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CN100561796C - X波段基片集成波导单板射频系统 - Google Patents

X波段基片集成波导单板射频系统 Download PDF

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CN100561796C CNB2006100384967A CN200610038496A CN100561796C CN 100561796 C CN100561796 C CN 100561796C CN B2006100384967 A CNB2006100384967 A CN B2006100384967A CN 200610038496 A CN200610038496 A CN 200610038496A CN 100561796 C CN100561796 C CN 100561796C
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严频频
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Abstract

本发明涉及一种微波毫米波用单板射频系统，尤其涉及一种可用于微波毫米波的X波段基片集成波导单板射频系统。X波段基片集成波导单板射频系统包括介质基片，在介质基片上设有天线、双工器、射频接收低噪声放大器、射频接收滤波器、下变频器、本振功分器、上变频器、射频发射滤波器、发射功率放大器、中频发射电路、射频本振锁相环路和中频接收电路。本发明中所有的无源元件在基片内部实现，无需购买独立的元件，实现了“基片即元件”，极大地降低了系统成本，所有的无源元件在基片内部实现，具有与矩形金属波导相类似的特性，与微带电路相比，Q值高，损耗低，辐射干扰小。

Description

X波段基片集成波导单板射频系统
技术领域
本发明涉及一种微波毫米波用单板射频系统，尤其涉及一种可用于微波毫米波的X波段基片集成波导单板射频系统。
背景技术
通信技术的发展要求各个部件易于集成、小型化、轻量化和高可靠性。传统高性能的微波通信系统中，射频的各个模块、天线、双工器、中频电路在结构上是相互分离的。其原因在于：为了提高性能各部件采用不同的技术实现，例如天线采用反射面天线或振子天线等、双工器采用传统金属波导腔体双工器、射频滤波器采用金属波导滤波器或陶瓷滤波器等、中频电路与各个单独的射频器件分别在电路板上制作。这提高了系统的成本、而且重量体积都比较大。因此，需要提出新型的集成技术，以及在此基础上发展起来的器件、布版规则与集成技术，在实现高性能的同时，能够达到高的集成度，直至微波射频系统的所有元器件实现单板集成。
发明内容
本发明提供一种用于解决微波毫米波电路的高性能单板集成问题并适合于微波毫米波电路与集成电路的设计的X波段基片集成波导单板射频系统，具有单板集成系统损耗小的优点。
本发明采用如下技术方案：
一种用于微波毫米波电路的X波段基片集成波导单板射频系统，包括介质基片，在介质基片上设有天线、双工器、射频接收低噪声放大器、射频接收滤波器、下变频器、本振功分器、上变频器、射频发射滤波器、发射功率放大器、中频发射电路、射频本振锁相环路和中频接收电路，双工器的合成端与天线的馈电端连接，双工器的接收端口及发射端口分别与射频接收低噪声放大器的输入端及发射功率放大器的输出端连接，射频接收低噪声放大器的输出端与射频接收滤波器的输入端连接，射频接收滤波器的输出端与下变频器的射频端连接，下变频器的本振端与本振功分器的第二功率分配端连接，本振功分器的第一功率分配端与上变频器的本振端连接，上变频器的射频端与射频发射滤波器的输入端连接，射频发射滤波器的输出端与发射功率放大器的输入端连接，上述上变频器的中频端及电源端分别与中频发射电路的电源端及中频端连接，中频发射电路上的另两个端口分别为发射I端和发射Q端，上述本振功分器的功率输入端与射频本振锁相环路的输出端连接，上述下变频器的中频端及电源端分别与中频接收电路的中频端及电源端连接，中频接收电路上的另两个端口分别为接收I端和接收Q端，在上述射频接收低噪声放大器、射频接收滤波器、下变频器、本振功分器、上变频器、射频发射滤波器、发射功率放大器、中频发射电路、射频本振锁相环路或中频接收电路分别设有隔离金属框。
本发明在介质基片上实现了高Q值、低损耗基片集成波导，这种波导具有和普通矩形金属波导相类似的传输特性和场分布；然后，利用基片集成波导形成了X波段基片集成波导高集成度单板射频系统中的无源元件，包括天线、双工器、功分器、滤波器等；同时设计了射频接收低噪声放大器、下变频器；发射功率放大器、上变频器；射频本振锁相环路及本振放大电路、中频发射电路与锁相环路、中频接收电路与锁相环路等。在上述元器件的基础上设计了基片集成波导器件与有源器件之间的连接，以及基于基片集成波导的器件隔离方案。最终将包括天线在内的整个X波段射频子系统在一块单板(PCB)上实现。在这个基片集成波导高集成度单板射频系统中，所有的结构都是利用在介质基片上打一系列的金属通孔阵列来实现，从而有利于无源器件在微波毫米波电路设计中的集成；根据布版的需要，合理地选择基片集成波导元件与有源器件之间的结合方式；在设计器件之间的隔离仓时，将金属压条放置在基片集成波导上方，以进一步减小电路板的面积。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)射频子系统中包括天线在内的所有元件均在一块单板上实现，极大的提高了系统的集成度；
