低雜波系統(tǒng)前級(jí)固態(tài)微波源的設(shè)計(jì)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了低雜波系統(tǒng)前級(jí)固態(tài)微波源的設(shè)計(jì)方法，鎖相源的輸出端依次與一級(jí)功放、程控電壓衰減器、PIN快控開(kāi)關(guān)、二級(jí)功放和功分器連接，功分器的兩個(gè)輸出端為功率輸出端，耦合器采用微帶耦合的形式，耦合器的耦合輸出端作為參考相位使用，耦合器的直通輸出端與檢波模塊連接，檢波模塊的輸出端與控制模塊連接，控制模塊的輸出端分別連接程控電壓衰減器和PIN快控開(kāi)關(guān)，本發(fā)明將原有的三級(jí)功放結(jié)構(gòu)換為了兩級(jí)功放結(jié)構(gòu)，而且輸出可以達(dá)到比三級(jí)功放結(jié)構(gòu)更高的5W,這得益于鎖相源的輸出功率的提高，還得益于固態(tài)微波芯片技術(shù)的發(fā)展，集成度更高、增益更高、功率更高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
低雜波系統(tǒng)前級(jí)固態(tài)微波源的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及低雜波系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及低雜波系統(tǒng)前級(jí)固態(tài)微波源的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)由壓控振蕩源(VCO)、一級(jí)功放、PIN快控開(kāi)關(guān)、二級(jí)功放、三級(jí)功放、功分器和穩(wěn)壓電源模塊組成。如圖1所示，首先VCO產(chǎn)生初始頻率和功率，經(jīng)過(guò)三級(jí)放大之后產(chǎn)生一個(gè)2.45GHz 4W的功率源，經(jīng)過(guò)功分器的兩等分輸出。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)有如下缺點(diǎn):
①VCO產(chǎn)生的功率小，僅為3dBm.②不能鎖相，產(chǎn)生的2.45GHz頻率不穩(wěn)，容易受到外界因素比如溫度的干擾而產(chǎn)生頻
Vtk ο
[0004]③三級(jí)功放串聯(lián)的結(jié)構(gòu)可以大大增加了意外情況下自激的風(fēng)險(xiǎn)。
[0005]④沒(méi)有參考相位輸出。
[0006]不能內(nèi)部自行調(diào)節(jié)功率大小，意外情況下不能自行斷開(kāi)PIN開(kāi)關(guān)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的就是為了彌補(bǔ)已有技術(shù)的缺陷，提供低雜波系統(tǒng)前級(jí)固態(tài)微波源的設(shè)計(jì)方法。
[0008]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
低雜波系統(tǒng)前級(jí)固態(tài)微波源的設(shè)計(jì)方法，包括有鎖相源、一級(jí)功放、程控電壓衰減器、二級(jí)功放、PIN快控開(kāi)關(guān)、功分器、耦合器、檢波模塊、控制模塊以及供電穩(wěn)壓電源，鎖相源的輸出端依次與一級(jí)功放、程控電壓衰減器、PIN快控開(kāi)關(guān)、二級(jí)功放和功分器連接，功分器的兩個(gè)輸出端為功率輸出端，耦合器采用微帶耦合，耦合器的耦合輸出端作為參考相位使用，耦合器的直通輸出端與檢波模塊連接，檢波模塊的輸出端與控制模塊連接，控制模塊的輸出端分別連接程控電壓衰減器和PIN快控開(kāi)關(guān)，從鎖相源產(chǎn)生的初始頻率和功率依次經(jīng)過(guò)兩級(jí)功放后產(chǎn)生功率源，功率源經(jīng)過(guò)功分器兩等分輸出，從耦合器出來(lái)的功率一部分作為參考相位使用，觀測(cè)輸入給鎖相源的調(diào)相信號(hào)是否準(zhǔn)確，另一部分經(jīng)過(guò)檢波模塊轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，傳入控制模塊中，在控制模塊的單片機(jī)中事先存入階梯式閾值，當(dāng)超過(guò)一個(gè)較低的閾值時(shí)，可根據(jù)耦合功率大小自行調(diào)節(jié)，以保持兩個(gè)功率輸出端口恒定輸出；當(dāng)超過(guò)較高的閾值時(shí)，說(shuō)明遇到一些緊急情況，自行關(guān)斷PIN快控開(kāi)關(guān)。
