本實(shí)用新型涉及一種收發(fā)一體組件，尤其涉及一種毫米波四通道收發(fā)一體組件。

背景技術(shù)：

由于頻譜資源的日益緊張，當(dāng)前對雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對抗及通信系統(tǒng)的研究已經(jīng)深入在至毫米波甚至更高頻段，而且隨著科技的進(jìn)步，人們對毫米波系統(tǒng)的性能要求愈來愈高，并且要求集成度越來越高，系統(tǒng)需要小型化。小型化基礎(chǔ)下，由于毫米波頻率特性，且波長短，多通道收發(fā)組件目前普遍存在通道間隔離問題，使得收發(fā)隔離、雜散抑制以及通道間相位一致性很難兼顧。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種毫米波四通道收發(fā)一體組件，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺憾。

本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種毫米波四通道收發(fā)一體組件，其特征在于，包括殼體、功放發(fā)射單元、開關(guān)切換及功率分配單元、四路接收放大單元和電源控制保護(hù)電路，其中所述功放發(fā)射單元、開關(guān)切換及功率分配單元、接收放大單元均采用獨(dú)立模塊，所述功放發(fā)射單元為四路相同的獨(dú)立模塊，四路接收放大單元模塊與殼體一體化結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述殼體具有上、下腔，殼體的正面為接收放大單元，所述四路接收放大單元包括收發(fā)開關(guān)切換，殼體的背面為開關(guān)切換及功率分配單元和四路功放發(fā)射單元。

本實(shí)用新型的有益技術(shù)效果是：通過分析與計算，在小型一體化的設(shè)計下，該組件可以做到以下指標(biāo)：

1)輸入頻率：30～40GHz；

2)接收靈敏度：-65～-25dBm；

3)輸出發(fā)射功率：≥27dBm；(0dBm輸入，功放帶電源開關(guān))

4)雜散；≤80dBc；

5)發(fā)射相位一致性：≤±10°；(每2GHz帶寬內(nèi))

6)接收噪聲系數(shù)：≤6dB；

7)接收增益：11～13dB；

8)接收相位一致性：≤±10°；(每2GHz帶寬內(nèi))

9)收發(fā)隔離：≥100dBc；

10)收發(fā)、校準(zhǔn)開關(guān)反應(yīng)時間：≤150ns；

11)駐波比：≤2.0；

相較于現(xiàn)有技術(shù)傳統(tǒng)的收發(fā)組件，本實(shí)用新型采用多通道集成一體化的收發(fā)組件，雜散、收發(fā)隔離和相位一致性有了明顯改善。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的總原理框圖。

圖2是組件總體結(jié)構(gòu)示意圖的一部分。

圖3是組件總體結(jié)構(gòu)示意圖的另一部分。

圖4是發(fā)射模塊原理圖。

圖5是接收模塊原理圖。

圖6是開關(guān)切換及功率分配模塊原理圖。

圖7是功放發(fā)射單元指標(biāo)分配圖。

圖8是驅(qū)動放大器增益曲線圖。

圖9是功率單片輸出功率圖。

圖10是大功率開關(guān)插入損耗曲線圖。

圖11是功分器損耗圖。

圖12是低噪聲放大器噪聲系數(shù)圖。

圖13是低噪聲放大器增益曲線圖。

圖14是SMP模型仿真結(jié)果圖(一)。

圖15是SMP模型仿真結(jié)果圖(二)。

具體實(shí)施方式

通過下面對實(shí)施例的描述，將更加有助于公眾理解本實(shí)用新型，但不能也不應(yīng)當(dāng)將申請人所給出的具體的實(shí)施例視為對本實(shí)用新型技術(shù)方案的限制，任何對部件或技術(shù)特征的定義進(jìn)行改變和/或?qū)φw結(jié)構(gòu)作形式的而非實(shí)質(zhì)的變換都應(yīng)視為本實(shí)用新型的技術(shù)方案所限定的保護(hù)范圍。

