r极化接收通道均电连接。
11.本发明所述的一种ka频段高集成超低噪声瓦片式接收组件，作为优选方式，l极化接收通道包括设置在壳体的正面的l极化输入接口和与l极化输入接口依次电连接的l极化耦合器、l极化低噪声放大器、l极化幅相控制器，l极化幅相控制器与l极化合成网络电连接；
12.l极化输入接口用于在接收组件处于接收状态时接收天线输出的下行l极化射频信号，l极化耦合器用于将下行l极化射频信号输出至l极化低噪声放大器，l极化低噪声放大器用于将下行l极化射频信号进行低噪声放大后输出至l极化幅相控制器，l极化幅相控制器用于将下行l极化射频信号进行数控幅相控制后输出至l极化合成网络，l极化合成网络用于将各路l极化接收通道输出的下行l极化射频信号合成一路下行l极化射频输出信号并通过l极化输出接口输出；
13.r极化接收通道包括设置在壳体的正面的r极化输入接口和与r极化输入接口依次电连接的r极化耦合器、r极化低噪声放大器、r极化幅相控制器，r极化幅相控制器与r极化合成网络电连接；
14.r极化输入接口用于在接收组件处于接收状态时接收天线输出的下行r极化射频信号，r极化耦合器用于将下行r极化射频信号输出至r极化低噪声放大器，r极化低噪声放大器用于将下行r极化射频信号进行低噪声放大后输出至r极化幅相控制器，r极化幅相控制器用于将下行r极化射频信号进行数控幅相控制后输出至r极化合成网络，r极化合成网络用于将各路r极化接收通道输出的下行r极化射频信号合成一路r极化射频输出信号并通过r极化输出接口输出；
15.校准通道包括校准输入接口和校准分发网络，校准输入接口设置在壳体的反面，校准分发网络的输出接口与各路l极化耦合器和r极化耦合器均电连接；
16.校准分发网络的输出接口的数量与l极化接收通道及r极化接收通道之和的数量相同。
17.本发明所述的一种ka频段高集成超低噪声瓦片式接收组件，作为优选方式，l极化耦合器、l极化低噪声放大器、l极化幅相控制器、r极化耦合器、r极化低噪声放大器、r极化幅相控制器、l极化合成网络和r极化合成网络均设置在壳体的反面；
18.l极化输入接口垂直过渡到l极化耦合器，l极化合成网络经两次垂直过渡到l极化输出接口；
19.r极化输入接口垂直过渡到r极化耦合器，r极化合成网络经两次垂直过渡到r极化输出接口；
20.每个l极化接收通道和r极化接收通道具有相同拓扑结构。
21.本发明所述的一种ka频段高集成超低噪声瓦片式接收组件，作为优选方式，校准分发网络设置在壳体的正面，校准输入接口垂直过渡到校准分发网络，校准分发网络垂直过渡到l极化耦合器和r极化耦合器。
22.本发明所述的一种ka频段高集成超低噪声瓦片式接收组件，作为优选方式，l极化输入接口、r极化输入接口、l极化输出接口、r极化输出接口和校准输入接口均为直式接插
件。
23.本发明所述的一种ka频段高集成超低噪声瓦片式接收组件，作为优选方式，l极化输入接口、r极化输入接口和校准输入接口均为气密波导口。
24.本发明所述的一种ka频段高集成超低噪声瓦片式接收组件，作为优选方式，l极化耦合器和r极化耦合器均为耦合线定向耦合器。
25.本发明所述的一种ka频段高集成超低噪声瓦片式接收组件，作为优选方式，l极化低噪声放大器、l极化幅相控制器、r极化低噪声放大器和r极化幅相控制器均包括mmic芯片，l极化幅相控制器和r极化幅相控制器集成串并转换、数控衰减、数控移相和开关。
26.本发明所述的一种ka频段高集成超低噪声瓦片式接收组件，作为优选方式，l极化接收通道和r极化接收通道的数量均为4路或8路或16路或64路；
27.校准分发网络为威尔金森分路器；
28.l极化接收通道和r极化接收通道使用相同长度的传输线和相同规格器件。
29.本发明的技术解决方案为：组件采用全固态、微波多层板的适合批量生产和测试的低成本方案设计。多次灵活采用垂直互连结构，合理设计端口和传输线布局，采用瓦片式结构设计形式，使输入与输出端口、接收链路、合路网络、校准耦合网络分布于组件正反两面，各通道电路网络及结构设计高度一致，集成一级超低噪声放大器、幅相控制器、校准耦合网络和合路网络等电路，实现了接收组件的高集成、高一致性、超低噪声和增益放大、数控移相、数控衰减以及校准信号的分发耦合等功能，具体实施的技术措施如下：
30.(1)本发明采用瓦片式结构设计形式，所有端口均分布于模块正反两面，且垂直于结构面；本发明灵活采用垂直互连结构，为实现结构面积最大利用率，信号多次在模块正反两面交替过渡传输；本发明对外接口均采用直式接插件，所有的接插件端口与其所连接的传输线均处于产品的正反两侧。该方案最大限度压缩了模块的厚度，使其只需满足接插件的长度即可，同时结构面积又达到了最大利用率，从而实现了高集成的设计。在进行系统连接时，可直接采用转接器进行对插，而无需多余导线的焊接，大大提高了系统可靠性。
