芯片化的毫米波收发系统及其在定距空炸引信上的用途

摘要

一种芯片化的毫米波收发系统，包括射频收发芯片和基带信号处理芯片。RF射频收发芯片，分为TX和RX部分。TX发射主要部分包括：VCO压控振荡器、DA驱动放大器、PA功率放大器、BPSK调制器、PLL环路；RX接收主要部分包括：LNA低噪声放大器、MIX混频器、Buffer驱动器。基带信号处理芯片主要包括：模拟信号处理单元和数字信号处理单元。模拟处理单元主要包括：BPF带通滤波器、AGC可变增益控制环路、ADC数模转换器。数字处理单元主要包括：DSP和MCU。本系统全集成的两块芯片完成所有的功能，降低整机功耗、体积、成本和开发难度，减少了电路数量，缩小了体积，易于芯片集成。本系统可用于定距空炸引信、防撞雷达和测距等。

说明书

技术领域

本发明创造涉及一种射频收发芯片基带处理芯片及其用途，具体的说是一种 实现毫米波近炸引信系统的芯片化电路。

背景技术

导弹引信技术的研究与发展在导弹技术发达国家倍受重视，特别是工作体 制、抗干扰技术、引战配合效率、试验与仿真技术、新概念及基础理论、相关技 术等方面均投入了大量的人力和物力，并尽可能将最新科学技术成就应用在导弹 引信的研究设计上。导弹引信经历了三个阶段。

第一阶段大体是从世界大战结束到20时机的50年代中期。此间引信探测提 制多为连续波多普勒、简单的连续波调频以及脉冲无线电体制，导弹引信的研究 主要是解决弹目交会问题以及引信抗导弹自身干扰问题。其功能仅局限于简单的 战斗部起爆控制，设计上很少考虑距离截止特性问题。

第二阶段是从20世纪的50年代末期到70年代末期。此间导弹引信技术得 到了较为快速的发展，导弹引信的不同工作体制的研究以及抗干扰技术的研究都 收到了重视，实验设备以及仿真的手段得到了进一步的提升。导弹引信的功能从 之前的简单起爆控制转为了精确起爆控制，同时开始考虑利用制导信息和引信获 得的信息实现起爆延时、天线波束倾角和战斗部飞散角及其倾角的调整实现精确 起爆控制和引战配合效率的提高。

第三阶段是从20世纪的80年代至今。由于受到军事发展需求牵引以及科学 技术发展推动的强烈影响，导弹引信技术处于平稳快速发展的新时期。导弹引信 体制和功能逐渐趋于成熟稳定，低空性能、抗干扰能力以及引战配合效率不断提 高。其功能已由精确起爆控制向最佳起爆控制、最佳起爆方式控制和最佳起爆方 向控制发展。不同的分类放大导致不同引信体制的产生。目前在导弹中具有广泛 应用的引信体制主要包括无线电引信、红外引信以及激光引信。近年来，战场环 境复杂化对无线电引信提出了越来越高的要求，复合体制导引头成为各国研究的 热点。采用复合体制引信无疑会增加弹体的载荷和电池功耗，也会增加系统的成 本。在这种情况下，研究常规应用环境下的小型化、低功耗、低成本毫米波引信 对精确制导武器系统具有重要意义。同时将引信用于小口径弹药上，同样具有重 要意义。

当前，毫米波近炸引信终端的射频模块大多采用分立器件设计而成，模块由 低噪声放大器、混频器、滤波器、功率放大器等分立器件组成，器件之间需要用 波导微带线的方式进行匹配。由于信号频率高，就要求分立器件接地线要短、分 布参数小、在高频电路中必须多接地线，并且要求每根接地线的长度小于信号波 长的1/100,同时分立器件的级间匹配非常敏感，导致系统调试困难，产品体积 庞大，极不利于携带，功耗高，成本高，不利于大批量使用。并且关键分立器件 的芯片依赖于国外进口，关健技术仍受国外左右。所有这些因素都不利于引信系 统的自主发展和普及。

发明内容

本技术方案是将毫米波近炸引信设备芯片化，这对引信系统的一致性，成本 等应用限制因素得到有效解决，推进近炸引信的批量使用，通过指标的合理分配 以及电路的设计可以实现毫米波近炸引信的芯片化方案。

