一种多通道收发微波链路结构及时域掩护信号产生方法与流程

1.本发明属于多通道收发微波链路结构技术领域，尤其涉及一种多通道收发微波链路结构及时域掩护信号产生方法。


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，本发明旨在提供一种多通道收发微波链路结构及时域掩护信号产生方法，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.本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
5.本发明提供了一种多通道收发微波链路结构，多通道收发微波链路结构包括4组独立的变频通道和信号分配网络，每组变频通道均包括数字信号处理板卡、中频滤波器、混频器、射频滤波器、放大器和天线阵面；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路输出与第二一1分4功分模块2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；第一1分4功分模块和第二1分4功分模块的结构相同，信号分配网络用于提供4路可同频、可异频的变频本振信号lo1、lo2、lo3、lo4。
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，变频通道均有发射和接收两种工作状态。
14.本发明还提供了一种时域掩护信号产生方法，采用上述多通道收发微波链路结构，时域掩护信号产生方法包括：
15.将2个独立的跳频源设置为2个不同的工作频率f1、f2，其中f1为微波链路所属雷达的真实工作频点，f2为电子对抗用掩护信号频点；
16.多通道收发微波链路发射状态期间发射多个发射信号，其中只有1个主信号发射期间，lo1、lo2、lo3、lo4同时选通第一跳频源，其余发射状态时间区间内lo1、lo2、lo3、lo4同时选通第二跳频源，用于释放掩护信号；
17.多通道收发微波链路接收状态期间，lo1、lo2、lo3、lo4同时选通第一跳频源，用于接收主信号回波，下变频后产生最终的中频回波信号；而此时掩护信号的回波由于其射频频率与接收本振频点不匹配，下变频后无法产生有效中频回波，不会对主信号的接收产生影响。
18.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
19.a)本发明的多通道收发微波链路结构采用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。
20.b)本发明的多通道收发微波链路结构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。
21.c)本发明的多通道收发微波链路结构的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。
22.d)本发明的多通道收发微波链路结构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。
23.e)本发明的多通道收发微波链路结构采用的信号分配网络能够在包括两个独立的跳频源的情况下，能够输出4路可同频、可异频的变频本振信号lo1、lo2、lo3、lo4，因此能够产生时域掩护信号，在电子对抗时能够有效掩护雷达的真实信号。
24.本发明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，或者通过实施本发明而了解。本发明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
25.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
26.图1为2路变频本振信号生成示意图；
27.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)；
28.图3为本发明的4路变频本振信号生成示意图；
29.图4为本发明的2
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4微波开关矩阵电路结构框图；
30.图5为本发明的二叉树式1分4等功分器电路结构框图；
31.图6为本发明的多通道收发微波链路结构示意图。
32.附图标记：
33.1-第一跳频源，2-第二跳频源。
具体实施方式
34.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。为增进对本发明的了解，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发明。本发明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，为了避免对本发明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。
35.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。
36.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。
37.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。
38.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。
39.本发明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。
40.实施例1
41.如图3-6所示，本实施例提供了一种多通道收发微波链路结构，多通道收发微波链路结构包括信号分配网络，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路输出与第二一1分4功分模块2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；第一跳频源1和第二跳频源2与2
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4微波开关矩阵相配合，用于提供4路可同频、可异频的变频本振信号lo1、lo2、lo3、lo4。
42.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。
43.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。
44.具体的，4只独立的2选1开关模块的结构相同。
45.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。
46.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。
47.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。
48.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。
49.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。
50.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。
51.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。