2)所有的无源元件在基片内部实现，无需购买独立的元件，实现了“基片即元件”，极大地降低了系统成本；
3)所有的无源元件在基片内部实现，具有与矩形金属波导相类似的特性，与微带电路相比，Q值高，损耗低，辐射干扰小。
4)设计器件之间的隔离仓时，将金属压条放置在基片集成波导上方，与电路板表面紧密接触。避免了传统微带布版方式下，需要在金属压条上开口带来的信号泄露。改善了系统中各部件之间的隔离效果，达到60dB以上。
附图说明
图1是本发明的系统结构图。
图2是基片集成波导天线结构图。
图3是基片集成波导双工器结构图。
图4是低噪声放大器结构图。
图5是基片集成波导接收滤波器结构图。
图6是下变频器结构图。
图7是基片集成波导本振功率分配器结构图。
图8是上变频器结构图。
图9是基片集成波导发射滤波器结构图。
图10是功率放大器结构图。
图11是发射中频电路结构图。
图12是射频本振电路结构图。
图13是接收中频电路结构图。
图14是器件之间的隔离图。
图15接收通道增益的控制特性测试图。
图16发射通道的增益控制特性图。
具体实施方式
一种用于微波毫米波电路的X波段基片集成波导单板射频系统，包括介质基片I，在介质基片I上设有天线1、双工器2、射频接收低噪声放大器3、射频接收滤波器4、下变频器5、本振功分器6、上变频器7、射频发射滤波器8、发射功率放大器9、中频发射电路10、射频本振锁相环路11和中频接收电路12，双工器2的合成端与天线1的馈电端连接，双工器2的接收端口及发射端口分别与射频接收低噪声放大器3的输入端及发射功率放大器9的输出端连接，射频接收低噪声放大器3的输出端与射频接收滤波器4的输入端连接，射频接收滤波器4的输出端与下变频器5的射频端连接，下变频器5的本振端与本振功分器6的第二功率分配端连接，本振功分器6的第一功率分配端与上变频器7的本振端连接，上变频器7的射频端与射频发射滤波器8的输入端连接，射频发射滤波器8的输出端与发射功率放大器9的输入端连接，上述上变频器7的中频端及电源端分别与中频发射电路10的电源端及中频端连接，中频发射电路10上的另两个端口分别为发射I端和发射Q端，上述本振功分器6的功率输入端与射频本振锁相环路11的输出端连接，上述下变频器5的中频端及电源端分别与中频接收电路12的中频端及电源端连接，中频接收电路12上的另两个端口分别为接收I端和接收Q端，在上述射频接收低噪声放大器3、射频接收滤波器4、下变频器5、本振功分器6、上变频器7、射频发射滤波器8、发射功率放大器9、中频发射电路10、射频本振锁相环路11或中频接收电路12分别设有隔离金属框。隔离金属框压在介质基片I和基片集成波导上，隔离金属框可选择铝、铜、钢等金属框，如图14所示。
在天线与双工器之间直接采用基片集成波导连接，如图2所示；在双工器与射频低噪声放大器之间，以及双工器与功率放大器之间采用渐变微带线连接，如图3所示；在射频低噪声放大器与接收射频滤波器之间，接收射频滤波器与下变频器之间，上变频器与发射射频滤波器之间，发射射频滤波器与功率放大器之间，本振功率分配器与下变频器之间，本振功率分配器与上变频器之间，以及本振功率分配器与射频本振锁相环路之间采用共面波导结构连接，如图5与图9所示；
本发明在X波段所实现了基片集成波导高集成度单板射频系统，采用厚度为0.5mm的介质基片，相对电介电常数为2.2。采用了16×15基片集成波导双馈天线；T型基片集成波导双工器；3腔基片集成波导收\发滤波器；T型基片集成波导功率分配器；两级低噪声放大器电路，采用Agilent pHEMT管实现；上下变频器采用Hittle混频器制作；射频本振采用Analog Device频综与Hittle压控振荡器实现；中频收\发电路采用Analog Device调制\解调芯片实现；
以下是测试结果：
图15是接收通道的增益控制特性测试结果。测试中射频信号加载至低噪声放大器输入端，输出为I/Q信号。图中显示了I/Q信号功率随射频信号功率变化的特性，分别给出了中频衰减器全开(衰减量为-31dB)与全关(衰减量为0dB)时的曲线。综合考虑两条曲线，当接收信号范围为-75dBm～-10dBm时(输入1dB压缩点为-10dBm)，通过调整衰减量，可以保证I/Q信号功率在-10dBm～-9dBm。
图16为发射通道的增益控制特性测试结果。测试中输入信号为基带I/Q信号，输出为射频信号。中频衰减器的衰减量在0dB～31dB之间变化时，发射机的输出功率范围为20～-13dBm dBm。在实际应用中，可根据链路状况适时调整发射功率。
本发明将基片集成波导在基片内部实现，并充分利用了这一特性，将包括天线、双工器在内的射频无源元件采用基片集成波导技术实现，极大的提高了系统的集成度。其中：天线负责接收空间的射频信号通过双工器送至接收链路处理、同时将发射链路产生的信号辐射至空间；双工器将发射与接收信号分离，并提供对天线的统一接口；接收链路包括：射频低噪声放大器：负责接收放大微弱的射频信号；接收射频滤波器：负责镜像频率抑制；下变频器：将射频信号变换至中频；中频接收电路：将中频信号变换至基带电路可处理的I/Q信号；发射链路包括：中频发射电路：将基带电路I/Q信号变换至中频信号；上变频器：将中频信号变换至射频；发射频滤波器：负责滤出射频杂波；发射功率放大器：负责产生功率信号；射频本振电路：产生射频本振信号；本振功率分配与放大：将本振信号放大，并分配至收发射频链路。