本技术方案所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的缺点，提出一种用 于毫米波近炸引信的芯片化的毫米波射频收发系统，可降低成本、面积，提高一 致性，避免信号之间的相互干扰，减少功耗，减少电路数量，降低成本，使得毫 米波近炸引信系统易于芯片化。

系统结构：系统中包含了接收和发射两个通路，通过开关的切换实现发射和 接收通道工作切换。发射的窄脉冲照射目标后，目标反射的回波包含了目标的丰 富信息，可以利用这个回波对目标进行识别。空中目标一般是一个动态目标，利 用多组收发系统，采用更为复杂的数字处理系统得到目标和炮弹之间具体方位， 实现对目标进行实时追踪并最终摧毁目标物的任务。

本技术方案为：一种芯片化的毫米波收发系统，包括射频收发芯片和基带处 理芯片；

a、射频收发芯片的电路包括RX接收电路和TX发射电路；

a-1、RX接收电路包括：LNA低噪声放大器、MXR混频器和Buffer驱动器；

LNA低噪声放大器的信号输入端经可控开关K3连接天线；LNA低噪声放大器 的输出信号送入MXR混频器与LO本振信号混频得到差拍的中频信号IF_P和 IF_N，中频信号IF_P和IF_N经Buffer模拟信号放大器送入基带处理芯片；

a-2、TX发射电路包括：VCO压控振荡器、DA驱动放大器、PA功率放大 器、BPSK调制器、PLL环路；

所述VCO压控振荡器产生本系统需要的射频信号，该射频信号为工作在 12GHz或35GHz的LO本振信号；LO本振信号的频率变化的范围为±1GHz；

所述PLL环路将数字DSM信号调制频率输出，该输出信号经LO buffer本振 缓冲器分别送入BPSK调制器和MXR混频器；MXR混频器与LO buffer本振缓冲 器之间连接有可控开关K2；

BPSK调制器是双模式的BPSK调制器，完成发射相位的切换，当BPSK信号 为周期性的data信号时，完成BPSK调制；

BPSK调制器的输出信号依次经DA驱动放大器和PA功率放大器传给天线； DA驱动放大器的输出端与PA功率放大器的输入端之间连接有可控开关K1；

b、基带处理芯片包括模拟基带处理部分及数字基带处理两部分；

b-1、模拟基带处理部分包括：BPF带通滤波器、AGC可变增益控制环路、 ADC模数转换器；BPF带通滤波器包括BPF1第一带通滤波器和BPF2第二带通 滤波器

来自RX接收电路的中频信号IF_P和IF_N分别经过BPF1第一带通滤波器 和BPF2第二带通滤波器，再经过编码器得到单端信号，该单端信号送入AGC 可变增益控制环路的信号输入端；AGC可变增益控制环路的信号输入端经过 ADC模数转换器得到数字基带信号；

AGC可变增益控制环路包括AGC自动增益补偿放大器和VGA压控放大器， AGC自动增益补偿放大器的输入端连接VGA压控放大器输入端，AGC自动增 益补偿放大器的输出端连接VGA压控放大器的控制电压输入端；

b-2、数字基带处理部分包括：DSP和MCU；

DSP处理数字基带信号，进行FFT快速傅立叶变换计算，确定引信信号的开 启；

MCU产生：调制的数字DMS信号；分别控制开关K1、K2和K3的时序控制信 号PULSE_1、PULSE_2和PULSE_3；以及控制BPSK调制器的状态控制信号MPSK_DA。