31.(2)本发明接收组件的八个通道功能完全相同，选用器件完全一致，通道之间相互独立，各通道电路采用完全相同的拓扑结构，可以以每个通道为基本单元，配以不同通道数的合成网络，实现任意通道数的接收组件的设计，然后将多个接收组件拼接、扩展和重构形成整个接收阵面。
32.(3)本发明可实现在26ghz～28.5ghz的宽带范围内噪声系数不大于2db要求。接收组件接收输入采用气密波导口设计，与天线一对一安装，减小系统馈线损耗。接收信号进入组件后通过耦合微带线实现校准信号的分发耦合，不影响主路射频信号幅度。选用具有超低噪声的低噪声放大器和幅相控制器，最大限度地降低组件接收链路噪声系数。
33.(4)本发明可实现双极化输入信号的低噪声放大、幅相控制和合路功能。组件接收输入端口分别输入l极化和r极化两种不同极化的信号，其中l极化有四个通道，r极化有四个通道。每种极化的射频信号经波导口输入后，通过低噪声放大器和幅相控制器实现低噪声放大和幅相控制功能，然后将四路信号进行合成，最后输出经过放大和幅相调节后的l极化和r极化信号。
34.(5)本发明可实现校准信号的分发耦合功能。校准信号通过耦合输入端口进入接收组件后，通过威尔金森分路器进行八分路，然后将八路耦合信号通过耦合线定向耦合器
将校准信号耦合输入至主射频链路，主射频链路的低噪声放大器和幅相控制器将校准信号进行放大和处理，实现校准信号的分发耦合功能。
35.(6)本发明各通道电路网络及结构设计均遵循高度一致性的原则。本发明各通道电路采用完全相同的拓扑结构和工艺手段，各段传输线不仅在长度上保持一致，而且在布局上采用对称、镜像或旋转的方式；各通道每级均选用同一规格器件，通过统一的电路布局和版图设计以及良好的级间匹配，保证tr组件间的发射和接收的幅度/相位的相对一致性。
36.本发明具有以下优点：
37.(1)由于系统结构的局限性，接收组件的体积受到严格的限制；同时，由于接收组件位置的特殊性，结构设计应方便接收天线、下变频组件和信号采集单元的依序连接。本发明采用瓦片式结构设计形式，将与接收天线连接的输入端口设计在正面位置，与下变频组件连接的输出端口设计在反面位置，并对各个端口和内部走线进行了合理布局，在接插件端口采用了垂直互连结构，最大限度地降低了模块厚度，大大节省了模块的z方向体积；设计传输线布局时，灵活使用垂直互连结构，传输信号于产品正反两面交替传输，使走线布局更加紧凑，大大减小了模块的xy方向体积；通过采用垂直互连结构使信号于组件正反两面交替传输，实现了接收组件的小型化和高集成。
38.(2)本发明对端口进行合理性设计，组件在进行系统连接时，可直接采用转接器进行对插，而无需多余导线的焊接，大大提高了系统可靠性。
39.(3)本发明对l极化信号和r极化信号分别进行射频放大，并实现每个通道的幅相控制功能，最后输出到下变频组件；采用功能完全相同的八通道接收组件作为基本单元，多个接收组件可拼接、扩展和重构形成整个接收阵面；其核心性能指标包括：有源增益、噪声系数、移相范围、移相rms、衰减范围、衰减rms、幅相一致性等各通道功能完全相同，选用器件完全一致，通道之间相互独立，各通道电路采用完全相同的拓扑结构，可以以每个通道为基本单元，配以不同通道数的合成网络，实现任意通道数的接收组件的设计；各通道电路网络及结构设计均遵循高度一致性的原则，最大限度地实现了八路信号传输的一致性。
40.(4)本发明集成低噪声放大器、幅相控制器、合路网络、校准网络等电路，实现了接收组件的超低噪声增益放大、数控移相、数控衰减以及校准信号的分发耦合等功能，组件内部使用两款mmic芯片，将几种通用mmic芯片的电路功能进行单片化一体化集成设计，提高集成密度、减少电路面积和简化片外电路，从而降低组件的装配工作量。
附图说明
41.图1为一种ka频段高集成超低噪声瓦片式接收组件原理框图；
42.图2为一种ka频段高集成超低噪声瓦片式接收组件正面俯视图；
43.图3为一种ka频段高集成超低噪声瓦片式接收组件反面俯视图。
44.附图标记：
45.1、壳体；2、接收通道；21、l极化通道；211、l极化接收通道；2111、l极化输入接口；2112、l极化耦合器；2113、l极化低噪声放大器；2114、l极化幅相控制器；212、l极化合成网络；213、l极化输出接口；22、r极化通道；221、r极化接收通道；2211、r极化输入接口；2212、r极化耦合器；2213、r极化低噪声放大器；2214、r极化幅相控制器；222、r极化合成网络；223、r极化输出接口；3、校准通道；31、校准输入接口；32、校准分发网络。
