CN112881790A

CN112881790A - 一种基于检波器的77GHz功率监测电路

Info

Publication number: CN112881790A
Application number: CN202110032298.4A
Authority: CN
Inventors: 蒋姝; 刘扬; 杨会军; 冯琤; 宋宇飞; 刘婷婷; 许恒飞
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Institute of Technology
Priority date: 2021-01-11
Filing date: 2021-01-11
Publication date: 2021-06-01

Abstract

本发明公开了一种基于检波器的77GHz功率监测电路，包括W波段标准波导、波导微带鳍线过渡结构、50Ω微带线、平行耦合器、MMIC衰减器芯片、50Ω薄膜电阻、检波器电路和运放电路；由于平行耦合器的P1和P2端口可以分别用作输入和输出或者输出和输入，提供正常工作时的信号传输通道；另外一小部分信号会同时传输至平行耦合器的P3端口，送给检波器电路实现功率监测。本发明的电路既可以级联在接收机输入端构成接收机实时保护电路，也可以级联在发射机输出端构成发射机功率实时监测电路，且不影响收发前端正常工作，不会导致接收机和发射机的性能恶化。

Description

一种基于检波器的77GHz功率监测电路

技术领域

本发明具体涉及一种基于检波器的77GHz功率监测电路，属于W波段宽带检波器技术领域。

背景技术

77GHz频段位于W波段(75～110GHz)低端频率，其波长短、干扰少、电路尺寸小的优点，使得这一频段成为了异物探测和汽车防撞雷达等应用领域的热门频谱资源。在雷达应用系统当中，接收机和发射机是雷达收发前端的两大重要组成部分。判断收发前端工程实用性的重要依据之一，是能否在大信号、强干扰环境下，实现接收机实时自保护，以及能否在工作状态下，实现发射输出功率实时监测，确定发射机工作状态。

要实现接收机自保护，在微波频段可以利用PIN二极管限幅器，将其级联在接收机输入端，使得输入功率值被限制在安全范围以内。但是在毫米波段，限幅器带宽有限、插损大，不适用于Ka波段以上频率。要监测发射机工作状态，传统实现方法是在工作时间间隔内进行非实时检测。这种方法需要增加一路外差式检测接收通道，这一检测接收通道与接收机组成相似，同时需要在发射输出端增加一级单刀双掷开关。检测时将发射输出信号切换至检测接收通道输入端，根据通道输出信号判断发射机是否正常工作。这种发射机检测方式，缺点在于不能在正常工作状态下同时完成检测，降低了工作效率。

接收机实时保护和发射机状态实时监测，关键在于实时监测输入和输出信号功率。功率监测除了采用外差式检测方式实现之外，还可以采用直接检波方式，即检波器电路。相较于外差式检测，检波器电路不需要额外的本振源，结构紧凑、实现简单、成本低。毫米波信号传输至到检波管时，会引起电压变化，输出相应幅值的检测电压，通过电压值可以判断信号功率大小，从而判断发射机工作状态是否正常。问题在于功率监测的实时性难以保证，即如何在收发前端正常工作的同时，通过检波器电路实时获取检测电压。目前尚未有相关研究的公开报道，有效地将检波器电路和收发前端监测保护结合起来。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种基于检波器的77GHz功率监测电路，结构简单紧凑、成本低、易于集成。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于检波器的77GHz功率监测电路，包括W波段标准波导、波导微带鳍线过渡结构、50Ω微带线、平行耦合器、MMIC衰减器芯片、50Ω薄膜电阻、检波器电路、运放电路共八个部分；

所述W波段标准波导的一端用于连接外部输入信号，W波段标准波导的另一端口连接波导微带鳍线过渡结构的一端；

平行耦合器的直通端口P1通过50Ω微带线连接波导微带鳍线过渡结构的另一端；直通端口P2作为输入或输出端口；耦合端口P3通过50Ω微带线连接检波器电路的输入端口；隔离端口P4通过50Ω微带线连接MMIC衰减器芯片和50Ω薄膜电阻；

检波器电路的输出端口输出检波电压至运放电路；

运放电路对检波电压进行放大滤波后输出检测电压。

进一步的，所述波导微带鳍线过渡结构的两侧对称开设有一排金属化过孔。

进一步的，所述平行耦合器的长度为3λ_RF/4，λ_RF为输入信号波长。

进一步的，所述平行耦合器是微带线结构。

进一步的，所述检波器电路包括λ_RF/4短路线D1，阶梯阻抗匹配网络D2、检波二极管D3、低通滤波器D4和检波电压端口D5，

所述λ_RF/4短路线D1作为输入端口，检波电压端口D5作为输出端口；

所述λ_RF/4短路线D1，阶梯阻抗匹配网络D2、低通滤波器D4、检波电压端口D5依次按顺序直接级联，检波二极管D3焊装在阶梯阻抗匹配网络D2和低通滤波器D4之间。

