一種用於雲目標探測實驗的Ka波段MIMO收發裝置的製作方法
2024-01-24 07:30:15
本發明涉及毫米波MIMO探測技術領域，特別是一種用於雲目標探測實驗的Ka波段MIMO收發裝置。
背景技術：
毫米波MIMO技術在通信、成像、大氣探測等方面表現出了廣闊的應用前景。其中，在大氣探測領域，尤其是雲目標探測領域，該技術既利用了毫米波探測精度高的優點，又利用了MIMO技術在空間資源利用方面的優勢，可以從多個角度觀測雲目標的結構與特徵，獲取高精度雲內微觀參數。
利用毫米波MIMO技術進行雲目標探測尚屬新的研究領域，需要進行大量的實驗操作，因此研究用於雲目標探測實驗研究的Ka波段MIMO收發裝置具有非常重要的意義。Ka波段MIMO收發裝置主要實現多路Ka波段信號的發送與接收，並把接收信號下變頻為便於處理的中頻信號，整個裝置需要滿足利用MIMO技術進行雲目標探測的實驗要求。
目前，國內現有的Ka波段MIMO收發裝置基本都是用於毫米波MIMO通信技術研究，系統龐大而複雜，如文獻「寬帶毫米波通信接收前端的研究」中的Ka波段MIMO接收前端設計指標與系統結構都針對於5G通信，不適用於雲目標探測的實驗研究。
技術實現要素：
本發明的目的是：提供一種用於雲目標探測實驗的Ka波段MIMO收發裝置，其可以從多個天線通道收發電磁波，並把接收到的回波信號由毫米波信號轉變為中頻信號，便於對回波信號的後續處理，同時可實現全相參體制，以獲取目標探測信號的相位信息。
本發明採取的技術方案具體為：一種用於雲目標探測實驗的Ka波段MIMO收發裝置，包括信號發送模塊和信號接收模塊；
信號發送模塊包括依次連接的上變頻混頻器、Ka波段帶通濾波器和多通道開關選擇輸出單元；上變頻混頻器的輸入端輸入中頻信號和第一本振信號；多通道開關選擇輸出單元包括輸出選擇開關、第一開關驅動單元，和至少2個輸入端分別連接輸出選擇開關輸出端的信號輸出支路；Ka波段帶通濾波器的輸出端連接輸出選擇開關的輸入端，第一開關驅動單元控制輸出選擇開關循環的依次接通各輸出支路；
信號接收模塊包括依次連接的多通道開關選擇輸入單元、低噪聲放大器、下變頻混頻器、低通濾波器和中頻放大器；多通道開關選擇輸入單元包括輸入選擇開關、第二開關驅動單元，和至少2個輸出端分別連接輸入選擇開關輸入端的信號輸入支路，第二開關驅動單元控制輸入選擇開關循環的依次接通各輸入支路；輸入選擇開關的輸出端連接低噪聲放大器的輸入端，下變頻混頻器的輸入端還輸入有第二本振信號，中頻放大器的輸出端輸出中頻信號；
所述第一本振信號與第二本振信號為頻率、振幅和相位皆相同的信號；輸入支路與輸出支路的數量相同。
本發明中，上變頻混頻器用於將基帶信號與本振信號進行混頻，輸出Ka波段的射頻信號，提供給Ka波段帶通濾波器，Ka波段帶通濾波器用於濾除上變頻混頻器輸出端的本振洩露信號、基帶洩露信號以及諧波，保證輸出純淨的Ka波段射頻信號。低噪聲放大器用於放大接收到的信號，同時保證接收端具有低噪聲係數，增強整個接收部分的靈敏度。下變頻混頻器用於將接收信號與本振信號進行混頻，輸出中頻信號。低通濾波器用於濾除下變頻混頻器中頻輸出端的本振洩露信號、射頻洩露信號以及諧波信號，保證中頻輸出信號的純淨。
本發明在應用時，信號發射部分，輸出選擇開關從多個輸出支路中依次選擇一路輸出Ka波段信號，信號接收部分，輸入選擇開關從多個輸入支路中依次選擇一路輸出到低噪聲放大器。
優選的，本發明還包括功率分配器，功率分配器的輸入端輸入本振信號源，第一本振信號和第二本振信號為本振信號源經功率分配器進行功率分配後輸出的兩路相同的本振信號。
進一步的，本發明信號發送模塊中還包括功率放大器，功率放大器的輸入端連接Ka波段帶通濾波器的輸出端，輸出端連接輸出選擇開關的輸入端。功率放大器可用於放大帶發射信號的功率。
