本發(fā)明涉及一種小型化Ka頻段單通道調(diào)制器，廣泛應(yīng)用于Ka頻段單通道單脈沖跟蹤系統(tǒng)中。

背景技術(shù)：

單通道調(diào)制器是單通道單脈沖跟蹤系統(tǒng)的重要部件，其主要功能是用低頻信號對天線傳來的差信號進行相位調(diào)制，再與和信號進行合成，形成包含有天線指向誤差信息的單通道調(diào)幅信號。該信號經(jīng)過下變頻后，在跟蹤接收機中只需要進行包絡(luò)檢波，即可得到與天線指向相關(guān)的誤差電壓。

以前的單通道調(diào)制器采用耦合器實現(xiàn)和、差信號的合成，多了一個無用的隔離端口，使用時隔離端口通常需要外接50Ω匹配負(fù)載，這樣在實際使用中增加了器件，也增加了尺寸和重量；以前的單通道調(diào)制器輸入、輸出端口采用O-Ribbon同軸微帶轉(zhuǎn)接形式，端口駐波差，同時無法與波導(dǎo)饋線直接連接，需要額外增加波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器；以前的單通道調(diào)制器需要鍵合金帶進行指標(biāo)調(diào)試，調(diào)試工作量大，指標(biāo)一致性差，不適合批量化生產(chǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種小型化Ka頻段單通道調(diào)制器，實現(xiàn)了與波導(dǎo)饋線無縫連接，改善了端口的駐波特性，實現(xiàn)了小型化、輕量化，便于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種小型化Ka頻段單通道調(diào)制器，包括第一波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊、第二波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊、Ka頻段0/π調(diào)制器、Ka頻段微帶合路器和鋁制殼體，所述第一波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊、第二波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊、Ka頻段0/π調(diào)制器和Ka頻段微帶合路器封裝在鋁制殼體中；

第一波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊：將天線傳來的Ka頻段差信號由矩形波導(dǎo)的TE₁₀模轉(zhuǎn)換為微帶線的準(zhǔn)TEM模，并輸出給Ka頻段0/π調(diào)制器；

第二波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊：將天線傳來的Ka頻段和信號由矩形波導(dǎo)的TE₁₀模轉(zhuǎn)換為微帶線的準(zhǔn)TEM模，輸出給Ka頻段微帶合路器；

Ka頻段0/π調(diào)制器：將Ka頻段差信號在兩段電長度相差180°的微帶線上交替?zhèn)鬏?，實現(xiàn)差信號的相位調(diào)制，并將調(diào)制后的Ka頻段差信號輸出給Ka頻段微帶合路器；

Ka頻段微帶合路器：完成Ka頻段和、差兩路信號的合并，實現(xiàn)Ka頻段和、差信號的單通道傳輸。

所述Ka頻段0/π調(diào)制器包括0°微帶傳輸線、180°微帶傳輸線、單刀雙擲開關(guān)芯片S1、單刀雙擲開關(guān)芯片S2、電容C1、電容C6、第一偏置電路、第二偏置電路、第一調(diào)制控制電路以及第二調(diào)制控制電路；

單刀雙擲開關(guān)芯片S1的動端通過電容C1與第一波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊輸出的Ka頻段差信號連接，單刀雙擲開關(guān)芯片S1的一個不動端通過0°微帶傳輸線與單刀雙擲開關(guān)芯片S2的一個不動端連接，單刀雙擲開關(guān)芯片S1的另一個不動端通過180°微帶傳輸線與單刀雙擲開關(guān)芯片S2的另一個不動端連接；單刀雙擲開關(guān)芯片S2的動端與電容C6的一端連接，電容C6的另一端用于輸出相位調(diào)整后的Ka頻段差信號；

單刀雙擲開關(guān)芯片S1的動端連接有第一偏置電路，單刀雙擲開關(guān)芯片S2的動端連接有第二偏置電路，180°微帶傳輸線通過第一調(diào)制控制電路與外部電源Vcc連接，0°微帶傳輸線通過第二調(diào)制控制電路與外部電源Vee連接，Vcc和Vee為等幅反向的方波信號；

