一种瓦片式下变频器、相控阵天线系统及卫星通信系统的制作方法

1.本发明属于卫星通讯技术领域，具体涉及一种瓦片式下变频器、相控阵天线系统及卫星通信系统。


背景技术：

2.变频器是卫星通信系统的核心部件。根据有源相控阵天线的应用需求，采用子阵数字化的方法实现的相控阵系统，每个天线子阵均需要接一个变频器。下变频器位于天线组件与接收信号采集单元的中间位置，将天线接收到的微波信号经过tr组件处理后，进入下变频器的输入端口。微波信号经过下变频器实现频率变换、增益放大、中频滤波、杂散抑制以及延时补偿等功能，进入到基带信号采集板上。下变频器位于相控阵系统中关键位置，对整个相控阵系统起到决定性作用。
3.采用子阵数字化的相控阵天线系统，由于天线规模较大，每个子阵后面的变频器数量较多。传统变频器，采用塑封芯片进行集成，形状如砖式，体积庞大，一致性较差，制约着相控阵天线向低剖面、小型化方向发展，严重的影响了武器装备的体积和重量。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了瓦片式下变频器、相控阵天线系统及卫星通信系统，以解决传统变频器体积庞大，一致性较差等缺点。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.第一方面，本技术提供了一种瓦片式下变频器，包括：陶瓷基板、多个射频信号接口、多个组件供电控制接口、射频电路、本振电路、中频电路、至少一个本振接口、至少一个中频接口和至少一个变频器供电控制接口；多个射频信号接口、多个组件供电控制接口、射频电路、本振电路和中频电路设置于陶瓷基板的第一侧面，至少一个本振接口、至少一个中频接口和至少一个变频器供电控制接口设置于陶瓷基板的第二侧面，第一侧面与第二侧面相对；射频信号接口与组件供电控制接口数量相同。
7.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，陶瓷基板内部设置有射频合成电路和供电控制电路，射频合成电路用于将接收的多个射频信号进行合成，得到射频输入信号，并将射频输入信号输入射频电路；供电控制电路用于控制瓦片式下变频器和组件供电控制接口的供电。
8.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，射频电路包括依次连接的第一射频3db衰减器、rf第一级低噪放、第二射频3db衰减器、均衡器、第三射频3db衰减器、rf第二级低噪放、第四射频3db衰减器、rf带通滤波器、第五射频3db衰减器和混频器；其中，射频输入信号通过第一射频3db衰减器输入射频电路。
9.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，本振电路包括依次连接的本振3db衰减器、lo第一级低噪放和17.4ghz带通滤波器；其中，17.4ghz带通滤波器与混频器连接；本振信号通过本振3db衰减器输入本振电路。
10.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，中频电路包括依次连接的第一中频3db衰减器、if第一级低噪放、第二中频3db衰减器、延时器、第三中频3db衰减器、if第二级低噪放、第四中频3db衰减器、3.8ghz低通滤波器和第五中频3db衰减器；其中，第一中频3db衰减器与混频器连接。
11.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，变频器供电控制接口与组件供电控制接口连接，变频器供电控制接口还与供电控制电路连接。
12.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，射频电路、本振电路和中频电路通过陶瓷基板作为载体进行连接。
13.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，瓦片式下变频器通过盖板进行封装，盖板封装完成后与陶瓷基板构成多个独立的腔体，多个独立的腔体包括：射频电路腔体、本振电路腔体和中频电路腔体。
14.第二方面，本技术实施例提供了一种子阵数字化的相控阵天线系统，子阵数字化的相控阵天线系统包括第一方面任一项的瓦片式下变频器。
15.第三方面，本技术实施例提供了一种卫星通信系统，卫星通信系统包括至少一个第一方面任一项的瓦片式下变频器。
16.可以理解的是，上述第二方面和第三方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
17.本技术实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
18.本技术通过在第一侧面设置多个射频信号接口、多个组件供电控制接口、射频电路、本振电路和中频电路，在第二侧面设置至少一个本振接口、至少一个中频接口和至少一个变频器供电控制接口的方式，可以使瓦片式下变频器在与其他器件连接时能够提高平面有效面积的利用率，瓦片式下变频器使用接口的方式与其他器件连接提高了瓦片式下变频器的可拓展性，与传统焊接的方式相比，拓展性更强。
19.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本技术一实施例提供的陶瓷基板第一侧面的示意图；
22.图2是本技术一实施例提供的陶瓷基板第二侧面的示意图；
23.图3是本技术一实施例提供的射频电路和射频合成电路示意图；
24.图4是本技术一实施例提供的本振电路示意图；
