專利名稱：X波段基片集成波導(dǎo)單板射頻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微波毫米波用單板射頻系統(tǒng)，尤其涉及一種可用于微波毫米波的X波段基片集成波導(dǎo)單板射頻系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通信技術(shù)的發(fā)展要求各個部件易于集成、小型化、輕量化和高可靠性。傳統(tǒng)高性能的微波通信系統(tǒng)中，射頻的各個模塊、天線、雙工器、中頻電路在結(jié)構(gòu)上是相互分離的。其原因在于為了提高性能各部件采用不同的技術(shù)實現(xiàn)，例如天線采用反射面天線或振子天線等、雙工器采用傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)腔體雙工器、射頻濾波器采用金屬波導(dǎo)濾波器或陶瓷濾波器等、中頻電路與各個單獨的射頻器件分別在電路板上制作。這提高了系統(tǒng)的成本、而且重量體積都比較大。因此，需要提出新型的集成技術(shù)，以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的器件、布版規(guī)則與集成技術(shù)，在實現(xiàn)高性能的同時，能夠達(dá)到高的集成度，直至微波射頻系統(tǒng)的所有元器件實現(xiàn)單板集成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于解決微波毫米波電路的高性能單板集成問題并適合于微波毫米波電路與集成電路的設(shè)計的X波段基片集成波導(dǎo)單板射頻系統(tǒng)，具有單板集成系統(tǒng)損耗小的優(yōu)點。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種用于微波毫米波電路的X波段基片集成波導(dǎo)單板射頻系統(tǒng)，包括介質(zhì)基片，在介質(zhì)基片上設(shè)有天線、雙工器、射頻接收低噪聲放大器、射頻接收濾波器、下變頻器、本振功分器、上變頻器、射頻發(fā)射濾波器、發(fā)射功率放大器、中頻發(fā)射電路、射頻本振鎖相環(huán)路和中頻接收電路，雙工器的合成端與天線的饋電端連接，雙工器的接收端口及發(fā)射端口分別與射頻接收低噪聲放大器的輸入端及發(fā)射功率放大器的輸出端連接，射頻接收低噪聲放大器的輸出端與射頻接收濾波器的輸入端連接，射頻接收濾波器的輸出端與下變頻器的射頻端連接，下變頻器的本振端與本振功分器的第二功率分配端連接，本振功分器的第一功率分配端與上變頻器的本振端連接，上變頻器的射頻端與射頻發(fā)射濾波器的輸入端連接，射頻發(fā)射濾波器的輸出端與發(fā)射功率放大器的輸入端連接，上述上變頻器的中頻端及電源端分別與中頻發(fā)射電路的電源端及中頻端連接，中頻發(fā)射電路上的另兩個端口分別為發(fā)射I端和發(fā)射Q端，上述本振功分器的功率輸入端與射頻本振鎖相環(huán)路的輸出端連接，上述下變頻器的中頻端及電源端分別與中頻接收電路的中頻端及電源端連接，中頻接收電路上的另兩個端口分別為接收I端和接收Q端，在上述射頻接收低噪聲放大器、射頻接收濾波器、下變頻器、本振功分器、上變頻器、射頻發(fā)射濾波器、發(fā)射功率放大器、中頻發(fā)射電路、射頻本振鎖相環(huán)路或中頻接收電路分別設(shè)有隔離金屬框。
