一种信号分配网络的制作方法

1.本实用新型属于电子开关类微波组件技术领域，尤其涉及一种信号分配网络。


背景技术：

2.随着技术发展，在近几年新型多通道雷达系统设计中，所需求的独立变频链路由2路扩展为4路，因此需要提供4路可同频、可异频的变频本振信号lo1、lo2、lo3、lo4；同时新型雷达的工作频率进行了扩展，要求lo1、lo2、lo3、lo4信号工作频率最高达到ka波段。


技术实现要素：

3.鉴于上述的分析，本实用新型旨在提供一种信号分配网络，用于解决以下技术问题：现有的多通道收发微波链路结构中的微波开关矩阵中存在数量众多的交叉支路，导致印制板层数过多，在实际工程中不具备可实现性。
4.本实用新型的目的主要是通过以下技术方案实现的：
5.本实用新型提供了一种信号分配网络，信号分配网络包括微波开关矩阵，微波开关矩阵为2
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4微波开关矩阵，2
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4微波开关矩阵以功分器输出端口为分界分割为第一部分和第二部分，第一部分由相互独立的第一1 分4功分模块和第二1分4功分模块组成，第一1分4功分模块和第二1 分4功分模块的电路板面均水平摆放；第一1分4功分模块包括3个二功分器并形成4路输出；第二1分4功分模块包括3个二功分器并形成4 路输出；第一1分4功分模块的4路输出与第二1分4功分模块的4路输出一一对应设置，构成4组2路输出；第二部分由4只独立的2选1 开关模块构成，4只独立的2选1开关模块通过射频连接器分别与4组2 路输出的输出端口相连接，4只独立的2选1开关模块的电路板面均垂直摆放。
6.进一步的，信号分配网络还包括第一跳频源和第二跳频源，第一跳频源与第二跳频源相互独立。
7.进一步的，第一1分4功分模块与第一跳频源对应设置，第二1分4 功分模块与第二跳频源对应设置。
8.进一步的，第一1分4功分模块、第二1分4功分模块以及4只独立的2选1开关模块均采用独立的结构盒体进行屏蔽。
9.进一步的，第一1分4功分模块与第二1分4功分模块的电路均采用两级二叉树式1分2等功分电路级联的方式。
10.进一步的，4只2选1开关模块均采用对称式电路设计。
11.进一步的，2选1开关模块包括2只单刀单掷开关和一只单刀双掷开关，2只单刀单掷开关并联后与单刀双掷开关串联，2只单刀单掷开关与一组2路输出相配合。
12.进一步的，二功分器、单刀单掷开关和单刀双掷开关的工作频率均在ka波段。
13.进一步的，射频连接器为ssmp型微型射频连接器。
14.进一步的，ssmp型微型射频连接器的工作频率为50ghz。
15.与现有技术相比，本实用新型至少可实现如下有益效果之一：
16.a)本实用新型的信号分配网络采用2
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4维微波开关矩阵，2
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4维微波开关矩阵以功分器输出端口为分界分割为第一部分和第二部分，第一部分由相互独立的第一1分4功分模块和第二1分4功分模块组成，第一1分4功分模块和第二1分4功分模块的电路板面均水平摆放，构成4 组2路输出；第二部分由4只独立的2选1开关模块构成，4只独立的2 选1开关模块通过射频连接器分别与4组2路输出的输出端口相连接，4 只独立的2选1开关模块的电路板面均垂直摆放。通过模块拆分、上述2 维立体式电路结构布局的方式，规避了交叉支路的产生，进而克服了交叉支路存在所导致的技术问题。
17.b)本实用新型的信号分配网络包括两个独立的跳频源，在跳频源数量不增加的情况下，通过该微波开关矩阵能够输出4路可同频、可异频的变频本振信号lo1、lo2、lo3、lo4。
18.c)本实用新型的信号分配网络的2
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4开关矩阵模块具备的各信号支路电长度严格等长的特性能够保证lo1、lo2、lo3、lo4选通不同跳频源时的信号相位一致性。
19.d)本实用新型的信号分配网络在跳频源数量不增加的情况下，其2
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4 微波开关矩阵可工作到ka波段，且在同频模式下，输出lo1、lo2、 lo3、lo4满足相位一致性要求(输出各端口信号在高低温下具备良好的相位一致性)，异频模式下满足60db通道隔离度要求；此外，利用类似结构拓扑，理论上具备任何m
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n维开关矩阵功能扩展能力。
20.本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
21.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
22.图1为2路变频本振信号生成示意图；
23.图2为2
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2微波开关矩阵电路结构框图(平面布局)；
24.图3为本实用新型的4路变频本振信号生成示意图；
25.图4为本实用新型的2
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4微波开关矩阵电路结构框图；
26.图5为本实用新型的二叉树式1分4等功分器电路结构框图。
27.附图标记：
28.1-第一跳频源，2-第二跳频源。
具体实施方式
