低杂波系统前级固态微波源的设计方法
【专利摘要】本发明公开了低杂波系统前级固态微波源的设计方法，锁相源的输出端依次与一级功放、程控电压衰减器、PIN快控开关、二级功放和功分器连接，功分器的两个输出端为功率输出端，耦合器采用微带耦合的形式，耦合器的耦合输出端作为参考相位使用，耦合器的直通输出端与检波模块连接，检波模块的输出端与控制模块连接，控制模块的输出端分别连接程控电压衰减器和PIN快控开关，本发明将原有的三级功放结构换为了两级功放结构，而且输出可以达到比三级功放结构更高的5W,这得益于锁相源的输出功率的提高，还得益于固态微波芯片技术的发展，集成度更高、增益更高、功率更高。
【专利说明】
低杂波系统前级固态微波源的设计方法
技术领域
[0001]本发明涉及低杂波系统技术领域，尤其涉及低杂波系统前级固态微波源的设计方法。
【背景技术】
[0002]现有技术由压控振荡源(VCO)、一级功放、PIN快控开关、二级功放、三级功放、功分器和稳压电源模块组成。如图1所示，首先VCO产生初始频率和功率，经过三级放大之后产生一个2.45GHz 4W的功率源，经过功分器的两等分输出。
[0003]现有技术有如下缺点:
①VCO产生的功率小，仅为3dBm.②不能锁相，产生的2.45GHz频率不稳，容易受到外界因素比如温度的干扰而产生频
Vtk ο
[0004]③三级功放串联的结构可以大大增加了意外情况下自激的风险。
[0005]④没有参考相位输出。
[0006]不能内部自行调节功率大小，意外情况下不能自行断开PIN开关。
【发明内容】
[0007]本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供低杂波系统前级固态微波源的设计方法。
[0008]本发明是通过以下技术方案实现的:
低杂波系统前级固态微波源的设计方法，包括有锁相源、一级功放、程控电压衰减器、二级功放、PIN快控开关、功分器、耦合器、检波模块、控制模块以及供电稳压电源，锁相源的输出端依次与一级功放、程控电压衰减器、PIN快控开关、二级功放和功分器连接，功分器的两个输出端为功率输出端，耦合器采用微带耦合，耦合器的耦合输出端作为参考相位使用，耦合器的直通输出端与检波模块连接，检波模块的输出端与控制模块连接，控制模块的输出端分别连接程控电压衰减器和PIN快控开关，从锁相源产生的初始频率和功率依次经过两级功放后产生功率源，功率源经过功分器两等分输出，从耦合器出来的功率一部分作为参考相位使用，观测输入给锁相源的调相信号是否准确，另一部分经过检波模块转换为电压信号，传入控制模块中，在控制模块的单片机中事先存入阶梯式阈值，当超过一个较低的阈值时，可根据耦合功率大小自行调节，以保持两个功率输出端口恒定输出；当超过较高的阈值时，说明遇到一些紧急情况，自行关断PIN快控开关。
[0009]在锁相源后方、两个功率输出端口的前面和参考相位输出端前面均连接有隔离器。
[0010]本发明的优点是:本发明锁相源替代了VC0，既保证了频率不受外界环境因素的干扰，同时也可以对相位进行调节，隔离器的运用，防止了反射功率过大对锁相源和功放芯片造成的损害，原有的三级功放结构换为了两级功放结构，而且输出可以达到比三级功放结构更高的5W，这得益于锁相源的输出功率的提高，还得益于固态微波芯片技术的发展，集成度更高、增益更高、功率更高。
【附图说明】
[0011]图1为现有技术结构图。
[0012]图2本发明的结构示意图。
[0013]图3为锁相源结构图。
[0014]图4为锁相源细节图。
[0015]图5为一级功放和可控衰减结构图。
[0016]图6为PIN快控开关及二级功放结构图。
[0017]图7为功分器电路图。
[0018]图8为耦合器电路图。