本發(fā)明在介質(zhì)基片上實現(xiàn)了高Q值、低損耗基片集成波導(dǎo)，這種波導(dǎo)具有和普通矩形金屬波導(dǎo)相類似的傳輸特性和場分布；然后，利用基片集成波導(dǎo)形成了X波段基片集成波導(dǎo)高集成度單板射頻系統(tǒng)中的無源元件，包括天線、雙工器、功分器、濾波器等；同時設(shè)計了射頻接收低噪聲放大器、下變頻器；發(fā)射功率放大器、上變頻器；射頻本振鎖相環(huán)路及本振放大電路、中頻發(fā)射電路與鎖相環(huán)路、中頻接收電路與鎖相環(huán)路等。在上述元器件的基礎(chǔ)上設(shè)計了基片集成波導(dǎo)器件與有源器件之間的連接，以及基于基片集成波導(dǎo)的器件隔離方案。最終將包括天線在內(nèi)的整個X波段射頻子系統(tǒng)在一塊單板(PCB)上實現(xiàn)。在這個基片集成波導(dǎo)高集成度單板射頻系統(tǒng)中，所有的結(jié)構(gòu)都是利用在介質(zhì)基片上打一系列的金屬通孔陣列來實現(xiàn)，從而有利于無源器件在微波毫米波電路設(shè)計中的集成；根據(jù)布版的需要，合理地選擇基片集成波導(dǎo)元件與有源器件之間的結(jié)合方式；在設(shè)計器件之間的隔離倉時，將金屬壓條放置在基片集成波導(dǎo)上方，以進(jìn)一步減小電路板的面積。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1)射頻子系統(tǒng)中包括天線在內(nèi)的所有元件均在一塊單板上實現(xiàn)，極大的提高了系統(tǒng)的集成度；2)所有的無源元件在基片內(nèi)部實現(xiàn)，無需購買獨立的元件，實現(xiàn)了“基片即元件”，極大地降低了系統(tǒng)成本；3)所有的無源元件在基片內(nèi)部實現(xiàn)，具有與矩形金屬波導(dǎo)相類似的特性，與微帶電路相比，Q值高，損耗低，輻射干擾小。
4)設(shè)計器件之間的隔離倉時，將金屬壓條放置在基片集成波導(dǎo)上方，與電路板表面緊密接觸。避免了傳統(tǒng)微帶布版方式下，需要在金屬壓條上開口帶來的信號泄露。改善了系統(tǒng)中各部件之間的隔離效果，達(dá)到60dB以上。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2是基片集成波導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)圖。
圖3是基片集成波導(dǎo)雙工器結(jié)構(gòu)圖。
圖4是低噪聲放大器結(jié)構(gòu)圖。
圖5是基片集成波導(dǎo)接收濾波器結(jié)構(gòu)圖。
圖6是下變頻器結(jié)構(gòu)圖。
圖7是基片集成波導(dǎo)本振功率分配器結(jié)構(gòu)圖。
圖8是上變頻器結(jié)構(gòu)圖。
圖9是基片集成波導(dǎo)發(fā)射濾波器結(jié)構(gòu)圖。
圖10是功率放大器結(jié)構(gòu)圖。
圖11是發(fā)射中頻電路結(jié)構(gòu)圖。
圖12是射頻本振電路結(jié)構(gòu)圖。
圖13是接收中頻電路結(jié)構(gòu)圖。
圖14是器件之間的隔離圖。
圖15接收通道增益的控制特性測試圖。
圖16發(fā)射通道的增益控制特性圖。
具體實施例方式
一種用于微波毫米波電路的X波段基片集成波導(dǎo)單板射頻系統(tǒng)，包括介質(zhì)基片I，在介質(zhì)基片I上設(shè)有天線1、雙工器2、射頻接收低噪聲放大器3、射頻接收濾波器4、下變頻器5、本振功分器6、上變頻器7、射頻發(fā)射濾波器8、發(fā)射功率放大器9、中頻發(fā)射電路10、射頻本振鎖相環(huán)路11和中頻接收電路12，雙工器2的合成端與天線1的饋電端連接，雙工器2的接收端口及發(fā)射端口分別與射頻接收低噪聲放大器3的輸入端及發(fā)射功率放大器9的輸出端連接，射頻接收低噪聲放大器3的輸出端與射頻接收濾波器4的輸入端連接，射頻接收濾波器4的輸出端與下變頻器5的射頻端連接，下變頻器5的本振端與本振功分器6的第二功率分配端連接，本振功分器6的第一功率分配端與上變頻器7的本振端連接，上變頻器7的射頻端與射頻發(fā)射濾波器8的輸入端連接，射頻發(fā)射濾波器8的輸出端與發(fā)射功率放