[0009]在鎖相源后方、兩個(gè)功率輸出端口的前面和參考相位輸出端前面均連接有隔離器。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明鎖相源替代了VC0，既保證了頻率不受外界環(huán)境因素的干擾，同時(shí)也可以對(duì)相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，隔離器的運(yùn)用，防止了反射功率過(guò)大對(duì)鎖相源和功放芯片造成的損害，原有的三級(jí)功放結(jié)構(gòu)換為了兩級(jí)功放結(jié)構(gòu)，而且輸出可以達(dá)到比三級(jí)功放結(jié)構(gòu)更高的5W，這得益于鎖相源的輸出功率的提高，還得益于固態(tài)微波芯片技術(shù)的發(fā)展，集成度更高、增益更高、功率更高。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖2本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3為鎖相源結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖4為鎖相源細(xì)節(jié)圖。
[0015]圖5為一級(jí)功放和可控衰減結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖6為PIN快控開(kāi)關(guān)及二級(jí)功放結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖7為功分器電路圖。
[0018]圖8為耦合器電路圖。
[0019]圖9為檢波模塊電路圖。
[0020]圖10為控制模塊電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]如圖2所示，低雜波系統(tǒng)前級(jí)固態(tài)微波源的設(shè)計(jì)方法，包括有鎖相源1、一級(jí)功放2、程控電壓衰減器3、二級(jí)功放5、PIN快控開(kāi)關(guān)4、功分器6、親合器7、檢波模塊8、控制模塊9以及供電穩(wěn)壓電源10，鎖相源I的輸出端依次與一級(jí)功放2、程控電壓衰減器3、PIN快控開(kāi)關(guān)4、二級(jí)功放5和功分器6連接，功分器6的兩個(gè)輸出端為功率輸出端，耦合器7采用微帶耦合的形式，耦合器7的耦合輸出端作為參考相位使用，耦合器7的直通輸出端與檢波模塊8連接，檢波模塊8的輸出端與控制模塊9連接，控制模塊9的輸出端分別連接程控電壓衰減器3和PIN快控開(kāi)關(guān)4，從鎖相源I產(chǎn)生的初始頻率和功率依次經(jīng)過(guò)兩級(jí)功放后產(chǎn)生功率源，功率源經(jīng)過(guò)功分器6兩等分輸出，從耦合器7出來(lái)的功率一部分作為參考相位使用，觀測(cè)輸入給鎖相源的調(diào)相信號(hào)是否準(zhǔn)確，另一部分經(jīng)過(guò)檢波模塊8轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，傳入控制模塊9中，在控制模塊9的單片機(jī)中事先存入階梯式閾值，當(dāng)超過(guò)一個(gè)較低的閾值時(shí)，可根據(jù)耦合功率大小自行調(diào)節(jié)，以保持兩個(gè)功率輸出端口恒定輸出；當(dāng)超過(guò)較高的閾值時(shí)，說(shuō)明遇到一些緊急情況，自行關(guān)斷PIN快控開(kāi)關(guān)4。
[0022]在鎖相源I后方、兩個(gè)功率輸出端口的前面和參考相位輸出端前面均連接有隔離器11。