29.下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本实用新型的一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理。为增进对本实用新型的了解，在以下优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说，没有这些细节的描述也可以完全理解本实用新型。本实用新型实施例各器件型号除做特殊说明的以外不做其他限制，只要能完成相应功能的器件均可。另外，为了避免对本实用新型的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的元件、电路和方法等。
30.发明人针对目前的双通道收发微波链路采用的方案为：双通道收发微波链路包含2组独立的变频通道。收发微波链路有发射和接收两种工作状态。发射状态下，由外部数字
信号处理板卡提供2路独立的基带调制信号，分别经过2路变频本振信号lo1、lo2进行上变频，实现频谱搬移，产生2路射频发射信号，馈入不同的2组天线阵面；接收状态下，2 组天线阵面接收到射频回波信号分别经过变频本振信号lo1、lo2进行下变频，产生2路中频回波信号，输出给数字信号处理板卡进行分析处理。如图2所示，双通道收发微波链路设计使用2只相互独立的跳频源，用于lo1、lo2本振信号产生。根据2组天线阵面发射信号的频率、相位一致性情况，可将收发微波链路的工作模式分为同频工作模式或异频工作模式。同频模式下，要求lo1和lo2信号必须来自于同一只跳频源，此时lo1与lo2不仅需满足频率一致性，还需保持相位一致性。异频模式下，lo1和lo2信号各自对应1只跳频源，此时2只跳频源的输出信号频率为不同数值。为实现本振信号跳频时间指标不大于200ns的特性，要求lo1、lo2信号均可以通过电子开关的方式，在2只跳频源之间进行自由快速切换。
31.结合上述需求，一般在2只跳频源与lo1、lo2信号端口之间设计2
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2 维微波开关矩阵，内部电路为平面布局，器件包括2只功分器、4只单刀单掷开关(spst)、2只单刀双掷开关(spdt)，电路结构框图如图1 所示。任何时刻下，lo1或lo2信号均可以选通第一个跳频源，也可以选通第二个跳频源，且lo1与lo2的跳频源选择相互独立，互不影响。异频模式下，lo1、lo2需要满足60db的通道隔离度指标。电路中spdt 的开关隔离度一般为35～50db，尚不满足60db的隔离度要求，因此在 spdt前级每条支路上串联1只spst，隔离度一般为35～50db，两级开关级联后，实现优于60db的开关隔离度指标。同频模式下，lo1、lo2 可能同时选通第一个跳频源，也可能同时选通第二个跳频源，此时要求 lo1、lo2具备相位一致性。由于相同型号规格的功分器、spst、spdt 器件本身具备良好的相位一致性，因此在电路设计上，主要需要控制传输线的相位一致性，即传输线电长度。针对图2电路，需满足：a1与b1 信号支路保持等电长度；a2与b2信号支路保持等电长度；c1和d1信号支路保持等电长度；c2和d2信号支路保持等电长度。上述等电长度要求主要通过控制印制板传输线长度、不同信号支路设计相同的穿孔结构进行控制。
32.目前，发明人研究的新型多通道雷达系统设计中，所需求的独立变频链路由2路扩展为4路，因此需要提供4路可同频、可异频的变频本振信号lo1、lo2、lo3、lo4；同时新型雷达的工作频率进行了扩展，要求lo1、lo2、lo3、lo4信号工作频率最高达到ka波段。在跳频源数量不增加的情况下，需要设计可工作到ka波段的2
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4微波开关矩阵，要求输出lo1、lo2、lo3、lo4在同频模式下满足相位一致性要求，异频模式下满足60db通道隔离度要求。
33.在上述需求下，如果基于现有2
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2维微波开关矩阵来设计2
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4维微波开关矩阵，将存在如下技术问题：在现有2
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2微波开关矩阵中，存在形如a2、b2支路的1对交叉支路，需要通过多层印制板信号打孔穿层的方法，使a2、b2在不同层传输，实现信号端口的交错互连。如果采取上述平面布局方式，则2
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4微波开关矩阵中将存在数量众多的交叉支路。为了保证微波信号隔离度，交叉支路中的每一条支路必须独立占据1层，与其他支路之间必须有完整的地层进行隔离，最终将导致印制板层数过多，在实际工程中不具备可实现性。
34.本实用新型在跳频源数量不增加的情况下，需要设计可工作到ka波段的2
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4微波开关矩阵，要求输出lo1、lo2、lo3、lo4在同频模式下满足相位一致性要求，异频模式下满足60db通道隔离度要求。
35.实施例1
36.如图3-4所示，本实施例提供了一种信号分配网络，其中，信号分配网络包括第一
跳频源1(src1)、第二跳频源2(src2)和微波开关矩阵，微波开关矩阵为2
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4微波开关矩阵，2
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4微波开关矩阵以功分器输出端口为分界分割为第一部分和第二部分，第一部分由相互独立的第一1 分4功分模块和第二1分4功分模块组成，第一1分4功分模块与第一跳频源1(src1)对应设置，第二1分4功分模块与第二跳频源2(src2) 对应设置，第一跳频源1与第二跳频源2相互独立；第一1分4功分模块和第二1分4功分模块的电路板面均水平摆放；第一1分4功分模块包括3个二功分器并形成4路输出；第二1分4功分模块包括3个二功分器并形成4路输出；第一1分4功分模块的4路输出与第二1分4功分模块的4路输出一一对应设置，构成4组2路输出；第二部分由4只独立的2选1开关模块构成，4只独立的2选1开关模块通过射频连接器分别与4组2路输出的输出端口相连接，4只独立的2选1开关模块的电路板面均垂直摆放。