进一步的，所述低通滤波器D4包含两端的低阻抗线、中间的高阻抗线和两对扇形线；通过两端的低阻抗线分别连接二极管D3和检波电压端口D5，通过中间的高阻抗线级联两对扇形线。

进一步的，所述运放电路包括电阻R1、R2和R3，电容C1以及运算放大器；

检波器电路中检波电压端口D5连接电阻R1后串联在运算放大器同相输入端，电容C1并联在运算放大器的同相输入端，电阻R2并联在运算放大器的反相输入端，电阻R3跨接在运算放大器的输出端和反相输入端之间，运算放大器的输出端作为运放电路的检测电压输出端口。

进一步的，所述77GHz功率监测电路级联接收机输入端构成接收机实时保护电路；或者级联发射机输出端构成发射机功率实时监测电路。

相应的，基于上述的77GHz功率监测电路，本发明还提供了一种接收机实时保护电路，W波段标准波导端口连接外部输入信号，直通端口P2连接接收机输入端口，检测电压Vdet输出端口连接控制模块。假设接收机安全输入功率P₀对应电压值Vdet＝V₀，在t₀时刻控制模块实时获取的电压值Vdet＝V(t₀)；则控制模块通过对比V(t₀)是否小于V₀，可以判断输入功率是否低于安全功率P₀；一旦超过P₀，则控制模块发出断电要求，切断接收机供电，同时向上位机发送报警信号，起到断电保护作用。

相应的，基于上述的77GHz功率监测电路，本发明还提供了一种发射机功率实时监测电路，直通端口P2连接发射机输出端，W波段标准波导端口作为总输出端口，检测电压Vdet输出端口连接控制模块。控制模块当中预存了电压-功率映射表，假设t₁时刻控制模块实时获取的电压值为Vdet＝V(t₁)，通过查表可以确定V(t₁)对应的发射功率值P(t₁)，即可获得实时发射输出功率大小发送给上位机，起到实时监测发射功率的作用。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1)波导微带鳍线过渡两侧为金属化过孔，并且用导电胶贴装在波导开槽中，有助于抑制高次模，结构稳定，不易压裂，可靠性较好。

2)平行耦合器长度为3λ_RF/4，替代了传统平行耦合器采用的长度λ_RF/4，能够有效增大耦合端信号功率，提高耦合度，增大耦合缝隙，减小加工难度。

3)平行耦合器隔离端连接10dB MMIC衰减器芯片和50Ω薄膜电阻，替代传统的波导负载，有效简化了电路结构，大幅缩小了电路尺寸，有利于电路小型化和进一步集成。

4)将低损耗的平行耦合器和检波器电路联合设计，能够在收发前端正常工作的同时进行功率监测，避免恶化收发前端性能的同时保证了工作效率。

附图说明

图1为本发明的电路组成示意图；

图2为波导微带鳍线过渡结构的S参数仿真曲线；

图3为平行耦合器的S参数仿真曲线；

图4为检波器电路组成示意图；

图5(a)为输入功率为-25dBm时，检测电压Vdet随频率变化实测曲线；

图5(b)为检测电压Vdet随输入功率变化实测曲线；

图6为接收机实时保护电路应用方法原理框图；

图7为发射功率实时监测电路应用方法原理框图。

附图标记：1、W波段标准波导，2、波导微带鳍线过渡结构，3、50Ω微带线，4、平行耦合器，5、MMIC衰减器芯片，6、50Ω薄膜电阻，7、检波器电路，8、运放电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明专利的描述中，需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

在本发明专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明专利的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明专利中的具体含义。

在工程应用中，连接器、连接线缆等采用的射频阻抗标准是50Ω和75Ω，其中毫米波段(包括W波段)常用的是50Ω，因此本发明电路部件都统一按照50Ω阻抗设计，保证能够匹配兼容。

本发明的一种基于检波器的77GHz功率监测电路，如图1所示，包括W波段标准波导1、波导微带鳍线过渡结构2、50Ω微带线3、平行耦合器4、MMIC衰减器芯片5、50Ω薄膜电阻6、检波器电路7、运放电路8共八个部分。

其中，W波段标准波导1采用硬铝加工制作，波导微带鳍线过渡结构2、50Ω微带线3、平行耦合器4和检波器电路7采用Rogers5880软基片加工制作，运放电路8采用FR4板材加工制作。

如图1所示，W波段标准波导1是77GHz波导端口，用于连接外部输入信号，平行耦合器4采用的是微带线结构，因此W波段标准波导1和平行耦合器4之间，采用波导微带鳍线过渡结构2完成过渡连接。