[0023]如圖3、圖4所示，一般鎖相環(huán)頻率合成器主要由壓控振蕩器VC0，鑒頻鑒相器PFD，環(huán)路濾波器LF，參考源REF四部分組成。本設(shè)計(jì)由直流電壓源SRC4、V⑶分頻器VC02、鑒頻鑒相器PFD、環(huán)路濾波器LP、參考源SRC6組成。其中環(huán)路濾波器LF由C4、R3、Rl、C6、R4、C3組成。
[0024]直流電壓源SRC4—端接地，另一端與VC02的dN端口相連接，提供VC02中的VCO及分頻器的工作電壓。VC02的VC0端口輸出VC02的輸出頻率FREQout; f req端口輸出的頻率與vco端口輸出頻率成倍數(shù)，可以是VCO端口輸出頻率的二分頻、四分頻，八分頻等;vcon端輸出vco端口輸出經(jīng)過(guò)N分頻后的頻率;tune端輸入由環(huán)路濾波器提供的電壓，控制壓控振蕩器的輸出頻率。鑒頻鑒相器ΡΠ)—端接由SRC6提供的高穩(wěn)定信號(hào)REF，一端接由VC02的vcon端口輸出的信號(hào)，比較此兩端口的相位或頻率，然后輸出相應(yīng)的誤差電流；另外兩端相連，將誤差電流送到到環(huán)路濾波器LF。環(huán)路濾波器LF是一個(gè)四階無(wú)源低通濾波器，可以濾除高頻分量和噪聲，通過(guò)Rl和R4的電壓放大功能為VC02中的壓控振蕩器提供調(diào)諧電壓。所以最終VC02 穩(wěn)定輸出頻率:FREQout=N^REF。
[0025]圖5所示，C05:—方面起到信號(hào)隔直的作用，同時(shí)配合微帶TLOl起來(lái)一級(jí)功放輸入匹配的作用。扎02，1103丄01，(:14共同組成了一級(jí)功放的輸出匹配，1102和1103的寬度長(zhǎng)度不同，LOl、C14可以有效的防止射頻功率耦合到直流電源中，保證射頻功率傳輸效率的最大化。LOl的范圍為3nH-30nH，C14的范圍為lpF-30pF<X07:隔直電容Pind1de2、Pind1de3、Pind1de4、Pind1de5四個(gè)PIN 二極管構(gòu)成了一組互易衰減網(wǎng)絡(luò)，PIN 二極管，它開(kāi)路和短路特性好、控制速度快、微波損耗小、可控功率容量大，因此在射頻高功率電路中經(jīng)常采用PIN管.PIN管在射頻信號(hào)與直流偏置同時(shí)作用時(shí)，其所呈現(xiàn)的阻抗大小主要決定于直流偏置的極性及其量值，而幾乎與射頻信號(hào)的幅度無(wú)關(guān)。因此PIN管可以用很小的控制功率來(lái)控制很大的射頻信號(hào)功率。采用四個(gè)性能完全匹配的PIN 二極管，有助于保證衰減器輸入輸出臂之間具有更好的對(duì)稱(chēng)性。R3、R4、R06提供分路偏壓，SRC4為5V恒壓源。與電阻R07相連的電壓為二極管提供分壓，電壓的范圍0-12V，衰減的范圍0-40dB.這個(gè)電壓通過(guò)控制器控制。ClO:為隔直電容。
[0026]如圖6所示，Pind1del:利用PIN管在直流正-反偏壓下呈現(xiàn)近似導(dǎo)通或斷開(kāi)的阻抗特性，實(shí)現(xiàn)了控制微波信號(hào)通道轉(zhuǎn)換作用.PIN 二極管的直流伏安特性和PN結(jié)二極管是一樣的，但是在微波頻段卻有根本的差別。由于PIN 二極I層的總電荷主要由偏置電流產(chǎn)生。而不是由微波電流瞬時(shí)值產(chǎn)生，所以其對(duì)微波信號(hào)只呈現(xiàn)一個(gè)線性電阻。此阻值由直流偏置決定，正偏時(shí)阻值小，接近于短路，反偏時(shí)阻值大，接近于開(kāi)路。因此PIN 二極對(duì)微波信號(hào)不產(chǎn)生非線性整流作用，這是和一般二極管的根本區(qū)別.該P(yáng)IN開(kāi)關(guān)既受控于外界輸入信號(hào)，又可以在緊急情況下自動(dòng)關(guān)斷。
[0027]TL04、C12、TL05、TL06、TL07、L03共同組成了二級(jí)功放的輸入匹配電路；
TL04、TL05、TL06寬度相同，但是長(zhǎng)度不同；TL07寬度不同于TL04;
L05和Cl3的作用是防止射頻功率耦合到直流電源中。
[0028]TL08、TL09、TL10、L04、C15共同組成了二級(jí)功放的輸出匹配電路；
TL08和TL09寬度不同；
TL09和TLlO寬度相同，但是長(zhǎng)度不同；