所述第一偏置電路包括電阻R1、電容C2和電感L1，電感L1的一端與單刀雙擲開關(guān)芯片S1的動端連接，電感L1的另一端同時與電阻R1的一端以及電容C2的一端連接，電阻R1的另一端以及電容C2的另一端均接地；

第二偏置電路包括電阻R4、電容C5以及電感L4，電感L4的一端與單刀雙擲開關(guān)芯片S2的動端連接，電感L4的另一端同時與電阻R4的一端以及電容C5的一端連接，電阻R4的另一端以及電容C5的另一端均接地；

第一調(diào)制控制電路包括電阻R3、電容C4以及電感L3，電感L3的一端與180°微帶傳輸線連接，電感L3的另一端同時與電容C4的一端以及電阻R3的一端連接，電容C4的另一端接地，電阻R3的另一端連接外部電源Vcc；

第二調(diào)制控制電路包括電容C3、電阻R2以及電感L2，電感L2的一端與0°微帶傳輸線連接，電感L2的另一端同時與電容C3的一端以及電阻R2的一端連接，電容C3的另一端接地，電阻R2的另一端連接外部電源Vee。

所述第一波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊和第二波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu)相同，均包括金屬殼體、金屬圓柱體、玻珠以及微帶線；金屬殼體內(nèi)部形成波導(dǎo)腔體，頂部開有通孔，玻珠由銅針、套在銅針外圍的玻璃介質(zhì)以及套在玻璃介質(zhì)外圍的導(dǎo)體組成，所述銅針、玻璃介質(zhì)以及導(dǎo)體同軸，玻璃介質(zhì)和導(dǎo)體的高度與金屬殼體的頂部通孔深度相同；

玻珠銅針一端焊接有一個金屬圓柱體，玻珠穿過金屬殼體頂部通孔，所述金屬圓柱體插入波導(dǎo)腔體寬邊中心位置，玻璃介質(zhì)和導(dǎo)體位于金屬殼體中，且玻珠的導(dǎo)體和金屬殼體焊接連接；微帶線位于金屬殼體外壁上，玻珠銅針另一端穿過微帶線，且與微帶線焊接連接。

所述Ka頻段微帶合路器中分支線的長度L＝λ_g/4，λ_g為與Ka頻段和信號或差信號頻率相對應(yīng)的導(dǎo)波波長；分支線寬度W的計算公式如下：

其中h為分支線介質(zhì)基板的厚度；ε_r為分支線介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)；Z_f為自由空間波阻抗；Z₁為分支線的特征阻抗，μ₀為自由空間的磁導(dǎo)率，ε₀為自由空間的介電常數(shù)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明小型化Ka頻段單通道調(diào)制器通過引入波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)了與波導(dǎo)饋線無縫連接，而不需要額外增加波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器，同時不再需要同軸微帶轉(zhuǎn)接，改善了端口的駐波特性。

(2)本發(fā)明小型化Ka頻段單通道調(diào)制器通過引入Ka頻段微帶合路器替代耦合器來實現(xiàn)和、差信號的合成，從而減少了一個隔離端口；同時采用一體化集成設(shè)計、結(jié)構(gòu)立體化布局、殼體采用輕質(zhì)的鋁材使得產(chǎn)品實現(xiàn)了小型化、輕量化。

(3)本發(fā)明小型化Ka頻段單通道調(diào)制器通過在Ka頻段0/π調(diào)制器輸入、輸出端口以及移相微帶路徑上引入并聯(lián)短截線進行調(diào)節(jié)，使得調(diào)制幅度、相位誤差以及電路插損達到最優(yōu)化，從而實現(xiàn)高載波抑制和高調(diào)制抑制。