優選的，本發明中，第一開關驅動單元控制輸入選擇開關以時分方式循環的依次接通各輸出支路；第二開關驅動單元控制輸入選擇開關以時分方式循環的依次接通各輸入支路。時分方式可保證多通道輸入輸出的同時有效性，保證MIMO形式的實現，提高信號收發處理的效率。
更進一步的，本發明還包括用於提供裝置工作電壓的電源模塊。各單元分別連接電源以維持工作。
優選的，本發明輸入選擇開關和輸出選擇開關皆為單刀四擲開關，輸入支路和輸出支路皆為4個。輸入選擇開關和輸出選擇開關可選用現有的電子開關，相應的開關驅動單元亦可採用現有產品，開關驅動單元的控制方式可採用TTL信號控制，輸出正負10mA電流，作為發射與接收部分中單刀四擲開關的驅動電流，控制開關的通斷，以及不同輸入或輸出支路的接通。
進一步的，本發明還包括金屬腔殼，金屬腔殼中分隔有至少5個腔室，低噪聲放大器、下變頻混頻器、上變頻混頻器、Ka波段帶通濾波器和輸入選擇開關位於第一腔室中，低通濾波器和中頻放大器位於第二腔室中，第二開關驅動模塊位於第三腔室中，第一開關驅動模塊位於第四腔室中，選擇輸出開關位於第五腔室中。可避免開關驅動部分、中頻輸出部分以及射頻電路之間的幹擾。功率分配器也與射頻電路部分同位於第一腔室中。以上電路部分的分隔可方便調整發射天線與接收天線的距離，並方便根據需要增加其他器件對發射射頻信號進行處理，如增加功率放大器用於放大發射功率。
優選的，上述金屬腔殼為2個，第一腔室、第二腔室、第三腔室位於第一金屬腔殼內，第四腔室和第五腔室位於第二金屬腔殼內。第一金屬腔殼上設有用於連接第二選擇輸入開關的信號接收埠、用於連接功率分配器的本振輸入埠、用於連接信號分析處理設備的中頻輸出埠、用於連接輸出選擇開關的射頻輸出埠，和中頻信號輸入埠。第二金屬腔殼上設有用於連接前述射頻輸出埠的射頻輸入埠，和信號發送埠。這種設置方式將射頻輸出部分與其它部分電路進行了分離，通過在腔殼上設置埠進行信號之間的傳輸。金屬腔殼內的腔室分隔可為中部橫向分隔後根據需要再縱向分隔。優選的，第一腔室位於金屬腔殼的前部，第二腔室和第三腔室位於金屬腔殼的背部；第四腔室和第五腔室分別位於第二金屬腔殼的前部和背部。由於將射頻發射部分與其它部分進行了分離，故本發明電源也需要設置兩個，發射部分的第一開關驅動單元和相應的電源位於同一腔室中，接收部分的第二開關驅動單元和電源位於同一腔室中。
有益效果
1）本發明利用射頻開關選擇輸入輸出信號，考慮到雲目標變化緩慢，通過時分方式實現多輸入多輸出（MIMO），相比實現MIMO形式的多通道接收與發射系統，該裝置結構簡單，成本較低，適用於雲目標的實驗室觀測研究；
2）本發明採取全相參工作方式，發射與接收部分利用相同的本振信號，可以有效獲得相位信息；同時，該裝置把發射部分的開關選擇輸出模塊分離，利於隨意調整發射與接收的位置與相對距離，利於更好地發揮MIMO形式的優勢。
附圖說明
圖1所示為本發明原理結構示意圖；
圖2所示為本發明第一金屬腔殼的第一腔室結構示意圖；
圖3所示為本發明第一金屬腔殼的第二腔室結構示意圖；
圖4-1和圖4-2所示分別為本發明第二金屬腔殼的前部和背部結構示意圖；
圖5所示為本發明Ka波段帶通濾波器示意圖；
圖6所示為本發明CMRC低通濾波器示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例進一步描述。
參考圖1所示，本發明用於雲目標探測實驗的Ka波段MIMO收發裝置，包括信號發送模塊和信號接收模塊；
