一种高集成多功能信道系统的制作方法

1.本发明涉及一种高集成多功能信道系统。


背景技术：

2.收发信机是探测平台进行发射信号产生和接收信号处理必不可缺的装置。发射时，发射中频信号经过上变频、滤波、功率放大等处理，为天线辐射提供所需的电磁波信号。接收时，接收射频信号经过低噪声放大、下变频、滤波等处理，为信号处理提供所需的回波信号。对于具有测角要求的探测平台，其接收链路需要实现三通道的回波信号处理，以便完成和差比幅测角。按照硬件架构，收发信机可分为收发分离型(即只可产生发射信号或者处理接收信号)、收发分时型(即只可处理脉冲信号)和收发同时型(即只可处理连续波信号)。专利cn115001519a公布了一种传感信号接收系统及方法，在接收端进行窄带选频、功率放大和同相比较等处理后输出标准ttl信号，供后端信号处理。其信号形式相对简单、只支持接收信号处理且需要预设接收频率，以便针对性设计窄带选频模块的中心频率点，随着探测平台对收发信机使用要求的不断提高，其无法满足频率成份复杂或者电磁环境复杂的探测平台使用。因此，如何在外形尺寸和制造成本均未显著提升的前提下，实现收发信机的高集成与多功能是当前急需解决的难题。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提供了一种高集成多功能信道系统及方法，通过变频组件、高频组件和电源组件联合构建多功能信道，以实现脉冲信号处理和连续波信号处理的一体化集成。其中，变频组件完成对发射中频信号的一次上变频和接收射频信号的一次下变频，具备脉冲信号处理能力，高频组件实现发射射频信号的直接产生和接收射频信号的采样前预处理，具备连续波信号处理能力，两者通过电源组件上的控制芯片进行状态控制和逻辑切换。
4.本发明通过以下技术方案得以实现。
5.本发明提供的一种高集成多功能信道系统；包括变频组件、高频组件、电源组件，电源组件通过微波开关与变频组件连接，通过cpld芯片与高频组件连接；
6.所述变频组件集成一个发射通道和至少一个接收通道对脉冲信号进行处理，并为电源组件和高频组件提供时钟信号；
7.所述高频组件集成一个发射产生通道和至少一个接收预处理通道对连续波信号进行处理；
8.所述电源组件对变频组件及高频组件进行供电，并对信道电压进行变换；
9.所述发射通道包括依次连接的温补衰减器、固定衰减器、中频放大器、谐波混频器、带通滤波器、功率放大器、双刀双掷开关；
10.所述接收通道包括依次连接的双刀双掷开关、固定衰减器、低噪声放大器、试数控衰减器、谐波混频器、带通滤波器、中频放大器、温补衰减器、固定衰减器、通道均衡器；
11.所述发射产生通道包括依次连接的锁相环芯片、调频连续波芯片、功率放大器；
12.所述接收预处理通道包括无源低通滤波器、有源运算放大器、无源高通滤波器、调频连续波芯片、固定衰减器、低噪声放大器。
13.所述电源组件包括dc/dc稳压器、ldo稳压器、负压保护电路，dc/dc稳压器分别与ldo稳压器及负压保护电路连接；
14.ldo稳压器通过输入高低电平信号到发射通道中的双刀双掷开关、功率放大器、谐波混频器及接受通道中的低噪声放大器、谐波混频器、中频放大器前端的微波开关对发射通道和接收通道进行控制；
15.负压保护电路为微波开关提供-5供电电压。
16.所述ldo稳压器还为cpld芯片提供+3.3v和+1.8v电压。
17.所述cpld芯片向调频连续波芯片提供工作频率控制信号。
18.所述cpld芯片对调频连续波芯片、功率放大器和低噪声放大器前端的微波开关输入高低电平信号。
19.所述时钟信号通过晶振产生，晶振依次和鉴相器、环路滤波器、压控振荡器连接，压控振荡器与分配器连接，分配器与鉴相器连接，压控振荡器还分别与接收通道及发射通道中的谐波混频器连接。
20.晶振还与功分器连接，功分器分别与电源组件及高频组件连接。
21.本发明的有益效果在于：通过变频组件、高频组件和电源组件联合构建高集成多功能信道，实现脉冲信号收发处理功能和连续波信号收发处理功能的高集成。对于脉冲信号，通过可编程逻辑器件控制微波器件的通断状态，以使变频组件处于脉冲工作状态；对于连续波信号，通过可编程逻辑器件控制调频连续波芯片压控振荡器部分的工作频率，以使高频组件发射常规连续波信号或者调频连续波信号。