Claims (2)

1、一种用于微波毫米波电路的X波段基片波导单板射频系统，其特征在于包括介质基片(I)，介质基片(I)上设有天线(1)、双工器(2)、射频接收低噪声放大器(3)、射频接收滤波器(4)、下变频器(5)、本振功分器(6)、上变频器(7)、射频发射滤波器(8)、发射功率放大器(9)、中频发射电路(10)、射频本振锁相环路(11)和中频接收电路(12)，双工器(2)的合成端与天线(1)的馈电端连接，双工器(2)的接收端口与发射端口分别与射频接收低噪声放大器(3)的输入端及发射功率放大器(9)的输入端连接，射频接收低噪声放大器(3)是输出端与射频接收滤波器(4)的输入端连接，射频接收滤波器(4)的输出端与下变频器(5)的射频端连接，下变频器(5)的本振端与本振功分器(6)的第二功率分配端连接，本振功分器(6)的第一功率分配端与上变频器(7)的本振端连接，上变频器(7)的射频端与射频发射滤波器(8)的输入端连接，射频发射滤波器(8)的输出端与发射功率放大器(9)的输入端连接，上述上变频器(7)的中频端及电源端分别与中频发射电路(10)的电源端及中频端连接，中频发射电路(10)上的另两个端口分别为发射I端和发射Q端，上述本振功分器(6)的功率输入端与射频本振锁相环路(11)的输出端连接，上述下变频器(5)的中频端及电源端分别与中频接收电路(12)的中频端及电源端连接，中频接收电路(12)上的另两个端口分别为接收I端和接收Q端，在上述射频接收低噪声放大器(3)、射频接收滤波器(4)、下变频器(5)、本振功分器(6)、上变频器(7)、射频发射滤波器(8)、发射功率放大器(9)、中频发射电路(10)、射频本振锁相环路(11)和中频接收电路(12)上分别设有隔离金属框；该X波段基片集成波导单板射频系统中的上述无源元件均由基片集成波导形成。
2、根据权利要求1所述的X波段基片波导单板射频系统，其特征在于隔离金属框压在介质基片(I)和基片集成波导上。
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