所述PLL环路的带宽为2.5MHz～5MHz；VCO压控振荡器的带宽是通过采用高 低两个谐振核心，每个谐振核心为2.4GHz的带宽。

对于双模式的BPSK调制器：当数据data为BPSK信号时，则其工作在BPSK 调制器状态，进行数据调制；

当数据data为固定电位，如data为1或者0时，则其工作为buffer 模式，通过切换data的正负来变换相位0或者180度。

本系统的用途为定距空炸引信，DSP处理数字基带信号，进行FFT快速傅立 叶变换计算，确定输出引信信号的开启。

本系统的用途为防撞雷达，DSP处理数字基带信号，进行FFT快速傅立叶变 换计算，确定输出防止碰撞信号。

本系统的用途为测距，DSP处理数字基带信号，进行FFT快速傅立叶变换计 算，确定输出距离数据信号。

本技术方案的优点包括：

探测距离范围，为了最大化的提高芯片的通用性，探测距离拟扩大到1m～ 30m；采用射频基带全芯片方案，具有成本低、一致性好的特点；全集成的两块 芯片完成所有的功能，降低整机功耗、体积、成本和开发难度；可软件配置的射 频和基带芯片，使得芯片的适用范围广泛；片外器件少，仅有天线、晶振和电源 滤波电容。

附图说明

图1是本技术方案的系统框图。

图2是本技术方案的射频实现方案的通道框图。

图3是本技术方案的基带实现方案的通道框图。

具体实施方式

一种芯片化的毫米波收发系统，包括射频收发芯片和基带处理芯片；

a、射频收发芯片的电路包括RX接收电路和TX发射电路；

a-1、RX接收电路包括：LNA低噪声放大器、MXR混频器和Buffer驱动器；

LNA低噪声放大器的信号输入端经可控开关K3连接天线；LNA低噪声放大器 的输出信号送入MXR混频器与LO本振信号混频得到差拍的中频信号IF_P和 IF_N，中频信号IF_P和IF_N经Buffer模拟信号放大器送入基带处理芯片；

a-2、TX发射电路包括：VCO压控振荡器、DA驱动放大器、PA功率放大 器、BPSK调制器、PLL环路；

所述VCO压控振荡器产生本系统需要的射频信号，该射频信号为工作在 12GHz或35GHz的LO本振信号；LO本振信号的频率变化的范围为±1GHz；

所述PLL环路将数字DSM信号调制频率输出，该输出信号经LO buffer本振 缓冲器分别送入BPSK调制器和MXR混频器；MXR混频器与LO buffer本振缓冲 器之间连接有可控开关K2；

BPSK调制器是双模式的BPSK调制器，完成发射相位的切换，当BPSK信号 为周期性的data信号时，完成BPSK调制；

BPSK调制器的输出信号依次经DA驱动放大器和PA功率放大器传给天线； DA驱动放大器的输出端与PA功率放大器的输入端之间连接有可控开关K1；

b、基带处理芯片包括模拟基带处理部分及数字基带处理两部分；

b-1、模拟基带处理部分包括：BPF带通滤波器、AGC可变增益控制环路、 ADC模数转换器；BPF带通滤波器包括BPF1第一带通滤波器和BPF2第二带通 滤波器

来自RX接收电路的中频信号IF_P和IF_N分别经过BPF1第一带通滤波器 和BPF2第二带通滤波器，再经过编码器得到单端信号，该单端信号送入AGC 可变增益控制环路的信号输入端；AGC可变增益控制环路的信号输入端经过 ADC模数转换器得到数字基带信号；

AGC可变增益控制环路包括AGC自动增益补偿放大器和VGA压控放大器， AGC自动增益补偿放大器的输入端连接VGA压控放大器输入端，AGC自动增 益补偿放大器的输出端连接VGA压控放大器的控制电压输入端；

b-2、数字基带处理部分包括：DSP和MCU；

DSP处理数字基带信号，进行FFT快速傅立叶变换计算，确定引信信号的开 启；

MCU产生：调制的数字DMS信号；分别控制开关K1、K2和K3的时序控制信 号PULSE_1、PULSE_2和PULSE_3；以及控制BPSK调制器的状态控制信号MPSK_DA。

下面结合附图与在定距空炸引信方面的应用对本发明创造进一步说明如 下：

本发明创造旨在设计用于近炸引信开关的毫米波30GHz(或者Ku波段： 12GHz)SOC芯片，设计两块专用的ASIC芯片用于构成近炸引信系统，控制智能 炸弹或者导弹在离目标一定的距离内引爆。其系统框图如图1所示。本芯片为了 兼容性和系统更新考虑，采用两块芯片构成，射频收发芯片为专用的RF芯片， 集成引信的收发模块。