附图说明
22.图1是本发明的多功能信号结构示意图；
23.图2是本发明的实施例1中电源组件结构示意图；
24.图3是本发明的实施例1中变频组件结构示意图；
25.图4是本发明的实施例1中高频组件结构示意图；
26.图5是本发明的实施例2中电源组件结构示意图；
27.图6是本发明的实施例2中变频组件结构示意图；
28.图7是本发明的实施例3中高频组件结构示意图。
具体实施方式
29.下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
30.一种高集成多功能信道系统及方法，由变频组件、高频组件和电源组件构建。
31.变频组件是实现脉冲信号处理的关键，集成发射通道和接收通道，并为电源组件和外部模块提供同步时钟信号，包括晶体振荡器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、分频器、功分器、温补衰减器、谐波混频器、带通滤波器、功率放大器、单刀双掷开关、低噪声放大器、数控衰减器、中频放大器、固定衰减器以及通道均衡器。
32.其中，晶体振荡器负责产生基准时钟信号，以实现系统相参；鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和分频器，共同组成锁相环(pll)电路，利用基准时钟信号产生用于完成发射中频信号和接收射频信号混频的本振信号flo；
33.功分器负责对基准时钟信号进行多路功分，以向内部组件或外部模块输出参考时钟信号；
34.温补衰减器负责高低温下的链路增益补偿，以将链路增益波动控制在
±
2db以内；
35.谐波混频器，在发射链路中，完成发射中频信号的上变频和杂散抑制，以输出fif(中频信号)+2
×
flo的射频信号，在接收链路中，完成接收射频信号的下变频和杂散抑制，以输出fif
±
fd的回波信号(fd为探测目标的回波多普勒频率，fd＝2vmax/λ，式中，vmax为探测平台与被测目标的最大相对速度，λ为发射射频信号波长)；
36.带通滤波器负责对谐波混频后的输出信号进行带通滤波，以抑制带外杂散信号；
37.功率放大器，负责发射链路带通滤波后射频信号的功率放大，以实现发射链路的饱和输出；
38.单刀双掷开关负责发射链路和接收链路的通道切换控制和器件开关控制；
39.低噪声放大器负责接收射频信号的功率放大，同时，利用其噪声系数低和接收增益大的优势，降低全链路的噪声系数；
40.数控衰减器负责降低接收链路谐波混频器前的信号功率，以防止谐波混频器饱和，压缩输出信号强度；
41.中频放大器，在发射链路中，负责谐波混频器前发射中频信号的功率放大，在接收链路中，负责谐波混频器后接收中频信号的功率放大；
42.固定衰减器负责发射链路和接收链路微波器件前的功率衰减，以防止器件饱和，压缩输出信号强度；
43.通道均衡器位于接收链路末级，负责接收链路中频输出信号的通道一致性补偿，以防止不同温度、不同频点下的输出信号波动范围超出设计门限。
44.高频组件是实现连续波信号处理的关键，集成发射产生通道和接收预处理通道，包括锁相环芯片、调频连续波芯片、功率放大器、低噪声放大器、固定衰减器、无源高通滤波器、有源运算放大器、无源低通滤波器。
45.其中，锁相环芯片以基准时钟信号为参考，与调频连续波芯片中的压控振荡部分、分频部分共同组成锁相环电路，用于产生调频连续波芯片输出的发射射频信号和混频所需的输入信号；
46.调频连续波芯片具备发射产生功能和接收混频功能，发射时，可根据输入的vtune信号(内置压控振荡电路的控制电压)输出指定频率或指定频率变化率的射频信号，接收时，可通过内置的混频电路，将输入的接收射频信号fr和输出的发射射频信号ft进行混频，输出回波差频信号fi；
47.功率放大器，负责发射链路射频信号的功率放大；低噪声放大器，负责接收链路回波信号的功率放大；
48.固定衰减器负责接收链路调频连续波芯片前的功率衰减，以防止芯片输入信号饱和，长时间工作后降低器件可靠性；