信號發送模塊包括依次連接的上變頻混頻器Mixer1、Ka波段帶通濾波器BPF和多通道開關選擇輸出單元2；上變頻混頻器Mixer1的輸入端輸入中頻信號IF_IN和第一本振信號LO1；多通道開關選擇輸出單元2包括輸出選擇開關、第一開關驅動單元，和至少2個輸入端分別連接輸出選擇開關輸出端的信號輸出支路；Ka波段帶通濾波器BPF的輸出端連接輸出選擇開關的輸入端，第一開關驅動單元控制輸出選擇開關循環的依次接通各輸出支路；
信號接收模塊包括依次連接的多通道開關選擇輸入單元、低噪聲放大器LNA、下變頻混頻器Mixer2、低通濾波器LPF和中頻放大器IFA；多通道開關選擇輸入單元包括輸入選擇開關、第二開關驅動單元，和至少2個輸出端分別連接輸入選擇開關輸入端的信號輸入支路，第二開關驅動單元控制輸入選擇開關循環的依次接通各輸入支路；輸入選擇開關的輸出端連接低噪聲放大器LNA的輸入端，下變頻混頻器Mixer2的輸入端還輸入有第二本振信號LO2，中頻放大器IFA的輸出端輸出中頻信號IF_OUT；
所述第一本振信號LO1與第二本振信號LO2為頻率、振幅和相位皆相同的信號；輸入支路與輸出支路的數量相同。
實施例1
本實施例還包括功率分配器，功率分配器的輸入端輸入本振信號源LO，第一本振信號LO1和第二本振信號LO2為本振信號源LO經功率分配器進行功率分配後輸出的兩路相同的本振信號。
信號發送模塊中還包括功率放大器，功率放大器的輸入端連接Ka波段帶通濾波器的輸出端，輸出端連接輸出選擇開關的輸入端。功率放大器可用於放大帶發射信號的功率。
第一開關驅動單元控制輸入選擇開關以時分方式循環的依次接通各輸出支路；第二開關驅動單元控制輸入選擇開關以時分方式循環的依次接通各輸入支路。時分方式可保證多通道輸入輸出的同時有效性，保證MIMO形式的實現，提高信號收發處理的效率。
本實施例還包括用於提供裝置工作電壓的電源模塊。各單元分別連接電源以維持工作。
本實施例中輸入選擇開關和輸出選擇開關皆為單刀四擲開關，輸入支路和輸出支路皆為4個，其中輸入支路埠分別對應接收信號Re_Sign1、Re_Sign2、Re_Sign3和Re_Sign4，輸出支路埠分別對應發送信號Tr_Sign1、Tr_Sign2、Tr_Sign3和Tr_Sign4。輸入選擇開關和輸出選擇開關可選用現有的電子開關，相應的開關驅動單元亦可採用現有產品，開關驅動單元的控制方式可採用TTL信號控制，輸出正負10mA電流，作為發射與接收部分中單刀四擲開關的驅動電流，控制開關的通斷，以及不同輸入或輸出支路的接通。
在應用時，中頻輸入信號從接口IF_IN輸入，與本振LO1通過上變頻混頻器輸出射頻信號RF_Sign，再通過Ka波段帶通濾波器濾除諧波與本振洩露，輸出較為純淨的35GHz射頻信號，該信號從接口RF_OUT輸出。
四路接收信號從接口Re_Sign1、Re_Sign2、Re_Sign3、Re_Sign4輸入，通過開關選擇輸出模塊選擇一路接收信號到低噪聲放大器，放大後的信號與本振LO2經過下變頻混頻器混頻，再經過低通濾波器、中頻放大器，輸出中頻信號到接口IF_OUT。本振LO1與本振LO2由外部接口LO_IN輸入的本振信號LO經過功率分配器均分所得，兩者幅值與相位保持相同。
35GHz射頻信號由RF_IN接口輸入，經過單刀四擲開關按時分方式依次選擇輸出給四路輸出接口Tr_Sign1、Tr_Sign2、Tr_Sign3、Tr_Sign4。
實施例2
參考圖1至圖4所示，本實施例裝置結構上分為收發裝置主體1和射頻發送部分2兩個部分，分別置於兩個分立的金屬腔殼中。射頻發送部分2包括多通道開關選擇輸出單元，及為其供電的電源模塊。裝置分為兩個部分的目的是便於實際中調整發射天線與接收天線的相對位置與距離，同時便於外加功率放大器增大發射功率。
收發裝置主體1和射頻發送部分2兩個部分都分別包含電源模塊。為了減少外界電磁幹擾以及增加系統的穩定性，兩部分分別置於兩個金屬腔殼中，為了減少模塊之間的相互幹擾，本實施例對兩個金屬腔殼進行了分腔處理。