波导微带鳍线过渡结构2两侧对称开设有一排金属化过孔，可以有效抑制高次模和谐波。波导微带鳍线过渡结构2的两侧边卡进波导开槽内贴装好，就可以固定波导微带鳍线过渡结构2的位置。通过导电胶来粘贴波导微带鳍线过渡结构2的侧边和波导开槽，波导微带鳍线过渡结构输出端为50Ω微带线，仿真所得S参数结果如图2所示。

平行耦合器4的长度为3λ_RF/4(λ_RF为输入信号波长)，直通端口P1通过50Ω微带线连接波导微带鳍线过渡结构2；直通端口为P2和P1之间损耗很小，约为0.2dB；耦合端口P3通过50Ω微带线连接检波器电路7；隔离端口P4通过50Ω微带线连接10dB MMIC衰减器芯片5和50Ω薄膜电阻6，替代传统的波导负载。

平行耦合器4的仿真结果如图3所示，其中S31即耦合度曲线，约为15dB。

检波器电路7的电路结构如图4所示，包括λ_RF/4短路线D1，阶梯阻抗匹配网络D2、检波二极管D3、低通滤波器D4、检波电压端口D5，

所述λ_RF/4短路线D1，阶梯阻抗匹配网络D2、低通滤波器D4、检波电压端口D5依次按顺序直接级联在一起，采用导电胶将检波二极管D3焊装在阶梯阻抗匹配网络D2和低通滤波器D4之间。

检波器当中，λ_RF/4短路线D1紧邻检波二极管D3，用于提供直流回路，在不增大电路尺寸的同时实现高通滤波的功能。阶梯阻抗匹配网络D2起到优化输入阻抗的作用，同时用作检波二极管焊盘。77GHz信号传输至检波二极管D3时，引起电压变化，输出相应幅值的检波电压，通过该电压幅值可以判断输入信号功率大小。

低通滤波器D4包含两端的低阻抗线、中间的高阻抗线和两对扇形线。通过两端的低阻抗线分别连接二极管D3和检波电压端口D5，通过中间的高阻抗线级联两对扇形线。这两对扇形线使得D4的传输特性在输入信号频率范围内呈现高抑制度，避免了输入信号泄露到检波电压端口。

在检波器电路的检波电压输出端口级联运放电路，如图1所示，运放电路包括电阻R1、电阻R2和电阻R3，电容C1以及运算放大器。

检波电压端口D5连接电阻R1后串联在运算放大器同相输入端，电容C1并联在运算放大器的同相输入端，电阻R2并联在运算放大器的反相输入端，电阻R3跨接在运算放大器的输出端和反相输入端之间，运算放大器的输出端作为运放电路的检波电压输出端口。

运放电路对检波电压的放大倍数为：

其中R2和R3这两个电阻值比值在10～200之间即可，这里取值为100，因此对应的R2和R3选取1kΩ和100kΩ。

电阻R1和电容C1构成一级RC滤波，用于滤除高频分量、提取直流检波电压，在运放电路输出端得到的是经过放大滤波后的检测电压Vdet。

本发明电路的工作原理是：将毫米波信号转换为容易检测的直流信号，依据直流信号幅度获取毫米波信号功率。同时毫米波接收机和发射机可以保持正常工作状态，不需要进行状态切换或者断电重启等。

如图1所示，电路整体对外端口为：77GHz波导端口、直通端口P2、检测电压Vdet输出端口。

77GHz波导端口和直通端口P2均可以用作77GHz信号的输入或者输出端口，即77GHz波导端口作为输入端口时，直通端口P2作为输出端口；77GHz波导端口作为输出端口时，直通端口P用作输入端口。以77GHz波导端口作为输入端口为例，信号大部分传输至直通端口P2，直通损耗很小约为0.2dB，其余小部分传输至耦合端口P3，送给检波器。这一小部分的77GHz毫米波信号传输至到检波二极管时，会引起电压变化，输出直流检测电压，输入信号功率越大，则直流检测电压幅度越大。该直流检测电压再经过运放电路，按照公式(1)的放大倍数放大后，得到检测电压Vdet。这样就可以依据Vdet这一直流电压值确定当前77GHz毫米波信号的功率值。

由于平行耦合器的P1和P2端口可以分别用作输入和输出或者输出和输入，提供正常工作时的信号传输通道；另外一小部分信号会同时传输至P3端口，送给检波器电路实现功率监测。即可以在收发前端正常工作的同时，获取检测电压，不需要进行状态切换或者断电重启等，实现实时性。

图5(a)为Vdet的仿真和实测结果对比曲线，测试条件为在W波段标准波导端口输入75～80GHz信号，功率为-25dBm，实测和仿真结果较为一致。分别固定输入信号频率为75GHz、77GHz、80GHz，当输入功率为-35～-24dBm时，检测电压Vdet实测结果如图5(b)所示。Vdet随着输入信号功率增大不断增加，呈现明显的递增关系。另外，从W波段标准波导至直通端，插入损耗实测值优于1.0dB。