49.无源高通滤波器、有源运算放大器和无源低通滤波器共同组成调频连续波芯片差
频输出信号的滤波电路，完成运算放大、带通滤波等功能。
50.电源组件是实现多功能信道电压变换和功能控制的关键，包括dc/dc变换电路、ldo稳压电路、负压保护电路、电源调制电路、可编程逻辑器件。
51.其中，dc/dc变换电路，完成输入电源电压的电压变换，产生后级电路所需的多种电压，包括5.0v、3.3v等；
52.ldo稳压电路，对dc/dc变换电路输出的5v电压进行线性稳压，输出低电压大电流的驱动信号，同时，抑制输出电压纹波值；
53.负压保护电路，负责产生-5v的微波开关供电电压；
54.电源调制电路，负责产生发射链路和接收链路的器件输入电压，用于控制电源通断，包括功率放大器、中频放大器等；
55.可编程逻辑器件，根据多功能信道输入控制信号、规定工作流程、预设工作时序等，产生3.3v和1.8v的低压信号，以根据状态对照表控制微波器件的工作状态。
56.根据可编程逻辑器件控制指令使多功能信道处于脉冲工作模式和连续波工作模式。当处于脉冲工作模式时，变频组件和电源组件正常工作，高频组件待机，此时变频组件发射通道微波器件和接收通道微波器件处于脉冲控制状态，即脉冲高电平时，发射通道微波器件电源接通、接收通道微波器件电源断开；脉冲处于低电平时，发射通道微波器件电源断开、接收通道微波器件电源接通，因此至少具备正常工作(即发射与接收正常切换)、连续发射、连续接收、组件待机四种状态。当处于连续波工作模式时，高频组件和电源组件正常工作，变频组件待机，此时高频组件发射通道微波器件和接收通道微波器件处于连续波控制状态，即高频组件工作时，发射通道微波器件和接收通道微波器件电源均接通，因此至少具备正常工作、组件待机两种状态。
57.实施例1
58.如图1所示，包括一个电源组件、一个变频组件和一个高频频组件。电源组件，如图2所示，在脉冲工作模式下，按照预设的工作时序通过可编程逻辑器件输出3.3v的控制信号，然后经ldo稳压电路与电源调制电路处理后，生成不同微波器件的工作调制电压是(sw1～sw6)，使其处于上电或断开状态。其中，sw1信号为单刀双掷开关控制信号，当处于发射状态时，sw1～sw3处于高电平，sw4～sw6处于低电平；当处于接收状态时，sw1～sw3处于低电平，sw4～sw6处于高电平。
59.同时，在设计发射高电平持续时间，考虑100ns以上的收发保护时间，即sw1～sw3高电平持续时间为发射脉冲宽度τt时间和两倍收发保护时间之和、sw4～sw6为低电平持续时间为接收脉冲宽度τr时间。
60.在连续波模式下，通过可编程逻辑器件输出调频连续波芯片压控振荡器部分工作频率控制信号3`b110(3根控制信号线，即vcof[2:0]，采用逻辑电平控制，即0v代表逻辑电平为0、1.8v代表逻辑电平为1)，使其产生连续波信号，同时输出调频连续波芯片、功率放大器和低噪声放大器的控制信号sw7～sw9。当处于工作状态时，sw7～sw9持续高电平；当处于待机状态时，sw7～sw9持续低电平。
[0061]
变频组件，如图3所示，集成一个发射通道和三个接收通道，其中，发射通道与接收通道ⅰ通过一个单刀双掷开关复用一个射频接口。发射通道由温补衰减器、固定衰减器、中频放大器、谐波混频器、带通滤波器、功率放大器、单刀双掷开关组成。接收通道由固定衰减
器、低噪声放大器、数控衰减器、谐波混频器、带通滤波器、中频放大器、温补衰减器、固定衰减器、通道均衡器组成。晶体振荡器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和分频器，不直接参与发射和接收，主要用于产生基准时间信号和本振信号。当处于正常工作状态时，首先，在sw1～sw3高电平持续时间内，利用单刀双掷开关spdt1将发射链路导通；其次，脉冲发射期间，发射中频信号经温补衰减器增益补偿、固定衰减器衰减、中频放大器功放、谐波混频器上变频、带通滤波器滤波、功率放大器功放处理后，进入后级天线部分，经目标反射后，通过相同天线送入接收通道的低噪声放大器；然后，在sw1～sw3低电平持续时间内，利用单刀双掷开关spdt1将接收通道rf_o_1导通，形成三个射频信号接收通道；最后，接收射频信号经固定衰减器衰减、低噪声放大器放大、数控衰减器衰减、谐波混频器下变频、带通滤波器滤波、中频放大器功放、温补衰减器增益补偿、固定衰减器衰减后，送入通道均衡器进行补偿，输出接收中频信号。