(4)本發(fā)明小型化Ka頻段單通道調(diào)制器由于各個組成器件級聯(lián)優(yōu)化設(shè)計，使得產(chǎn)品調(diào)試工作量小，指標(biāo)一致性良好，便于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明小型化Ka頻段單通道調(diào)制器組成框圖；

圖2為本發(fā)明波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊示意圖；

圖3為本發(fā)明波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模型及其仿真結(jié)果，其中(a)為波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模型，(b)為仿真結(jié)果；

圖4為本發(fā)明Ka頻段0/π調(diào)制器電路圖；

圖5為本發(fā)明Ka頻段微帶合路器原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

本發(fā)明小型化Ka頻段單通道調(diào)制器采用MIC微組裝工藝實現(xiàn)，如圖1所示，包括第一波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊、第二波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊、Ka頻段0/π調(diào)制器、Ka頻段微帶合路器和鋁制殼體。第一波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊、第二波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊、Ka頻段0/π調(diào)制器和Ka頻段微帶合路器采用一體化設(shè)計方法集成在基板上，基板的參數(shù)可以選擇厚度為0.254mm，相對介電常數(shù)ε_r為2.2的Rogers5880基板?；宸庋b在鋁制殼體中。

天線傳來的Ka頻段和、差信號輸入端口形式為BJ260波導(dǎo)口，第一波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊將天線傳來的Ka頻段差信號由矩形波導(dǎo)的TE₁₀模轉(zhuǎn)換為微帶線的準(zhǔn)TEM模，并輸出給Ka頻段0/π調(diào)制器輸入端口，第二波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊將天線傳來的Ka頻段和信號由矩形波導(dǎo)的TE₁₀模轉(zhuǎn)換為微帶線的準(zhǔn)TEM模，輸出給Ka頻段微帶合路器的一個輸入端口。

第一波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊和第二波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊起到電磁波模式變換的作用，均采用同軸探針寬邊耦合的形式。如圖2所示，第一波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊和第二波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊均包括金屬殼體1、金屬圓柱體2、玻珠3以及微帶線4，微帶線4可以采用線寬為0.76mm的標(biāo)準(zhǔn)50Ω微帶線。金屬殼體1內(nèi)部形成波導(dǎo)腔體，頂部開有通孔，玻珠3由銅針、套在銅針外圍的玻璃介質(zhì)以及套在玻璃介質(zhì)外圍的導(dǎo)體組成，玻璃介質(zhì)和導(dǎo)體的高度與金屬殼體1的頂部通孔深度相同。

玻珠3銅針一端焊接有一個金屬圓柱體2，玻珠3穿過金屬殼體1頂部通孔，金屬圓柱體2插入波導(dǎo)腔體寬邊中心位置，玻璃介質(zhì)和導(dǎo)體位于金屬殼體1中，且玻珠3的導(dǎo)體和金屬殼體1焊接連接，微帶線4位于金屬殼體1外壁上，玻珠3銅針另一端穿過微帶線4，且與微帶線4焊接連接，實現(xiàn)波導(dǎo)-微帶的氣密轉(zhuǎn)換過渡。