具体实施方式
46.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
47.实施例1
48.一种ka频段高集成超低噪声瓦片式接收组件，包括壳体1和设置在壳体1的表面及内部的接收通道2、校准通道3，校准通道3与接收通道2电连接，接收通道2和校准通道3为瓦片式结构；
49.接收通道2包括l极化通道21和r极化通道22；
50.l极化通道21用于在接收组件处于接收状态时接收下行l极化射频信号并进行放大、移相、衰减、合路后输出，r极化通道22用于在接收组件处于接收状态时接收下行r极化射频信号并进行放大、移相、衰减、合路后输出，校准通道3用于在接收组件处于校准状态时接收校准信号并耦合至l极化通道21和r极化通道22进行放大、移相、衰减、合路后输出；
51.l极化通道21、r极化通道22和校准通道3均为垂直互联结构以使l极化信号、r极化信号和校准信号在壳体1的正面和反面交替传输。
52.实施例2
53.如图1所示，一种ka频段高集成超低噪声瓦片式接收组件，包括壳体1和设置在壳体1的表面及内部的接收通道2、校准通道3，校准通道3与接收通道2电连接，接收通道2和校准通道3为瓦片式结构；
54.接收通道2包括l极化通道21和r极化通道22；
55.l极化通道21用于在接收组件处于接收状态时接收下行l极化射频信号并进行放大、移相、衰减、合路后输出，r极化通道22用于在接收组件处于接收状态时接收下行r极化射频信号并进行放大、移相、衰减、合路后输出，校准通道3用于在接收组件处于校准状态时接收校准信号并耦合至l极化通道21和r极化通道22进行放大、移相、衰减、合路后输出；
56.l极化通道21、r极化通道22和校准通道3均为垂直互联结构以使l极化信号、r极化信号和校准信号在壳体1的正面和反面交替传输；
57.如图2-3所示，l极化通道21包括设置在壳体1的正面及内部的l极化接收通道211和与l极化接收通道211依次电连接的l极化合成网络212、l极化输出接口213，l极化输出接口213设置在壳体1的反面，l极化接收通道211的数量为8个，l极化合成网络212的输入通道数量与l极化接收通道211的数量相同；
58.r极化通道22包括设置在壳体1的正面及内部的r极化接收通道221和与r极化接收通道221依次电连接的r极化合成网络222、r极化输出接口223，r极化输出接口223设置在壳体1的反面，r极化接收通道221的数量为8个，r极化合成网络222的输入通道数量与r极化接收通道221的数量相同；
59.校准通道3与l极化接收通道211和r极化接收通道221均电连接；
60.l极化接收通道211包括设置在壳体1的正面的l极化输入接口2111和与l极化输入接口2111依次电连接的l极化耦合器2112、l极化低噪声放大器2113、l极化幅相控制器2114，l极化幅相控制器2114与l极化合成网络212电连接；
61.l极化输入接口2111用于在接收组件处于接收状态时接收天线输出的下行l极化射频信号，l极化耦合器2112用于将下行l极化射频信号输出至l极化低噪声放大器2113，l
极化低噪声放大器2113用于将下行l极化射频信号进行低噪声放大后输出至l极化幅相控制器2114，l极化幅相控制器2114用于将下行l极化射频信号进行数控幅相控制后输出至l极化合成网络212，l极化合成网络212用于将各路l极化接收通道211输出的下行l极化射频信号合成一路下行l极化射频输出信号并通过l极化输出接口213输出；
62.r极化接收通道221包括设置在壳体1的正面的r极化输入接口2211和与r极化输入接口2211依次电连接的r极化耦合器2212、r极化低噪声放大器2213、r极化幅相控制器2214，r极化幅相控制器2214与r极化合成网络222电连接；
63.r极化输入接口2211用于在接收组件处于接收状态时接收天线输出的下行r极化射频信号，r极化耦合器2212用于将下行r极化射频信号输出至r极化低噪声放大器2213，r极化低噪声放大器2213用于将下行r极化射频信号进行低噪声放大后输出至r极化幅相控制器2214，r极化幅相控制器2214用于将下行r极化射频信号进行数控幅相控制后输出至r极化合成网络222，r极化合成网络222用于将各路r极化接收通道221输出的下行r极化射频信号合成一路r极化射频输出信号并通过r极化输出接口223输出；