另外，当处于脉冲发射状态时，sw1～sw3保持高电平不变、sw4～sw6保持低电平不变；当处于脉冲接收状态时，sw1～sw3保持低电平不变、sw4～sw6保持高电平不变。当处于组件待机状态时，sw1～sw6保持低电平不变，变频组件根据调制信号关断发射通道的谐波混频器、功率放大器以及接收通道低噪声放大器、谐波混频器、中频放大器。
[0062]
高频组件，如图4所示，集成一个发射通道和一个接收通道。发射通道由锁相环芯片、调频连续波芯片和功率放大器组成。接收通道由低噪声放大器、固定衰减器、调频连续波芯片、无源高通滤波器、有源运算放大器、无源低通滤波器组成。首先，sw7～sw9持续高电平，调频连续波芯片、功率放大器和低噪声放大器正常工作，调频连续波芯片根据vcof[2:0]进行压控振荡器配置，锁相环芯片根据调频连续波芯片提供的分频信号调整输出的vtune信号(即压控振荡器调谐电压)，以使调频连续波芯片输出中心频率为35.5ghz的连续波信号；其次，发射射频信号由功率放大器功放后输出给发射天线，经目标反射后，通过接收天线送入接收通道的低噪声放大器；然后，接收射频信号经低噪声放大器功放、固定衰减器衰减后送入调频连续波芯片接收端，通过调频连续波芯片内部混频后输出处于高阻抗状态的差频信号；最后，差频信号经过无源高通滤波器、有源运算放大器和无源低通滤波器的滤波、放大、阻抗匹配后，输出50欧姆标准阻抗的零中频信号(即中心频率为零、带宽不为零的基带信号)。当处于组件待机状态时，sw7～sw9持续低电平，高频组件根据调制信号关断调频连续波芯片、功率放大器和低噪声放大器。
[0063]
实施例2
[0064]
本发明提供的一种高集成多功能信道系统及方法，如图1所示，包括一个电源组件、一个变频组件和一个高频频组件。与实施例1不同之处在于电源组件设计和变频组件设计。
[0065]
电源组件，如图5所示，在脉冲工作模式下，按照预设的工作时序通过可编程逻辑器件输出3.3v的控制信号，然后经ldo稳压电路与电源调制电路处理后，生成不同微波器件的工作调制电压是(sw1～sw6、sw10)，使其处于上电或断开状态。其中，sw1信号和sw10信号为单刀双掷开关控制信号，当处于发射状态时，sw1～sw3处于高电平，sw4～sw6和sw10处于低电平；当处于接收状态时，sw1～sw3处于低电平，sw4～sw6处于高电平，此外，当发射帧计数为奇数时，sw10维持低电平，否sw10更新为高电平。同时，在设计发射高电平持续时间，考虑100ns以上的收发保护时间，即sw1～sw3高电平持续时间为发射脉冲宽度τt时间和两倍收发保护时间之和、sw4～sw6低电平持续时间为接收脉冲宽度τr时间、sw10高电平持续时
间为接收脉冲宽度τr时间。在连续波模式下，通过可编程逻辑器件输出调频连续波芯片压控振荡器部分工作频率控制信号3`b110(3根控制信号线，即vcof[2:0]，采用逻辑电平控制，即0v代表逻辑电平为0、1.8v代表逻辑电平为1)，使其产生连续波信号，同时输出调频连续波芯片、功率放大器和低噪声放大器的控制信号sw7～sw9。当处于工作状态时，sw7～sw9持续高电平；当处于待机状态时，sw7～sw9持续低电平。
[0066]