本實(shí)施例主要包括功放發(fā)射單元、開關(guān)切換及功率分配單元、接收放大單元以及電源控制保護(hù)電路4部分，進(jìn)行一體化設(shè)計，每個獨(dú)立的單元進(jìn)行模塊化設(shè)計，以提高可靠性，并增強(qiáng)實(shí)際使用的靈活性，提高了可維修性。4路功放發(fā)射單元采用相同設(shè)計，為了保證足夠的增益，經(jīng)2級放大輸入到功率單片，最后經(jīng)過開關(guān)單元輸出。本組件要求端口輸出功率大于27dBm，綜合考慮開關(guān)的損耗及鏈路損耗，選用輸出功率33dBm的功率單片，并使功率單片輸出功率有一定降額，提高長期工作的可靠性。為了提高收發(fā)隔離度，開關(guān)單元做出獨(dú)立小模塊，選用具有工程應(yīng)用成功經(jīng)驗(yàn)的集成單片，減小插損，提高隔離度。接收放大單元由收發(fā)開關(guān)、三級單刀單擲開關(guān)和低噪聲放大器以及輸出增益可調(diào)網(wǎng)絡(luò)組成。整個組件為一體化結(jié)構(gòu)，作為獨(dú)立的功能組件，提供的標(biāo)準(zhǔn)接口與其它組件進(jìn)行電連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，在系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。

如圖1所示的功能框圖，共包括功放發(fā)射單元、開關(guān)切換及功率分配單元、4路接收放大單元以及電源控制保護(hù)電路4部分。功放發(fā)射單元、開關(guān)切換及功率分配單元、接收放大單元采用獨(dú)立模塊化設(shè)計。為了保證相位一致性，發(fā)射功放單元將4路設(shè)計成相同的獨(dú)立模塊，即使由于芯片的差異性以及工藝裝配造成的相位不同，也可以通到單獨(dú)調(diào)試將4路發(fā)射單元相位控制在±5°以內(nèi)，為整個組件的發(fā)射相位一致性提供保障。接收單元單通道采用與組件殼體一體化設(shè)計，從天線接收到的信號先經(jīng)過大功率收發(fā)開關(guān)，再級聯(lián)一級單刀單擲開關(guān)，增加收發(fā)隔離，進(jìn)入低噪聲放大器進(jìn)行信號放大，放大器后級聯(lián)及單刀單擲開關(guān)，以滿足指標(biāo)高收發(fā)隔離的要求，最后經(jīng)一個多檔可調(diào)的衰減器輸出。輸出端的多檔可調(diào)衰減器是為了保證輸出增益在11-13dB之間，并且4路的衰減要相同，以保證相位一致性。在設(shè)計時從各個方面控制雜散，首先選用性能可以滿足要求的器件；電源方面不能采用開關(guān)電源，從而引入開關(guān)頻率等雜散，選用低噪聲DC/DC模塊，從一定方面改善電源引入的雜散；有源器件的供電加入退耦、濾波電路，進(jìn)一步減少電源影響；并且要求使用方電源紋波需要小于±5％，如此可以確保組件的雜散可以控制在80dBc以下。

如圖2和圖3所示，本實(shí)用新型采用內(nèi)部多模塊組合設(shè)計，分別有功放發(fā)射單元、接收放大單元、開關(guān)切換及功率分配單元，每個單元單獨(dú)模塊快化設(shè)計，方便調(diào)試。殼體采用上、下腔兩面設(shè)計，正面主要為接收放大單元，包括收發(fā)開關(guān)切換，背面為功分模塊和4路放大發(fā)射單元。在接收單元模塊中采用通道與殼體一體化設(shè)計，輸入輸出采用高頻絕緣子及空氣腔過渡設(shè)計，提高毫米波寬帶信號的傳輸質(zhì)量。為了滿足收發(fā)隔離要求，接收通道中，設(shè)計了多級開關(guān)，為了提高開關(guān)的隔離度及性能，在腔體設(shè)計中采用隔墻及內(nèi)蓋板獨(dú)立設(shè)計，抑制空間泄露，造成收發(fā)串?dāng)_。

