張嘉毫，李毅，唐健，何方敏等

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正交電橋的短波雙極性電調(diào)衰減器的設(shè)計(jì)

張嘉毫，李毅，唐健，何方敏等

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033）

設(shè)計(jì)了一種基于正交電橋的短波雙極性電調(diào)衰減器，并在此基礎(chǔ)上提出了基于單個(gè)正交電橋?qū)崿F(xiàn)矢量調(diào)制器的方法。首先理論分析了基于正交電橋?qū)崿F(xiàn)雙極性衰減器的原理。其次設(shè)計(jì)了該衰減器中的正交電橋、基于PIN二極管的可調(diào)射頻電阻以及線性控制電路。最后分析了基于單個(gè)正交電橋?qū)崿F(xiàn)矢量調(diào)制器的原理。結(jié)果表明，該雙極性電調(diào)衰減器在短波頻段內(nèi)動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)30 dB，基本實(shí)現(xiàn)線性控制。

雙極性衰減器 正交電橋 PIN二極管 矢量調(diào)制器

0 引言

艦船上的大功率發(fā)射機(jī)和寬帶接收機(jī)同時(shí)工作時(shí)，由于空間距離近，會(huì)產(chǎn)生干擾問題。特別是大功率發(fā)射機(jī)、阻塞式干擾機(jī)工作時(shí)，己方接收機(jī)受干擾尤為嚴(yán)重。為解決有限空間內(nèi)同平臺(tái)天線間干擾問題，提高頻譜資源利用率，提出了自適應(yīng)輻射干擾對(duì)消技術(shù)。自適應(yīng)輻射干擾對(duì)消技術(shù)的基本原理就是將提取的參考信號(hào)做與干擾信號(hào)的等幅反相處理后，再與干擾信號(hào)相加，從而對(duì)消干擾信號(hào)[1-4]。自適應(yīng)干擾對(duì)消系統(tǒng)的功能框圖如圖1。由圖1可知，雙極性電調(diào)衰減器是干擾對(duì)消系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件之一。一般要求其能夠承受較大功率、電壓傳輸系數(shù)與控制電壓基本呈線性關(guān)系、衰減動(dòng)態(tài)范圍大等。

圖1 自適應(yīng)干擾對(duì)消系統(tǒng)功能框圖

1 基于正交電橋的雙極性電調(diào)衰減器的原理

雙極性電調(diào)衰減器一般利用FET或PIN二極管的射頻電阻隨電壓或電流的變化特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)衰減量的控制。目前，主要存在：1）基于π型結(jié)構(gòu)的電調(diào)衰減器，如文獻(xiàn)[5]中討論的衰減器，這種衰減器的前置功分器將導(dǎo)致3 dB的插入損耗，單級(jí)很難實(shí)現(xiàn)大的動(dòng)態(tài)衰減范圍，控制特性非線性。2）基于橋型結(jié)構(gòu)的電調(diào)衰減器，橋型結(jié)構(gòu)的電調(diào)衰減器具有插入損耗小，能夠?qū)崿F(xiàn)線性控制等特點(diǎn)。文獻(xiàn)[6]中的電調(diào)衰減器最大衰減35 dB。文獻(xiàn)[7]中的電調(diào)衰減器最大衰減能夠達(dá)到65 dB，且頻帶內(nèi)衰減平坦，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

圖2 電調(diào)衰減器結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，正交電橋由一個(gè)功分器和差相移移相網(wǎng)絡(luò)組成，差相移移相網(wǎng)絡(luò)相對(duì)相移為90°。1、2端為功分器同相、反相合成端，3、4為功分器分離端，3、4端與移相網(wǎng)絡(luò)相接。當(dāng)信號(hào)從1端輸入時(shí)，在5、6端成90°分離輸出，當(dāng)相位差為90°的兩路同頻等幅信號(hào)從5、6端輸入時(shí)，在2端合成輸出。將差相移正交電橋分離端5、6端分別接上可調(diào)射頻電阻Z，通過控制使5、6兩端可調(diào)電阻始終相等.若1、2輸入、輸出端特性阻抗為Z，則5、6端反射系數(shù)為：

2 基于正交電橋的雙極性電調(diào)衰減器設(shè)計(jì)

2.1 正交電橋設(shè)計(jì)

圖3 正交電橋設(shè)計(jì)原理圖

2.2 可調(diào)射頻電阻的設(shè)計(jì)

2.3 線性控制電路的設(shè)計(jì)

其中，L由公式(3)確定。

得到控制電壓與電流的關(guān)系：

上述控制電流與控制電壓的關(guān)系用集成電路容易實(shí)現(xiàn)。

3 實(shí)際研制的衰減器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上分析，研制了短波波段的雙極性電調(diào)衰減器?？烧{(diào)射頻電阻用兩個(gè)PIN二極管串聯(lián)，內(nèi)部特性阻抗為50 Ω。圖4至圖7給出了衰減器主要性能指標(biāo)。

圖4是衰減器最小衰減和最大衰減曲線，圖中曲線為衰減器的21曲線。當(dāng)控制電壓為0 V時(shí)，衰減器達(dá)到最大衰減；當(dāng)控制電壓為+5 V或-5 V時(shí)，衰減器達(dá)到最小衰減。

圖5、圖6是衰減器輸入端1端和輸出端2端電壓駐波比曲線，在6 MHz至30MHz頻率范圍內(nèi)駐波比小于1.7，表明衰減器匹配良好。

圖5 輸入端駐波比

圖6 輸出端駐波比

圖7是控制電壓與射頻電壓傳輸系數(shù)關(guān)系曲線，基本呈線性關(guān)系。

圖7 控制電壓與傳輸系數(shù)關(guān)系曲線

4 總結(jié)與展望

按照本文設(shè)計(jì)思路研發(fā)的短波雙極性電調(diào)衰減器有較大的動(dòng)態(tài)范圍，且控制特性和電路結(jié)構(gòu)簡單。與橋式雙極性電調(diào)衰減器相比，本衰減器的可調(diào)電阻只需兩路，可以減少PIN的數(shù)量，從而降低了成本。

同時(shí)以本文設(shè)計(jì)的基于正交電橋的雙極性電調(diào)衰減器為基礎(chǔ)，通過將可調(diào)電阻變?yōu)榭烧{(diào)阻抗，可用一個(gè)衰減器實(shí)現(xiàn)矢量調(diào)制器。圖1虛線框內(nèi)所示部分為一般的矢量調(diào)制器，它由兩個(gè)雙極性電調(diào)衰減器、一個(gè)正交功分器和一個(gè)合成器組成，其功能是調(diào)節(jié)信號(hào)的幅度與相位。

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Design of a Bipolar Electronic-controlled Attenuator Based on Quadrature Bridge in Short-wave Band

Zhang Jiahao, Li Yi, Tang Jian, He Fangmin, et al

(National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM13

A

1003-4862（2014）2-0017-04

2013-07-06

張嘉毫(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：電磁兼容。

李毅(1977-)，男，博士，副研究員。研究方向：射頻電路，電磁兼容與計(jì)算電磁學(xué)。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61201055)