大器9的輸入端連接，上述上變頻器7的中頻端及電源端分別與中頻發(fā)射電路10的電源端及中頻端連接，中頻發(fā)射電路10上的另兩個端口分別為發(fā)射I端和發(fā)射Q端，上述本振功分器6的功率輸入端與射頻本振鎖相環(huán)路11的輸出端連接，上述下變頻器5的中頻端及電源端分別與中頻接收電路12的中頻端及電源端連接，中頻接收電路12上的另兩個端口分別為接收I端和接收Q端，在上述射頻接收低噪聲放大器3、射頻接收濾波器4、下變頻器5、本振功分器6、上變頻器7、射頻發(fā)射濾波器8、發(fā)射功率放大器9、中頻發(fā)射電路10、射頻本振鎖相環(huán)路11或中頻接收電路12分別設(shè)有隔離金屬框。隔離金屬框壓在介質(zhì)基片I和基片集成波導(dǎo)上，隔離金屬框可選擇鋁、銅、鋼等金屬框，如圖14所示。
在天線與雙工器之間直接采用基片集成波導(dǎo)連接，如圖2所示；在雙工器與射頻低噪聲放大器之間，以及雙工器與功率放大器之間采用漸變微帶線連接，如圖3所示；在射頻低噪聲放大器與接收射頻濾波器之間，接收射頻濾波器與下變頻器之間，上變頻器與發(fā)射射頻濾波器之間，發(fā)射射頻濾波器與功率放大器之間，本振功率分配器與下變頻器之間，本振功率分配器與上變頻器之間，以及本振功率分配器與射頻本振鎖相環(huán)路之間采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)連接，如圖5與圖9所示；本發(fā)明在X波段所實現(xiàn)了基片集成波導(dǎo)高集成度單板射頻系統(tǒng)，采用厚度為0.5mm的介質(zhì)基片，相對電介電常數(shù)為2.2。采用了16×15基片集成波導(dǎo)雙饋天線；T型基片集成波導(dǎo)雙工器；3腔基片集成波導(dǎo)收\發(fā)濾波器；T型基片集成波導(dǎo)功率分配器；兩級低噪聲放大器電路，采用Agilent pHEMT管實現(xiàn)；上下變頻器采用Hittle混頻器制作；射頻本振采用Analog Device頻綜與Hittle壓控振蕩器實現(xiàn)；中頻收\發(fā)電路采用Analog Device調(diào)制\解調(diào)芯片實現(xiàn)；以下是測試結(jié)果圖15是接收通道的增益控制特性測試結(jié)果。測試中射頻信號加載至低噪聲放大器輸入端，輸出為I/Q信號。圖中顯示了I/Q信號功率隨射頻信號功率變化的特性，分別給出了中頻衰減器全開(衰減量為-31dB)與全關(guān)(衰減量為0dB)時的曲線。綜合考慮兩條曲線，當(dāng)接收信號范圍為-75dBm～-10dBm時(輸入1dB壓縮點為-10dBm)，通過調(diào)整衰減量，可以保證I/Q信號功率在-10dBm～-9dBm。
圖16為發(fā)射通道的增益控制特性測試結(jié)果。測試中輸入信號為基帶I/Q信號，輸出為射頻信號。中頻衰減器的衰減量在0dB～31dB之間變化時，發(fā)射機的輸出功率范圍為20～-13dBm dBm。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)鏈路狀況適時調(diào)整發(fā)射功率。
本發(fā)明將基片集成波導(dǎo)在基片內(nèi)部實現(xiàn)，并充分利用了這一特性，將包括天線、雙工器在內(nèi)的射頻無源元件采用基片集成波導(dǎo)技術(shù)實現(xiàn)，極大的提高了系統(tǒng)的集成度。其中天線負(fù)責(zé)接收空間的射頻信號通過雙工器送至接收鏈路處理、同時將發(fā)射鏈路產(chǎn)生的信號輻射至空間；雙工器將發(fā)射與接收信號分離，并提供對天線的統(tǒng)一接口；接收鏈路包括射頻低噪聲放大器負(fù)責(zé)接收放大微弱的射頻信號；接收射頻濾波器負(fù)責(zé)鏡像頻率抑制；下變頻器將射頻信號變換至中頻；中頻接收電路將中頻信號變換至基帶電路可處理的I/Q信號；發(fā)射鏈路包括中頻發(fā)射電路將基帶電路I/Q信號變換至中頻信號；上變頻器將中頻信號變換至射頻；發(fā)射頻濾波器負(fù)責(zé)濾出射頻雜波；發(fā)射功率放大器負(fù)責(zé)產(chǎn)生功率信號；射頻本振電路產(chǎn)生射頻本振信號；本振功率分配與放大將本振信號放大，并分配至收發(fā)射頻鏈路。