64.校准通道3包括校准输入接口31和校准分发网络32，校准输入接口31设置在壳体1的反面，校准分发网络32的输出接口与各路l极化耦合器2112和r极化耦合器2212均电连接；
65.校准分发网络32的输出接口的数量与l极化接收通道211及r极化接收通道221之和的数量相同；
66.l极化耦合器2112、l极化低噪声放大器2113、l极化幅相控制器2114、r极化耦合器2212、r极化低噪声放大器2213、r极化幅相控制器2214、l极化合成网络212和r极化合成网络222均设置在壳体1的反面；
67.l极化输入接口2111垂直过渡到l极化耦合器2112，l极化合成网络212经两次垂直过渡到l极化输出接口213；
68.r极化输入接口2211垂直过渡到r极化耦合器2212，r极化合成网络222经两次垂直过渡到r极化输出接口223；
69.每个l极化接收通道211和r极化接收通道221具有相同拓扑结构；
70.校准分发网络32设置在壳体1的正面，校准输入接口31垂直过渡到校准分发网络32，校准分发网络32垂直过渡到l极化耦合器2112和r极化耦合器2212；
71.l极化输入接口2111、r极化输入接口2211、l极化输出接口213、r极化输出接口223和校准输入接口31均为直式接插件；
72.l极化输入接口2111、r极化输入接口2211和校准输入接口31均为气密波导口，l极化耦合器2112和r极化耦合器2212均为耦合线定向耦合器；
73.l极化低噪声放大器2113、l极化幅相控制器2114、r极化低噪声放大器2213和r极化幅相控制器2214均包括mmic芯片，l极化幅相控制器2114和r极化幅相控制器2214集成串并转换、数控衰减、数控移相和开关；
74.l极化接收通道211和r极化接收通道221的数量均为4路或8路或16路或64路；
75.校准分发网络32为威尔金森分路器；
76.l极化接收通道211和r极化接收通道221使用相同长度的传输线和相同规格器件。
77.实施例3
78.一种ka频段高集成超低噪声瓦片式接收组件，以输入26～29ghz的双极化信号举例进行详细说明。图1为本发明的接收组件原理框图，接收组件有四个l极化输入接口211、一个l极化输出接口213、四个r极化输入接口221、一个r极化输出接口223、一个校准输入接口31。
79.当组件工作在接收状态时，天线接收到的射频信号通过输入接口进入接收组件，接收组件经过波导同轴转换后，将射频信号通过微带线传输。射频信号通过耦合线定向耦合器的主通路(射频信号仅考虑微带线插损)进入低噪声放大器，该放大器将接收信号进行低噪声放大后将信号输入幅相控制器，对信号进行数控幅相控制。经过处理后的四路l极化信号进入同一个四路合成网络，通过l极化输出接口213输出；四路r极化信号进入另一个四路合成网络，通过r极化输出接口223输出，该接收组件噪声系数不高于2.0db。
80.当组件工作在校准状态时，通过外部校准网络输出的校准信号通过组件的校准输入接口31进入接收组件，接收组件通过校准分发网络32将校准信号分为八路校准信号，校准信号通过耦合线定向耦合器的耦合通路，将校准信号耦合至主射频链路，然后校准信号进入低噪声放大器，该放大器将校准信号进行低噪声放大后将信号输入幅相控制器，对信号进行数控幅相控制。经过处理后的四路l极化信号进入同一个四路合成网络，通过l极化输出接口213输出；四路r极化信号进入另一个四路合成网络，通过r极化输出接口23输出。
81.图2-3为接收组件结构内部电路布局图，图2为结构正面俯视图，图3为结构反面俯视图，图2沿中轴线翻转后得到图3。如图2所示，天线接收到的输入信号从正面输入，经一次垂直过渡后到反面的有源电路，通过低噪声放大器和幅相控制器实现八路信号的低噪声放大和幅相控制，将八路信号进行合成后再经两次垂直过渡后进入反面的射频输出接口进行输出。
82.同理，校准输入信号从反面输入，经一次垂直过渡后到正面的校准分发网络32，将校准信号进行分路后再经一次垂直过渡，通过耦合线定向耦合器将校准信号耦合输入至主射频链路，并将八路耦合信号进行放大和幅相控制并合成后再经两次垂直过渡后进入反面的射频输出接口进行输出。
83.通过图2、3可看出，该接收组件多次灵活使用垂直互连过渡结构，使走线布局更加紧凑，且各通道电路网络布局及结构设计高度一致，从而实现了接收组件的高集成和高一致性。
84.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。