25.图5是本技术一实施例提供的中频电路示意图；
26.图6是本技术一实施例提供的变频电路示意图；
27.图7是本技术一实施例提供的瓦片式下变频器背面的结构示意图；
28.图8是本技术一实施例提供的瓦片式下变频器正面的结构示意图。
29.10-陶瓷基板，101-射频信号接口，102-组件供电控制接口，103-射频电路，301-第一射频3db衰减器，302-rf第一级低噪放，303-第二射频3db衰减器，304-均衡器，305-第三射频3db衰减器，306-rf第二级低噪放，307-第四射频3db衰减器，308-rf带通滤波器，309-第五射频3db衰减器，310-混频器；
30.104-本振电路，401-本振3db衰减器，402-lo第一级低噪放，403-17.4ghz带通滤波器；
31.105-中频电路，501-第一中频3db衰减器，502-if第一级低噪放，503-第二中频3db衰减器，504-延时器，505-第三中频3db衰减器，506-if第二级低噪放，507-第四中频3db衰减器，50-3.8ghz低通滤波器，509-第五中频3db衰减器，
32.201-本振接口，202-中频接口，203-变频器供电控制接口；
具体实施方式
33.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
34.应当理解，当在本技术说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
35.还应当理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
36.另外，在本技术说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
37.在本技术说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
38.图1是本技术一实施例提供的陶瓷基板第一侧面的示意图，图2是本技术一实施例提供的陶瓷基板第二侧面的示意图，参照图1和图2，对该瓦片式下变频器的详述如下：
39.本技术实施例提供的一种瓦片式下变频器，包括：陶瓷基板10、多个射频信号接口101、多个组件供电控制接口102、射频电路103、本振电路104、中频电路105、至少一个本振接口201、至少一个中频接口202和至少一个变频器供电控制接口203。多个射频信号接口101、多个组件供电控制接口102、射频电路103、本振电路104和中频电路105设置于陶瓷基板10的第一侧面，至少一个本振接口201、至少一个中频接口202和至少一个变频器供电控制接口203设置于陶瓷基板10的第二侧面，第一侧面与第二侧面相对；射频信号接口101与组件供电控制接口102数量相同。
40.具体的，射频信号接口101用于接收射频信号将射频信号输入射频电路103，本振
接口201用于接收本振信号，将本振信号输入本振电路104，中频接口202用于输出中频电路105产生的中频信号。
41.具体的，组件供电控制接口102为天线组件提供供电控制条件，天线组件用于接收射频信号，射频信号接口101用于接收组件输入瓦片式下变频器的射频信号。
42.示例性的，陶瓷基板10内部设置有射频合成电路和供电控制电路，射频合成电路用于将接收的多个射频信号进行合成，得到射频输入信号，并将射频输入信号输入射频电路103；供电控制电路用于控制瓦片式下变频器和组件供电控制接口102的供电。
43.具体的，本技术实施例提供的瓦片式下变频器中的陶瓷基板10中的射频合成电路保证了多个通道之间的幅度和相位的一致性，对于本技术实施例的瓦片式下变频器来说，每个通道与射频合成电路中的功分器之间连线长度相同且相位一致，实现了射频信号传输的一致性。
44.示例性的，图3是本技术一实施例提供的射频电路和射频合成电路示意图，如图3所示，射频电路103包括依次连接的第一射频3db衰减器301、rf第一级低噪放302、第二射频3db衰减器303、均衡器304、第三射频3db衰减器305、rf第二级低噪放306、第四射频3db衰减器307、rf带通滤波器308、第五射频3db衰减器309和混频器310。其中，射频输入信号通过第一射频3db衰减器301输入射频电路103。
45.具体的，射频合成电路包括四功分器，四功分器将射频信号接口101接收到的射频信号进行合成得到射频输入信号，四功分器将射频输入信号输入射频电路103。
46.具体的，射频电路103中的均衡器304和rf带通滤波器308为薄膜陶瓷器件，其他器件均为gaas芯片，射频电路103中的微波带线、供电控制线，均采用金丝键合的方式实现微波电气和供电控制电气连接。
47.示例性的，图4是本技术一实施例提供的本振电路示意图，如图4所示，本振电路104包括依次连接的本振3db衰减器401、lo第一级低噪放402和17.4ghz带通滤波器403。其中，17.4ghz带通滤波器403与混频器310连接；本振信号通过本振3db衰减器401输入本振电路104。
48.具体的，本振电路104中的17.4ghz带通滤波器403为薄膜陶瓷器件，其他器件均为gaas芯片，本振电路104中的微波带线、供电控制线，均采用金丝键合的方式实现微波电气和供电控制电气连接；17.4ghz带通滤波器用于滤除本振信号外的杂波信号，杂波信号为17.4g频点信号以外的其他信号。