權(quán)利要求
1.一種用于微波毫米波電路的X波段基片集成波導(dǎo)單板射頻系統(tǒng)，其特征在于包括介質(zhì)基片(I)，在介質(zhì)基片(I)上設(shè)有天線(1)、雙工器(2)、射頻接收低噪聲放大器(3)、射頻接收濾波器(4)、下變頻器(5)、本振功分器(6)、上變頻器(7)、射頻發(fā)射濾波器(8)、發(fā)射功率放大器(9)、中頻發(fā)射電路(10)、射頻本振鎖相環(huán)路(11)和中頻接收電路(12)，雙工器(2)的合成端與天線(1)的饋電端連接，雙工器(2)的接收端口及發(fā)射端口分別與射頻接收低噪聲放大器(3)的輸入端及發(fā)射功率放大器(9)的輸出端連接，射頻接收低噪聲放大器(3)的輸出端與射頻接收濾波器(4)的輸入端連接，射頻接收濾波器(4)的輸出端與下變頻器(5)的射頻端連接，下變頻器(5)的本振端與本振功分器(6)的第二功率分配端連接，本振功分器(6)的第一功率分配端與上變頻器(7)的本振端連接，上變頻器(7)的射頻端與射頻發(fā)射濾波器(8)的輸入端連接，射頻發(fā)射濾波器(8)的輸出端與發(fā)射功率放大器(9)的輸入端連接，上述上變頻器(7)的中頻端及電源端分別與中頻發(fā)射電路(10)的電源端及中頻端連接，中頻發(fā)射電路(10)上的另兩個端口分別為發(fā)射I端和發(fā)射Q端，上述本振功分器(6)的功率輸入端與射頻本振鎖相環(huán)路(11)的輸出端連接，上述下變頻器(5)的中頻端及電源端分別與中頻接收電路(12)的中頻端及電源端連接，中頻接收電路(12)上的另兩個端口分別為接收I端和接收Q端，在上述射頻接收低噪聲放大器(3)、射頻接收濾波器(4)、下變頻器(5)、本振功分器(6)、上變頻器(7)、射頻發(fā)射濾波器(8)、發(fā)射功率放大器(9)、中頻發(fā)射電路(10)、射頻本振鎖相環(huán)路(11)或中頻接收電路(12)分別設(shè)有隔離金屬框。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X波段基片集成波導(dǎo)單板射頻系統(tǒng)，其特征在于隔離金屬框壓在介質(zhì)基片(I)和基片集成波導(dǎo)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微波毫米波用單板射頻系統(tǒng)，尤其涉及一種可用于微波毫米波的X波段基片集成波導(dǎo)單板射頻系統(tǒng)。X波段基片集成波導(dǎo)單板射頻系統(tǒng)包括介質(zhì)基片，在介質(zhì)基片上設(shè)有天線、雙工器、射頻接收低噪聲放大器、射頻接收濾波器、下變頻器、本振功分器、上變頻器、射頻發(fā)射濾波器、發(fā)射功率放大器、中頻發(fā)射電路、射頻本振鎖相環(huán)路和中頻接收電路。本發(fā)明中所有的無源元件在基片內(nèi)部實現(xiàn)，無需購買獨立的元件，實現(xiàn)了“基片即元件”，極大地降低了系統(tǒng)成本，所有的無源元件在基片內(nèi)部實現(xiàn)，具有與矩形金屬波導(dǎo)相類似的特性，與微帶電路相比，Q值高，損耗低，輻射干擾小。
文檔編號H01P1/20GK1825687SQ20061003849
公開日2006年8月30日 申請日期2006年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月27日
發(fā)明者洪偉, 陳繼新, 郝張成, 嚴(yán)頻頻, 湯紅軍, 華光 申請人:東南大學(xué)