參考圖2至圖4，兩個金屬腔殼中分隔有共5個腔室，第一腔室、第二腔室、第三腔室位於第一金屬腔殼內，第四腔室和第五腔室位於第二金屬腔殼內。第一腔室位於金屬腔殼的前部，第二腔室和第三腔室位於金屬腔殼的背部；第四腔室和第五腔室分別位於第二金屬腔殼的前部和背部。低噪聲放大器12、下變頻混頻器13、上變頻混頻器15、ka波段帶通濾波器16和輸入選擇開關11位於第一腔室中，低通濾波器20和中頻放大器21位於第二腔室中，第二開關驅動模塊18位於第三腔室中，第一開關驅動模塊位於第四腔室中，選擇輸出開關位於第五腔室中。可避免開關驅動部分、中頻輸出部分以及射頻電路之間的幹擾。功率分配器也與射頻電路部分同位於第一腔室中。
如圖2和圖3所示，第一金屬腔殼上設有用於連接第二選擇輸入開關的信號接收埠3（4、5、6）、用於連接功率分配器的本振輸入埠9、用於連接信號分析處理設備的中頻輸出埠22、用於連接輸出選擇開關的射頻輸出埠7，和中頻信號輸入埠8。第二金屬腔殼上設有用於連接前述射頻輸出埠的射頻輸入埠和信號發送埠。這種設置方式將射頻輸出部分與其它部分電路進行了分離，通過在腔殼上設置埠進行信號之間的傳輸。金屬腔殼內的腔室分隔可為中部橫向分隔後根據需要再縱向分隔。由於將射頻發射部分與其它部分進行了分離，故本發明電源也需要設置兩個，發射部分的第一開關驅動單元和相應的電源位於同一腔室中，接收部分的第二開關驅動單元18和電源19位於同一腔室中。第一金屬腔殼上還設有九針串口17。
本裝置中，所有的信號輸入輸出埠接頭選擇2.92mm接頭，這種接頭上限使用頻率高達40GHz，其中，接頭3-6之間相鄰間距為15mm，該距離可以減小天線間的相互耦合。開關選擇輸入與選擇輸出模塊中的射頻開關選擇MA4AGSW4，該開關的通斷由偏置網絡提供的驅動電流控制，通路的驅動電流為-10mA，斷路的驅動電流為+10mA。低噪聲放大器選擇HMC1040LP3CE，在35GHz時增益為23dB，噪聲係數為2.2dB。上變頻與下變頻混頻器都選擇AMMP6545，該器件同時具有上變頻與下變頻功能，內部含有本振信號倍頻器，變頻損耗約為13dB。功率分配器選擇威爾金森功分器，由於混頻器內部含有本振倍頻器，該功率分配器的中心頻率為17.35GHz。
本實施例中射頻電路基板即第一腔室各電路所在基板，選用Roger RT5880，厚度0.254mm。為降低系統損耗，選擇接地共面波導(CPWG)作為Ka波段信號傳輸線結構。
本實施例中，中頻放大器選擇HMC741,增益約為20dB,採用單電源供電。中頻信號由下變頻混頻器的中頻輸出端通過細同軸線穿過金屬腔，連接到低通濾波器的輸入端。
如圖5所示，為Ka波段窄帶帶通濾波器示意圖，該濾波器採用基片集成波導雙模圓腔與橢圓腔級聯的結構，中心頻率35GHz，帶寬1GHz，帶內插損約為3.5dB，帶外34.4GHz與35.6GHz處的帶外抑制大於20dB。
如圖6所示為CMRC低通濾波器示意圖，該濾波器具有阻帶寬的優點，可以很好地抑制洩露的Ka波段射頻信號、本振信號以及下變頻混頻器輸出的諧波，保證中頻輸出的純淨。
本實施例中開關驅動模選擇驅動晶片BHD-P3514，該晶片為兩路驅動器，通過TTL信號控制可輸出±10mA的開關驅動電流，TTL控制信號通過九針串口輸入。
本實施例中電源模塊利用低噪聲低壓降線性穩壓器LT1965、電壓反轉晶片ADM8660以及低噪聲低壓降線性穩壓器LT1964，可提供+2.5V、+5V與-5V的輸出電壓，分別為低噪聲放大器、開關驅動以及中頻放大器供電。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護範圍。