49.示例性的，图5是本技术一实施例提供的中频电路示意图，如图5所示，中频电路105包括依次连接的第一中频3db衰减器501、if第一级低噪放502、第二中频3db衰减器503、延时器504、第三中频3db衰减器505、if第二级低噪放506、第四中频3db衰减器507、3.8ghz低通滤波器508和第五中频3db衰减器509；其中，第一中频3db衰减器501与混频器310连接。
50.具体的，中频电路105中的3.8ghz低通滤波器508为ltcc器件，其他器件均为gaas芯片，中频电路105中的微波带线、供电控制线，均采用金丝键合的方式实现微波电气和供电控制电气连接。
51.示例性的，图6是本技术一实施例提供的变频电路示意图，如图6所示，本技术的瓦片式下变频器的工作原理为：将四路射频信号进行合成后，形成一路射频输入信号，然后对射频输入信号依次进行低噪声放大、信号均衡和带通滤波操作，再与依次经过衰减、放大和
滤波操作的本振信号进行混频操作，变成中频信号。然后对混频出的中频信号依次进行衰减、低噪声放大、衰减、延时、衰减、低噪声放大、衰减、低通滤波及衰减操作之后再将中频信号输出，从而实现频率变换、增益放大、信号延时、优良的增益平坦度、优良的杂散抑制。
52.示例性的，射频信号接口101、本振接口201和中频接口202采用smp毛纽扣射频连接器与变频器陶瓷基板10进行垂直连接，组件供电控制接口102和变频器供电控制接口203采用弹性连接器与变频器陶瓷基板10进行垂直连接。
53.示例性的，变频器供电控制接口203与组件供电控制接口102连接，变频器供电控制接口203还与变频器内部供电控制电路连接。
54.示例性的，射频电路103、本振电路104和中频电路105通过陶瓷基板10作为载体进行连接。
55.示例性的，瓦片式下变频器通过盖板进行封装，盖板封装完成后与陶瓷基板10构成多个独立的腔体，多个独立的腔体包括：射频电路腔体、本振电路腔体和中频电路腔体。
56.具体的，如图7和图8所示，盖板使用螺钉进行固定，封装好的瓦片式下变频器正面和背面只露出射频信号接口101、组件供电控制接口102、本振接口201、中频接口202和变频器供电控制接口203，变频器的正面为陶瓷基板10第一侧面封装后多对应的面，变频器的背面为陶瓷基板10第二侧面封装后多对应的面，变频器正面和背面相对，陶瓷基板10上的芯片通过导电胶粘接的形式装配至变频器陶瓷基板10上。
57.示例性的，瓦片式下变频器采用垂直互连结构、优化的射频电路腔体、本振电路腔体及中频电路腔体结构，优化了端口设计和电路布局。瓦片式下变频器通过设置射频信号接口101、本振接口201、中频接口202、射频电路103、本振电路104与中频电路105，集成了射频功分器、射频两级放大器、本振一级放大器、中频两级放大器、射频带通滤波器、中频低通滤波器、本振带通滤波器、多级衰减器以及变频电路，实现了变频器的频率变换、增益放大、优良的增益平坦度、中频滤波、杂散抑制、高密度集成以及四通道一致性。
58.示例性的，本发明可实现带宽1.6ghz的k频段宽带范围的工作，为实现输入射频1.6ghz带宽的k频段工作频率范围，混频器的输入本振为17.4ghz，则中频输出为c频段带宽为1.6ghz。射频信号rf与中频信号if以及本振信号lo的频率关系为：if＝rf-lo，例如输入射频为19ghz，本振为17.4ghz，实现中频为1.6ghz的信号输出。
59.示例性的，陶瓷基板10由多层基板构成，基板为陶瓷材质的基板。
60.上述瓦片式下变频器，采用多层基板，内部集成射频合成电路与供电控制电路的方式，使得所有射频及供电控制接口均分布在变频器的正反两面，垂直于结构面，最大程度的提升了平面有效面积的利用率。射频信号可以在多层基板内部及正反表面来回传输；采用多层基板使得瓦片式下变频器在垂直方向的厚度得到最大限度的压缩，同时面积又达到最大利用效率，因此实现了器件的小型化高密度集成。供电控制连接器采用垂直互连的设计以及基板采用多层基板设计，避免了焊接供电控制线，提高了变频器的可靠性。变频器面积为相控阵子阵阵元面积，因此，该变频器还具有可扩展性。射频电路集成两级低噪声放大器及一级带通滤波器、中频电路集成两级低噪声放大器以及一级低通滤波器，还具有高增益、优良的镜像抑制特性以及杂散抑制特性的优点。
61.可选的，本技术的瓦片式下变频器应用于子阵数字化的相控阵天线系统，相比于传统的变频器本技术的瓦片式下变频器体积小巧、一致性更优秀，有利于子阵数字化的相
控阵天线系统向低剖面、小型化方向发展。
62.可选的，本技术的瓦片式下变频器应用于卫星通信系统，该卫星通讯系统中至少包含一个本技术的瓦片式下变频器。
63.应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
64.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
65.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
66.在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/网络设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/网络设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
67.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
68.以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。