37.也即，以功分器输出端口为分界，将整个2
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4微波开关矩阵分割为2 个部分。第一部分为2只独立的1分4功分模块，也即第一1分4功分模块和第二1分4功分模块；第二部分为4只独立的2选1开关模块。结构拓扑设计上，1分4功分模块与2选1开关模块的电路板面互相垂直，由结构分割产生的8对内部接口通过射频连接器一一对扣。可见，本实施例通过模块拆分、上述2维立体式电路结构布局的方式，规避了交叉支路的产生，进而克服了交叉支路存在所导致的技术问题。
38.具体的，第一1分4功分模块和第二1分4功分模块的结构相同。
39.具体的，4只独立的2选1开关模块的结构相同。
40.具体的，上述第一1分4功分模块能够输出a1、a2、a3、a4四路中间端口信号；上述第二1分4功分模块能够输出b1、b2、b3、b4四路中间端口信号。
41.通过上述配置方式，该信号分配网络的微波开关矩阵规避了交叉支路的产生，在跳频源数量(两个独立的跳频源)不增加的情况下，通过该微波开关矩阵能够输出4路可同频、可异频的变频本振信号lo1、lo2、 lo3、lo4。
42.具体的，为了提高工作频率，第一1分4功分模块、第二1分4功分模块以及4只独立的2选1开关模块均采用独立的结构盒体进行屏蔽。
43.通过上述配置方式，模块拆分后，输入级的2只1分4功分模块、输出级的4只2选1开关模块均采用独立的结构盒体进行屏蔽，每个子模块内部为平面布局，不存在信号穿层的情况，故不存在信号穿层交错传输引起的隔离度恶化问题，避免了工程中传统形式的2
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2微波开关矩阵因工作频率提高引起的交叉支路隔离度恶化问题。
44.在上述实施例中，为了实现相位一致性指标，如图4-5所示，第一1 分4功分模块与第二1分4功分模块，其电路均采用两级二叉树式1分2 等功分电路级联的方式。
45.本实施例中，通过平面电路等电长度设计实现相位一致性指标，输入级的2只1分4功分模块电路采取如图5所示的两级二叉树式1分2等功分电路级联的方式，保证a1、a2、a3、a4四路中间端口信号相对于in1 输入信号的相移特性完全一致，b1、b2、b3、b4四路中间端口信号相对于in2输入信号的相移特性完全一致。
46.在上述实施例中，为了实现相位一致性指标，如图5所示，4只2选 1开关模块均采用对称式电路设计，任意2选1开关模块包括2只单刀单掷开关(spst)和一只单刀双掷开关(spdt)，2只单刀单掷开关(spst) 并联后与单刀双掷开关(spdt)串联，2只单刀单掷开关(spst)与一组2路输出相配合。
47.在上述实施例中，一个2选1开关模块对应一组2路输出，对应设置的2路输出(如图4所示，共四组2路输出，分别为a1,b1；a2,b2；a3,b3； a4,b4)分别与两个spst一一对应设置。
48.本实施例中，输出级的4只2选1开关模块采用对称式电路设计，保证cn(n＝1、2、3、4)支路与dn支路严格对称，电长度相同。
49.此外，为了进一步确保整个开关矩阵out1(lo1)、out2(lo2)、 out3(lo3)、out4(lo4)在同源模式下的相位一致性，优选的，结构盒体设计上，严格控制射频连接器安装尺寸公差，保证射频连接器信号传输的相位一致性。
50.可见，本实施例上述方案克服了现有平面布局结构中，印制板信号穿孔引起传输线阻抗、相移特性突变，交叉支路通过不同内电层传输，其相移特性存在差异，频率越高，差异越难以控制，最终导致在高低温环境下，lo1、lo2、lo3、lo4信号相位差存在温度漂移，影响雷达不同收发通道之间的幅度相位一致性和稳定性。
51.在上述实施例中，为了实现开关矩阵模块全链路工作频率提升，功分器、spst、spdt器件的工作频率在ka波段。
52.具体的，射频连接器为ssmp型微型射频连接器。
53.具体的，ssmp型微型射频连接器的工作频率为50ghz。
54.可见，本实用新型实施例中，ka波段的spst和spdt开关隔离度一般为35～45db，两级开关级联后，理论上通道隔离度优于70db，仍然满足60db的隔离度指标要求。
55.具体的，本实施例中，第一1分4功分模块和第二1分4功分模块的典型尺寸均为20mm
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40mm
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10mm，每一只2选1开关模块的典型尺寸为20mm
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10mm
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20mm，整个2
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4开关矩阵模块组装后的尺寸为 40mm
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40mm
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20mm。
56.具体的，本实施例的2
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4维微波开关矩阵的切换速率小于50ns。
57.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。