变频组件，如图6所示，集成一个发射通道和一个接收通道，其中，发射通道与接收通道通过一个单刀双掷开关复用一个射频接口。发射通道由温补衰减器、固定衰减器、中频放大器、谐波混频器、带通滤波器、功率放大器、单刀双掷开关组成。接收通道由单刀双掷开关、固定衰减器、低噪声放大器、数控衰减器、谐波混频器、带通滤波器、中频放大器、温补衰减器、固定衰减器、通道均衡器组成。晶体振荡器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和分频器，不直接参与发射和接收，主要用于产生基准时间信号和本振信号。当处于正常工作状态时，首先，在sw1～sw3高电平持续时间内，利用单刀双掷开关spdt1将发射链路导通；其次，脉冲发射期间，发射中频信号经温补衰减器增益补偿、固定衰减器衰减、中频放大器功放、谐波混频器上变频、带通滤波器滤波、功率放大器功放处理后，进入后级天线部分，经目标反射后，通过相同天线送入接收通道的低噪声放大器；然后，在sw1～sw3低电平持续时间内，利用单刀双掷开关spdt1将接收通道rf_o_1导通，奇数帧时利用单刀双掷开关spdt2将接收通道rf_o_2导通，偶数帧时利用单刀双掷开关spdt2将接收通道rf_o_3导通，以分时形成三个射频信号接收通道；最后，接收射频信号经固定衰减器衰减、低噪声放大器放大、数控衰减器衰减、谐波混频器下变频、带通滤波器滤波、中频放大器功放、温补衰减器增益补偿、固定衰减器衰减后，送入通道均衡器进行补偿，输出接收中频信号。另外，当处于脉冲发射状态时，sw1～sw3保持高电平不变、sw4～sw6和sw10保持低电平不变；当处于脉冲接收状态时，sw1～sw3保持低电平不变、sw4～sw6保持高电平不变，当发射帧计数为奇数时，sw10维持低电平，否sw10更新为高电平。当处于组件待机状态时，sw1～sw6和sw10保持低电平不变，变频组件根据调制信号关断发射通道的谐波混频器、功率放大器以及接收通道低噪声放大器、谐波混频器、中频放大器。
[0067]
实施例3
[0068]
本发明提供的一种高集成多功能信道系统及方法，如图1所示，包括一个电源组件、一个变频组件和一个高频频组件。与实施例1不同之处在于电源组件设计和高频组件设计。
[0069]
电源组件，如图2所示，在脉冲工作模式下，按照预设的工作时序通过可编程逻辑器件输出3.3v的控制信号，然后经ldo稳压电路与电源调制电路处理后，生成不同微波器件的工作调制电压是(sw1～sw6)，使其处于上电或断开状态。其中，sw1信号为单刀双掷开关控制信号，当处于发射状态时，sw1～sw3处于高电平，sw4～sw6处于低电平；当处于接收状态时，sw1～sw3处于低电平，sw4～sw6处于高电平。同时，在设计发射高电平持续时间，考虑100ns以上的收发保护时间，即sw1～sw3高电平持续时间为发射脉冲宽度τt时间和两倍收发保护时间之和、sw4～sw6为低电平持续时间为接收脉冲宽度τr时间。在连续波模式下，通过可编程逻辑器件输出调频连续波芯片压控振荡器部分工作频率控制信号3`b110(3根控制信号线，即vcof[2:0]，采用逻辑电平控制，即0v代表逻辑电平为0、1.8v代表逻辑电平为1)和四线spi信号(cs、clk、miso、mosi)，使其产生调频连续波信号，同时输出调频连续波芯
片、功率放大器和低噪声放大器的控制信号sw7～sw9。当处于工作状态时，sw7～sw9持续高电平；当处于待机状态时，sw7～sw9持续低电平。
[0070]
高频组件，如图7所示，集成一个发射通道和一个接收通道。发射通道由可编程逻辑器件、dac芯片、调频连续波芯片和功率放大器组成。接收通道由低噪声放大器、固定衰减器、调频连续波芯片、无源高通滤波器、有源运算放大器、无源低通滤波器组成。首先，sw7～sw9持续高电平，调频连续波芯片、功率放大器和低噪声放大器正常工作，调频连续波芯片根据vcof[2:0]进行压控振荡器配置，dac芯片根据可编程逻辑器件提供的spi控制信号调整输出vtune信号(即压控振荡器调谐电压)，以使调频连续波芯片输出中心频率为35.5ghz的连续波信号；其次，发射射频信号由功率放大器功放后输出给发射天线，经目标反射后，通过接收天线送入接收通道的低噪声放大器；然后，接收射频信号经低噪声放大器功放、固定衰减器衰减后送入调频连续波芯片接收端，通过调频连续波芯片内部混频后输出处于高阻抗状态的差频信号；最后，差频信号经过无源高通滤波器、有源运算放大器和无源低通滤波器的滤波、放大、阻抗匹配后，输出50欧姆标准阻抗的零中频信号(即中心频率为零、带宽不为零的基带信号)。当处于组件待机状态时，sw7～sw9持续低电平，高频组件根据调制信号关断调频连续波芯片、功率放大器和低噪声放大器。