L06和C16可以有效的防止二級(jí)功放的輸出功率耦合到漏極電源中。
[0029]如圖7所示，1112、孔13、1114、孔15、孔16、01”61(2，3，4，5，6，7，8)、1?11共同組成了功分網(wǎng)絡(luò)，Rl I的封裝型號(hào)可以是0603、0805、1206，根據(jù)射頻功率的大小決定。
[0030]如圖8所示，TLl I和TL23共同構(gòu)成了耦合微帶，TLl I是50歐姆微帶線，TL23不是50歐姆微帶線，TL23的長(zhǎng)度與TL24、TL22的長(zhǎng)度和R08的大小共同決定了耦合功率的多少，TL21是50歐姆的微帶線。
[0031]如圖9所示，R9、HSMS、Cl7、RlO共同組成了檢波網(wǎng)絡(luò)，檢波的目的可以將射頻功率轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，供給之后的控制模塊進(jìn)行內(nèi)部處理。
[0032]如圖10所示，檢波電路輸出的信號(hào)輸入到控制電路中，經(jīng)過(guò)事先設(shè)定的階梯式閾值進(jìn)行自動(dòng)判斷，使得波動(dòng)在一定可接受范圍內(nèi)的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)衰減穩(wěn)定在一個(gè)恒定的值;一旦波動(dòng)范圍過(guò)大，則立即通過(guò)PIN開(kāi)關(guān)關(guān)斷，保護(hù)后續(xù)電路。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種低雜波系統(tǒng)前級(jí)固態(tài)微波源的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:包括有鎖相源、一級(jí)功放、程控電壓衰減器、二級(jí)功放、PIN快控開(kāi)關(guān)、功分器、耦合器、檢波模塊、控制模塊以及供電穩(wěn)壓電源，鎖相源的輸出端依次與一級(jí)功放、程控電壓衰減器、PIN快控開(kāi)關(guān)、二級(jí)功放和功分器連接，功分器的兩個(gè)輸出端為功率輸出端，耦合器采用微帶耦合的形式，耦合器的耦合輸出端作為參考相位使用，耦合器的直通輸出端與檢波模塊連接，檢波模塊的輸出端與控制模塊連接，控制模塊的輸出端分別連接程控電壓衰減器和PIN快控開(kāi)關(guān)，從鎖相源產(chǎn)生的初始頻率和功率依次經(jīng)過(guò)兩級(jí)功放后產(chǎn)生功率源，功率源經(jīng)過(guò)功分器兩等分輸出，從耦合器出來(lái)的功率一部分作為參考相位使用，觀測(cè)輸入給鎖相源的調(diào)相信號(hào)是否準(zhǔn)確，另一部分經(jīng)過(guò)檢波模塊轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，傳入控制模塊中，在控制模塊的單片機(jī)中事先存入階梯式閾值，當(dāng)超過(guò)一個(gè)較低的閾值時(shí)，可根據(jù)耦合功率大小自行調(diào)節(jié)，以保持兩個(gè)功率輸出端口恒定輸出；當(dāng)超過(guò)較高的閾值時(shí)，說(shuō)明遇到一些緊急情況，自行關(guān)斷PIN快控開(kāi)關(guān)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低雜波系統(tǒng)前級(jí)固態(tài)微波源的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:在鎖相源后方、兩個(gè)功率輸出端口的前面和參考相位輸出端前面均連接有隔離器。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK106055732SQ201610293697
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月3日
【發(fā)明人】朱梁, 單家芳, 劉甫坤, 唐宇剛, 王中麗, 賈華, 馬文東, 楊永, 馮建強(qiáng), 吳則革, 程敏, 彭承堯
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所