52.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6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。
53.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。
54.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。
55.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。
56.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。
57.具体的，射频连接器为ssmp型微型射频连接器。
58.具体的，ssmp型微型射频连接器的工作频率为50ghz。
59.可见，本发明实施例中，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。
60.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
×
40mm
×
20mm。
61.具体的，2
×
4维微波开关矩阵的切换速率小于50ns。
62.具体的，多通道收发微波链路结构还包含4组独立的变频通道。
63.具体的，本实施例的每组变频通道均包括数字信号处理板卡、中频滤波器、混频器、射频滤波器、放大器和天线阵面。
64.具体的，数字信号处理板卡用于提供基带调制信号。
65.具体的，中频滤波器、混频器、射频滤波器和放大器用于实现变频。
66.具体的，本实施例的每组变频通道均有发射和接收两种工作状态。
67.具体的，发射状态下，由数字信号处理板卡提供4路独立的基带调制信号分别输入至4个中频滤波器，分别与4路变频本振信号lo1、lo2、lo3、lo4(2个独立的跳频源和相配的上述微波开关矩阵实现)一起经过混频器、射频滤波器和放大器进行上变频，实现频谱搬移，产生4路射频发射信号，馈入不同的4组天线阵面。
68.具体的，接收状态下，4组天线阵面接收到射频回波信号分别经过放大器、射频滤波器、与变频本振信号lo1、lo2、lo3、lo4(2个独立的跳频源和相配的上述微波开关矩阵实现)经过混频器进行下变频，产生4路中频回波信号，输出给数字信号处理板卡进行分析处理。
69.实施例2
70.本实施例还提供了一种采用上述实施例1的多通道收发微波链路结构进行的时域掩护信号产生方法：
71.将2个独立的跳频源设置为2个不同的工作频率f1、f2，其中f1为微波链路所属雷达的真实工作频点，f2为电子对抗用掩护信号频点；
72.多通道收发微波链路发射状态期间发射多个发射信号，其中只有1个主信号发射期间，lo1、lo2、lo3、lo4同时选通第一跳频源1，其余发射状态时间区间内lo1、lo2、lo3、lo4同时选通第二跳频源2，用于释放掩护信号；
73.多通道收发微波链路接收状态期间，lo1、lo2、lo3、lo4同时选通第一跳频源1，用于接收主信号回波，下变频后产生最终的中频回波信号；而此时掩护信号的回波由于其射频频率与接收本振频点不匹配，下变频后无法产生有效中频回波，进而不会对主信号的接收产生影响。
74.对于多通道微波链路，lo1、lo2、lo3、lo4选通不同跳频源时的信号相位一致性对整个系统的幅度相位特性有极大影响，因此本发明的2
×
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具有重要工程应用价值。
75.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种多通道收发微波链路结构，其特征在于，所述多通道收发微波链路结构包括4组独立的变频通道和信号分配网络，每组所述变频通道均包括数字信号处理板卡、中频滤波器、混频器、射频滤波器、放大器和天线阵面；所述信号分配网络包括微波开关矩阵，所述微波开关矩阵为2
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4微波开关矩阵，所述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，所述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，所述第一1分4功分模块和所述第二1分4功分模块的电路板面均水平摆放；所述第一1分4功分模块包括3个二功分器并形成4路输出；所述第二1分4功分模块包括3个二功分器并形成4路输出；所述第一1分4功分模块的4路输出与第二一1分4功分模块2的4路输出一一对应设置，构成4组2路输出；所述第二部分由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；所述第一1分4功分模块和第二1分4功分模块的结构相同，所述信号分配网络用于提供4路可同频、可异频的变频本振信号lo1、lo2、lo3、lo4。2.根据权利要求1所述的多通道收发微波链路结构，其特征在于，所述信号分配网络还包括第一跳频源(1)和第二跳频源(2)，所述第一跳频源(1)与所述第二跳频源(2)相互独立。3.根据权利要求2所述的多通道收发微波链路结构，其特征在于，所述第一1分4功分模块与所述第一跳频源(1)对应设置，所述第二1分4功分模块与所述第二跳频源(2)对应设置。4.根据权利要求1所述的多通道收发微波链路结构，其特征在于，所述第一1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。5.根据权利要求1所述的多通道收发微波链路结构，其特征在于，所述第一1分4功分模块与所述第二1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。6.根据权利要求1所述的多通道收发微波链路结构，其特征在于，4只所述2选1开关模块均采用对称式电路设计。7.根据权利要求6所述的多通道收发微波链路结构，其特征在于，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。8.根据权利要求7所述的多通道收发微波链路结构，其特征在于，所述二功分器、单刀单掷开关和单刀双掷开关的工作频率均在ka波段。9.根据权利要求1所述的多通道收发微波链路结构，其特征在于，所述变频通道均有发射和接收两种工作状态。10.一种时域掩护信号产生方法，其特征在于，采用权利要求1-9所述的多通道收发微波链路结构，时域掩护信号产生方法包括：将2个独立的跳频源设置为2个不同的工作频率f1、f2，其中f1为微波链路所属雷达的真实工作频点，f2为电子对抗用掩护信号频点；多通道收发微波链路发射状态期间发射多个发射信号，其中只有1个主信号发射期间，lo1、lo2、lo3、lo4同时选通第一跳频源(1)，其余发射状态时间区间内lo1、lo2、lo3、lo4同时选通第二跳频源(2)，用于释放掩护信号；多通道收发微波链路接收状态期间，lo1、lo2、lo3、lo4同时选通第一跳频源(1)，用于
接收主信号回波，下变频后产生最终的中频回波信号；而此时掩护信号的回波由于其射频频率与接收本振频点不匹配，下变频后无法产生有效中频回波，不会对主信号的接收产生影响。

技术总结
本发明公开了一种多通道收发微波链路结构及时域掩护信号产生方法，属于多通道收发微波链路技术领域，解决了现有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，可实现性差的问题。多通道收发微波链路结构包括4组独立的变频通道和信号分配网络；信号分配网络包括2


技术研发人员：马志扬 李少岚 杨亦师
受保护的技术使用者：北京华航无线电测量研究所
技术研发日：2022.01.30
技术公布日：2023/8/9