功放發(fā)射單元設(shè)計中考慮到其功率較大，若采用與殼體一體化設(shè)計，將會有較大的空間泄露，同時也不方便調(diào)試，影響組件性能。本實(shí)施例采用4通道發(fā)射單元獨(dú)立模塊化設(shè)計，固定在組件下腔體。發(fā)射模塊輸入擬采用接頭與功分模塊接口盲插設(shè)計，輸出端采用毫米波絕緣子。關(guān)于盲插接頭的選擇大致有兩種選擇方案：第一，使用SSMP接頭及SSMP-KK進(jìn)行盲插對接。該種接頭具有工作頻率高且毫米波性能優(yōu)越的特點(diǎn)，其最高工作頻率可至70GHz以上，駐波特性優(yōu)越，比較適合毫米波頻段使用。但其缺點(diǎn)是體積和尺寸較小，剛性強(qiáng)度低，在調(diào)試過程中容易損壞接頭，使得組件報廢率較高。第二，使用SMP接頭及SMP-KK進(jìn)行盲插對接。該種接頭工作頻率一般在40GHz以內(nèi)，少數(shù)廠家可以達(dá)到50GHz，其性能略差于SSMP，但SMP體積尺寸較大一些，剛性強(qiáng)度高，比較適合反復(fù)插拔和調(diào)試。本組件中擬采用SMP接頭及SMP-KK盲插對接設(shè)計。SMP接頭使用Micromode公司高性能產(chǎn)品，在毫米波頻段具有較高的性能優(yōu)勢，既保證了功分模塊和功分模塊可以獨(dú)立調(diào)試、反復(fù)插拔，又保證了模塊的組合安裝，實(shí)現(xiàn)信號高質(zhì)量的傳輸，較大程度的抑制信號泄露，提高雜散抑制。

如圖4至圖6所示，本實(shí)用新型采用內(nèi)部多模塊組合設(shè)計，分別有功放發(fā)射單元、接收放大單元、開關(guān)切換及功率分配單元，每個單元單獨(dú)模塊快化設(shè)計，方便調(diào)試。功放發(fā)射單元由4路相同的獨(dú)立功放鏈路組成，完成由功率分配單元輸出的信號放大發(fā)射功能，功放發(fā)射單元包括驅(qū)動放大和功率放大兩部分。通過合理分配通道的增益和功率，確定各單元指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)整個功放單元增益≥50，輸出功率≥32dBm。

如圖7至圖13所示，2級驅(qū)動放大器采用Triquint公司產(chǎn)品，工作頻率17-43GHz，增益≥23dB，1dB壓縮點(diǎn)輸出功率≥22dBm，為了保證增益充足，采用2級串聯(lián)，中間加上衰減器改善放大器駐波匹配。2級驅(qū)動放大后都加入適當(dāng)?shù)乃p器，改善功率放大部分的輸入駐波，并可根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)節(jié)增益，以及保證功放工作的穩(wěn)定性。末級功率單片采用Triquint公司的高性能產(chǎn)品，工作頻率30-40GHz，增益15-20dB，飽和輸出功率大于32dBm，垂直過渡損耗共計約2dB，加上鏈路損耗1dB，可以保證最終功率輸出大于29dBm，滿足指標(biāo)要求。

為了保證相位一致性，將4路設(shè)計成相同的獨(dú)立模塊，即使由于芯片的差異性以及工藝裝配造成的相位不同，也可以通到單獨(dú)調(diào)試將4路發(fā)射單元相位控制在±5°以內(nèi)，為整個組件的發(fā)射相位一致性提供保障。

功放發(fā)射單元增益大于50dB，并留有一定的余量，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況調(diào)整。功放輸出功率大于30dBm，以保證最終組件輸出大于27dBm。單路電流2.5A，4路電流10A，射頻功耗6V*10A＝60W。