金屬殼體1內(nèi)部的波導(dǎo)腔體、玻珠3玻璃介質(zhì)上端面以下部分以及金屬圓柱體2構(gòu)成了波導(dǎo)同軸過渡結(jié)構(gòu)；玻珠3玻璃介質(zhì)下端面以上部分以及微帶線構(gòu)成了同軸微帶過渡結(jié)構(gòu)；玻璃介質(zhì)、被玻璃介質(zhì)包裹的銅針以及套在玻璃介質(zhì)外圍的導(dǎo)體構(gòu)成了同軸線。波導(dǎo)同軸過渡結(jié)構(gòu)將傳輸線從波導(dǎo)轉(zhuǎn)換成同軸線，再通過同軸微帶過渡結(jié)構(gòu)完成和、差信號電磁波模式變換。波導(dǎo)同軸過渡結(jié)構(gòu)采用了同軸探針型過渡結(jié)構(gòu)，銅針插入波導(dǎo)腔體的部分以及金屬圓柱體2構(gòu)成同軸探針，本發(fā)明通過銅針一端焊接有一個金屬圓柱體加大了探針在波導(dǎo)腔內(nèi)的尺寸，減弱了波導(dǎo)的高阻特性，以減小阻抗對頻率變化的敏感性，從而展寬了過渡結(jié)構(gòu)的頻帶寬。同軸微帶過渡結(jié)構(gòu)是將同軸探針從微帶底面穿入直到微帶線正面?zhèn)鬏斁€。為了減小過渡結(jié)構(gòu)的插損，必須避免同軸線中出現(xiàn)高次模，使同軸線中只有TEM模傳輸。通過建模仿真優(yōu)化，確定同軸探針的最佳位置為：同軸探針中心距波導(dǎo)腔體短路面的距離為2.5mm。波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模型及其仿真結(jié)果如圖3所示。其中(a)為波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模型，(b)為仿真結(jié)果，其中m1、m2、m3為插損曲線，m4、m5、m6為駐波系數(shù)曲線，由圖3可知該波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊的駐波特性良好，插入損耗小。

Ka頻段0/π調(diào)制器將Ka頻段差信號在兩段電長度相差180°的微帶線上交替?zhèn)鬏?，實現(xiàn)差信號的相位調(diào)制，并將調(diào)制后的Ka頻段差信號輸出給Ka頻段微帶合路器的另一個輸入端口。

Ka頻段0/π調(diào)制器的基準(zhǔn)態(tài)與移相態(tài)為微帶傳輸線。基準(zhǔn)態(tài)與移相態(tài)的微帶線設(shè)計是較為復(fù)雜的，首先，根據(jù)模塊尺寸要求設(shè)計出電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；然后使用高頻仿真軟件HFSS優(yōu)化仿真得出合理的拓?fù)湓?shù)值，使其電性能能夠容許生產(chǎn)產(chǎn)品不一致性和環(huán)境溫度變化所造成的電路參數(shù)變化。選用兩個微波裸芯片單刀雙擲開關(guān)與基準(zhǔn)態(tài)、移相態(tài)的微帶線金絲鍵合，低頻調(diào)制信號施加到“Vcc”和“Vee”端，實現(xiàn)0/π調(diào)制。

如圖4所示，Ka頻段0/π調(diào)制器具體電路包括0°微帶傳輸線(基準(zhǔn)態(tài)微帶線)、180°微帶傳輸線(移相態(tài)微帶線)、單刀雙擲開關(guān)芯片S1、單刀雙擲開關(guān)芯片S2、電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、電容C5、電容C6、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電感L1、電感L2、電感L3和電感L4。L1、L2、L3和L4均為金屬繞線電感。

單刀雙擲開關(guān)芯片S1的動端同時與電感L1的一端以及電容C1的一端連接，電容C1的另一端與第一波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊輸出的Ka頻段差信號連接，電感L1的另一端同時與電阻R1的一端以及電容C2的一端連接，電阻R1的另一端以及電容C2的另一端均接地；單刀雙擲開關(guān)芯片S1的一個不動端通過0°微帶傳輸線與單刀雙擲開關(guān)芯片S2的一個不動端連接，單刀雙擲開關(guān)芯片S1的另一個不動端通過180°微帶傳輸線與單刀雙擲開關(guān)芯片S2的另一個不動端連接；單刀雙擲開關(guān)芯片S2的動端同時與電感L4的一端以及電容C6的一端連接，電容C6的另一端用于輸出相位調(diào)整后的Ka頻段差信號，電感L4的另一端同時與電阻R4的一端以及電容C5的一端連接，電阻R4的另一端以及電容C5的另一端均接地；0°微帶傳輸線與電感L2的一端連接，電感L2的另一端同時與電容C3的一端以及電阻R2的一端連接，電容C3的另一端接地，電阻R2的另一端連接低頻調(diào)制信號Vee；180°微帶傳輸線與電感L3的一端連接，電感L3的另一端同時與電容C4的一端以及電阻R3的一端連接，電容C4的另一端接地，電阻R3的另一端連接低頻調(diào)制信號Vcc。Vcc和Vee為等幅反向的方波電壓信號，為±3.5V，電流約為10mA。S1和S2切換頻率由低頻調(diào)制信號頻率決定。