本发明级联接收机输入端，即可构成接收机实时保护电路，电路原理如图6所示；级联发射机输出端即可构成发射机功率实时监测电路，电路原理如图7所示。

在接收机实时保护电路当中，参见图6所示，W波段标准波导端口连接外部输入信号，直通端口P2连接接收机输入端口，检测电压Vdet输出端口连接控制模块。假设接收机安全输入功率P₀对应电压值Vdet＝V₀，在t₀时刻控制模块实时获取的电压值Vdet＝V(t₀)；则控制模块通过对比V(t₀)是否小于V₀，可以判断输入功率是否低于安全功率P₀；一旦超过P₀，则控制模块发出断电要求，切断接收机的电源，同时向上位机发送报警信号，起到断电保护作用。

在发射机功率实时监测电路当中，参见图7所示，本发明的直通端口P2连接发射机输出端，W波段标准波导端口作为总输出端口，检测电压Vdet输出端口连接控制模块。控制模块当中预存了电压-功率映射表，假设t₁时刻控制模块实时获取的电压值为Vdet＝V(t₁)，通过查表可以确定V(t₁)对应的发射功率值P(t₁)，即可获得实时发射输出功率大小发送给上位机，起到实时监测发射功率的作用。

本发明提供的一种基于检波器的77GHz功率监测电路，结构简单紧凑、成本低、易于集成。既可以级联在接收机输入端构成接收机实时保护电路，也可以级联在发射机输出端构成发射机功率实时监测电路，且不影响收发前端正常工作，不会导致接收机和发射机的性能恶化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于检波器的77GHz功率监测电路，其特征是，包括W波段标准波导、波导微带鳍线过渡结构、50Ω微带线、平行耦合器、MMIC衰减器芯片、50Ω薄膜电阻、检波器电路和运放电路；

所述平行耦合器的直通端口P1通过50Ω微带线连接波导微带鳍线过渡结构的另一端；直通端口P2作为输入或输出端口；耦合端口P3通过50Ω微带线连接检波器电路的输入端口；隔离端口P4通过50Ω微带线连接MMIC衰减器芯片和50Ω薄膜电阻；所述检波器电路的输出端口连接运放电路；

所述检波器电路获得外部输入信号的检波电压后输入运放电路；运放电路对检波电压进行放大滤波后输出检测电压。

2.根据权利要求1所述一种基于检波器的77GHz功率监测电路，其特征是，所述波导微带鳍线过渡结构的两侧对称开设有一排金属化过孔。

3.根据权利要求1所述一种基于检波器的77GHz功率监测电路，其特征是，所述平行耦合器的长度为3λ _RF/4，λ _RF为输入信号波长。

4.根据权利要求1所述一种基于检波器的77GHz功率监测电路，其特征是，所述平行耦合器是微带线结构。

5.根据权利要求1所述一种基于检波器的77GHz功率监测电路，其特征是，所述检波器电路包括λ _RF/4短路线D1，阶梯阻抗匹配网络D2、检波二极管D3、低通滤波器D4和检波电压端口D5，

所述λ _RF/4短路线D1作为输入端口，检波电压端口D5作为输出端口；

所述λ _RF/4短路线D1、阶梯阻抗匹配网络D2、低通滤波器D4、检波电压端口D5依次按顺序直接级联，检波二极管D3焊装在阶梯阻抗匹配网络D2和低通滤波器D4之间。

6.根据权利要求5所述一种基于检波器的77GHz功率监测电路，其特征是，所述低通滤波器D4包含两端的低阻抗线、中间的高阻抗线和两对扇形线；通过两端的低阻抗线分别连接二极管D3和检波电压端口D5，通过中间的高阻抗线级联两对扇形线。

7.根据权利要求5所述一种基于检波器的77GHz功率监测电路，其特征是，所述运放电路包括电阻R1、电阻R2和电阻R3，电容C1以及运算放大器；

8.根据权利要求1所述一种基于检波器的77GHz功率监测电路，其特征是，所述77GHz功率监测电路级联接收机输入端构成接收机实时保护电路；或者级联发射机输出端构成发射机功率实时监测电路。

9.一种接收机实时保护电路，其特征是，包括77GHz功率监测电路和控制模块，

所述77GHz功率监测电路为权利要求1-8任一项所述的一种基于检波器的77GHz功率监测电路；

77GHz功率监测电路中W波段标准波导端口连接外部输入信号，直通端口P2连接接收机输入端口，检测电压输出端口连接控制模块。

10.一种发射机功率实时监测电路，其特征是，包括77GHz功率监测电路和控制模块，

77GHz功率监测电路中W波段标准波导端口作为总输出端口，直通端口P2连接发射机输出端，检测电压输出端口连接控制模块。