開關(guān)和功率分配設(shè)計做成獨(dú)立模塊，方便調(diào)試，原理框圖如附圖4。大功率寬帶開關(guān)選用M/Acom公司的產(chǎn)品，工作頻率26-40GHz，插損0.7dB，隔離度32dB，通過功率連續(xù)波13W，切換時間小于30ns，滿足本項(xiàng)目的使用要求。

功分器采用3片13所集成單片，有著損耗小，帶寬寬，駐波性能好，隔離度高相位一致性好等優(yōu)點(diǎn)。插入損耗＜0.6dB，隔離度＞18dB，駐波＜1.25。

由于多片一分二功分器級聯(lián)，且頻率高帶寬寬，信號傳輸距離長，需要對級間駐波匹配進(jìn)行設(shè)計，在發(fā)射鏈路中通過合理分配電平，在每級間增加3dB衰減器，改善駐波，提高平坦度。

接收單元單通道采用與組件殼體一體化設(shè)計，從天線接收到的信號先經(jīng)過大功率收發(fā)開關(guān)，再級聯(lián)一級單刀單擲開關(guān)，增加收發(fā)隔離，進(jìn)入低噪聲放大器進(jìn)行信號放大，放大器后級聯(lián)及單刀單擲開關(guān)，以滿足指標(biāo)高收發(fā)隔離的要求，最后經(jīng)一個多檔可調(diào)的衰減器輸出。輸出端的多檔可調(diào)衰減器是為了保證輸出增益在11-13dB之間，并且4路的衰減要相同，以保證相位一致性。接收單元原理框圖如附圖3。由于組件接收增益有著很嚴(yán)格的要求，低噪聲放大器選擇的是Triquint公司的產(chǎn)品，該芯片噪聲系數(shù)較小，且?guī)?nèi)平坦度非常好，噪聲系數(shù)≤3.5，帶內(nèi)平坦度小于1.5dB。通過軟件計算，接收單元的噪聲小于5.5，能夠滿足要求。

由于組件整體要求雜散小于80dBc，設(shè)計團(tuán)隊在設(shè)計時從各個方面控制雜散，首先選用性能可以滿足要求的器件；電源方面不能采用開關(guān)電源，從而引入開關(guān)頻率等雜散，選用低噪聲DC/DC模塊，從一定方面改善電源引入的雜散；有源器件的供電加入退耦、濾波電路，進(jìn)步一減少電源影響；并且要求使用方電源紋波需要小于±5％，如此可以確保組件的雜散可以控制在80dBc以下。

接收單元輸出端留有的衰減器一是調(diào)節(jié)增益范圍，一是改善輸出駐波，并且組件在輸出端口留有比較長的鏈路，方便調(diào)試駐波，低噪放輸出駐波小于2，通過以上手段及調(diào)試可以滿足2的要求。

在保證噪聲系數(shù)的同時，為了提高收發(fā)隔離，鏈路中一共4個開關(guān)，收發(fā)開關(guān)選用隔離度大于30dBc的高性能大功率開關(guān)，在低噪放前串入一個單刀單擲開關(guān)，隔離度30dBc，低噪放后級聯(lián)2級相同的單刀單擲開關(guān)，理論隔離度120dBc，實(shí)際可滿足大于100dBc的要求。

功分單元獨(dú)立成模塊，安裝于組件下腔體，方便調(diào)試。輸出采用SMP盲插過渡結(jié)構(gòu)。對于SMP盲插結(jié)構(gòu)，設(shè)計團(tuán)隊采用HFSS軟件對其進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)；仿真模型以及結(jié)果如圖14和圖15所示。從仿真結(jié)果看，SMP盲插過渡性能方面完全能夠滿足需求。

當(dāng)然，本實(shí)用新型還可以有其他多種實(shí)施例，在不背離本實(shí)用新型精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)本實(shí)用新型做出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。