0/π調(diào)制器正常工作時，Vcc為負(fù)，Vee為正時，開關(guān)S1、S2選通上支路，信號從180°微帶傳輸線通過；反之，Vcc為正，Vee為負(fù)時，開關(guān)S1、S2選通下支路，信號從0°微帶傳輸線通過。兩路信號產(chǎn)生調(diào)制相位差，達到0/π二相調(diào)制。單刀雙擲開關(guān)選用微波裸芯片，它在Ka頻段的插損為0.7dB，隔離度大于40dB。繞線電感的參數(shù)可調(diào)，當(dāng)電感線圈間距變小時，電感量變大，電感自諧振頻率會降低，調(diào)制器插損變小；當(dāng)自諧振頻率降低到接近電路工作頻率時，調(diào)制器插損將嚴(yán)重惡化。通過在開關(guān)芯片S1輸入端口、開關(guān)芯片S2輸出端口以及0°、180°微帶傳輸線上引入并聯(lián)短截線進行調(diào)節(jié)，使得調(diào)制幅度、相位誤差以及電路插損達到最優(yōu)化，從而使得差信號載波抑制優(yōu)于30dBc，和信號調(diào)制抑制優(yōu)于55dBc。

Ka頻段微帶合路器完成Ka頻段和、差兩路信號的合并，實現(xiàn)Ka頻段和、差信號的單通道傳輸。

Ka頻段微帶合路器采用經(jīng)典的威爾金森合路器形式，如圖5所示，P1、P2分別為兩個輸入端口，P0為輸出端口。Z0為輸入輸出端口微帶線的特征阻抗，為50Ω；Z1為輸入輸出端口間分支線的特征阻抗，分支線的長度L＝λ_g/4，λ_g為與Ka頻段和信號或差信號頻率相對應(yīng)的導(dǎo)波波長。分支線寬度W的計算公式如公式(1)所示。R為隔離電阻，R＝2*Z0，用于提高和、差通道隔離度。

其中h為分支線介質(zhì)基板的厚度；ε_r為分支線介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)；Z_f為自由空間波阻抗；Z1為分支線的特征阻抗，為70.7Ω。μ₀為自由空間的磁導(dǎo)率，ε₀為自由空間的介電常數(shù)。

本發(fā)明設(shè)計的波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊具有工作頻帶寬、插損小、駐波好、結(jié)構(gòu)簡單易于加工裝配、指標(biāo)一致性好且氣密性良好，可以對微帶電路里的芯片起到良好的保護作用。波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換插入損耗小，駐波系數(shù)好，同時方便機械加工及裝配。本發(fā)明可以通過第一波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊、第二波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模塊、Ka頻段0/π調(diào)制器、Ka頻段微帶合路器的一體化集成設(shè)計、立體化布局以及采用輕質(zhì)鋁制殼體使得產(chǎn)品實現(xiàn)小型化、輕量化。通過引入Ka頻段微帶合路器替代耦合器來實現(xiàn)和、差信號的合成，從而減少了一個隔離端口，不再需要外接50Ω匹配負(fù)載，進一步減小了尺寸和重量。同時，由于各個組成器件級聯(lián)優(yōu)化設(shè)計，使得產(chǎn)品調(diào)試工作量小，指標(biāo)一致性良好，便于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

本發(fā)明小型化Ka頻段單通道調(diào)制器，具有高載波抑制、高調(diào)制抑制、良好的端口駐波比、體積小、重量輕、適應(yīng)批量化生產(chǎn)等特點，廣泛應(yīng)用于Ka頻段單通道單脈沖跟蹤系統(tǒng)中。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。