参考图2，射频收发天线采用同一个天线，节约体积，降低成本，本系统动 态范围大、灵敏度高、短距离情况下工作性能好。

天线接收到射频回波信号后，经过低噪声放大器LNA进行放大，由MXR混频 器(具体采用下变频器MIXER)降至中频信号，中频信号经过处理后直接输出到 基带部分进行处理，对振荡源的频率稳定性要求相对不高。

射频发射TX模块：VCO压控振荡器产生系统需要的射频信号，其是工作在 12GHz或者35GHz本振信号，其振荡频率由环路控制电压决定，频率变化的范围 为1GHz。DA驱动放大器为第一级驱动放大器，它驱动PA工作，PA具体由四路 分离的典型PA构成，四路PA的输出信号由变压器进行合成，输入到天线端。PA 功率放大器可以产生大于5dBm的输出信号。

BPSK调制器是双模式的BPSK信号调制器：普通模式时，可以认为是DA放 大器，同时在该处完成发射相位的切换，如果BPSK信号电平为高，则为0度输 出，BPSK信号电平为低，则为180度输出。当BPSK信号为周期性的data信号 时，完成BPSK调制。PLL环路完成将数字DSM信号调制频率输出，它包括CP， PFD、环路滤波器和Sigma-delta调制DSM信号。

射频接收RX模块的LNA低噪声放大器，完成信号的低噪声接收，接收NF小 于7dB，同时保证一定的线性度和抗干扰需求。MXR混频器，完成本振信号和输 出信号的混频，得到差拍的低频信号。

锁相环的设计由于片内集成，频段高，如果片外出现器件较多，需要使用微 带线的方案，所以本方案设计中的锁相环采用的是片内全集成的方案。

由图3可见，中频信号进入基带首先经过滤波器(带通滤波器BPF1和BPF2)、 然后AGC增受回波信号的强度控制，为了防止发射信号和其他干扰信号对整机灵 敏度的影响，将滤波器放入基带内，同时此滤波器特性要求高。模拟信号处理部 分：BPF模拟带通滤波器，滤去模拟基带信号中的噪声和带外干扰信号，滤去多 径反射信号。VGA(orAGC)模拟自动增益控制环路，放大基带信号到ADC的满量 程值上，以使得ADC达到最佳的SNR。ADC模数转换器完成模拟基带到数字基带 的转换，以供数字处理单元进行FFT。数字信号处理单元DSP处理数字基带信号， 进行FFT快速傅立叶变换计算，确定引信信号FUZE的开启。MCU产生调制的数 字信号，完成系统的时序控制和状态控制。

ADC模数转换器要求需要实现高速特性，为了实现高速，本发明提出了系统 级解决方案，例如异步时钟控制，上极板采样方式，全动态比较器设计，以及版 图布局布线。

在具体实现本技术方案时候，主要有以下工程问题：

1、TX和RX开关切换的问题

解决方法为：直接关断PA的DC偏置，就不能在规定的时间内完成关断和开 启。所以采用关断DC偏置和直接在信号通路上加入开关相结合的办法来关断和 开启。该方法在通路上，会有大概4dB左右的增益衰减。不过通过优化开关尺寸 可以做到不影响支路的正常工作。

2、调制三角波周期和调制带宽的问题

解决方法为：调制步数为2^(12-3)＝512step。选取最短的调制周期为10us (最大调制频率为100KHz的频率)，1/ΔT＝102.4MHz，所以选取环路带宽为 2.5MHz～5MHz。

VCO的带宽可以通过做高低两个谐振核心core来满足要求。每个core为 2.4GHz的带宽。通过数字切换，可以方便的在2个核心core之间切换。保证抗 干扰和调制的方便。

3、BPSK调制和相位翻转问题

双模式的BPSK调制器，当数据data为BPSK信号时，则工作在BPSK调制 器，进行数据调制。当数据data为固定电位，如data为1或者0时，工作 为buffer模式，可以通过切换data的正负来变换相位0或者180度。

其优点在于：全集成的两块芯片完成所有的功能，降低整机功耗、体积、成 本和开发难度；可软件配置的射频和基带芯片，使得芯片的适用范围广泛；片外 器件少，仅有天线、晶振和电源滤波电容。减少了电路数量，缩小了体积，降低 了成本，易于芯片集成。