[0019]图9为检波模块电路图。
[0020]图10为控制模块电路图。
【具体实施方式】
[0021]如图2所示，低杂波系统前级固态微波源的设计方法，包括有锁相源1、一级功放2、程控电压衰减器3、二级功放5、PIN快控开关4、功分器6、親合器7、检波模块8、控制模块9以及供电稳压电源10，锁相源I的输出端依次与一级功放2、程控电压衰减器3、PIN快控开关4、二级功放5和功分器6连接，功分器6的两个输出端为功率输出端，耦合器7采用微带耦合的形式，耦合器7的耦合输出端作为参考相位使用，耦合器7的直通输出端与检波模块8连接，检波模块8的输出端与控制模块9连接，控制模块9的输出端分别连接程控电压衰减器3和PIN快控开关4，从锁相源I产生的初始频率和功率依次经过两级功放后产生功率源，功率源经过功分器6两等分输出，从耦合器7出来的功率一部分作为参考相位使用，观测输入给锁相源的调相信号是否准确，另一部分经过检波模块8转换为电压信号，传入控制模块9中，在控制模块9的单片机中事先存入阶梯式阈值，当超过一个较低的阈值时，可根据耦合功率大小自行调节，以保持两个功率输出端口恒定输出；当超过较高的阈值时，说明遇到一些紧急情况，自行关断PIN快控开关4。
[0022]在锁相源I后方、两个功率输出端口的前面和参考相位输出端前面均连接有隔离器11。
[0023]如图3、图4所示，一般锁相环频率合成器主要由压控振荡器VC0，鉴频鉴相器PFD，环路滤波器LF，参考源REF四部分组成。本设计由直流电压源SRC4、V⑶分频器VC02、鉴频鉴相器PFD、环路滤波器LP、参考源SRC6组成。其中环路滤波器LF由C4、R3、Rl、C6、R4、C3组成。
[0024]直流电压源SRC4—端接地，另一端与VC02的dN端口相连接，提供VC02中的VCO及分频器的工作电压。VC02的VC0端口输出VC02的输出频率FREQout; f req端口输出的频率与vco端口输出频率成倍数，可以是VCO端口输出频率的二分频、四分频，八分频等;vcon端输出vco端口输出经过N分频后的频率;tune端输入由环路滤波器提供的电压，控制压控振荡器的输出频率。鉴频鉴相器ΡΠ)—端接由SRC6提供的高稳定信号REF，一端接由VC02的vcon端口输出的信号，比较此两端口的相位或频率，然后输出相应的误差电流；另外两端相连，将误差电流送到到环路滤波器LF。环路滤波器LF是一个四阶无源低通滤波器，可以滤除高频分量和噪声，通过Rl和R4的电压放大功能为VC02中的压控振荡器提供调谐电压。所以最终VC02 稳定输出频率:FREQout=N^REF。
[0025]图5所示，C05:—方面起到信号隔直的作用，同时配合微带TLOl起来一级功放输入匹配的作用。扎02，1103丄01，(:14共同组成了一级功放的输出匹配，1102和1103的宽度长度不同，LOl、C14可以有效的防止射频功率耦合到直流电源中，保证射频功率传输效率的最大化。LOl的范围为3nH-30nH，C14的范围为lpF-30pF<X07:隔直电容Pind1de2、Pind1de3、Pind1de4、Pind1de5四个PIN 二极管构成了一组互易衰减网络，PIN 二极管，它开路和短路特性好、控制速度快、微波损耗小、可控功率容量大，因此在射频高功率电路中经常采用PIN管.PIN管在射频信号与直流偏置同时作用时，其所呈现的阻抗大小主要决定于直流偏置的极性及其量值，而几乎与射频信号的幅度无关。因此PIN管可以用很小的控制功率来控制很大的射频信号功率。采用四个性能完全匹配的PIN 二极管，有助于保证衰减器输入输出臂之间具有更好的对称性。R3、R4、R06提供分路偏压，SRC4为5V恒压源。与电阻R07相连的电压为二极管提供分压，电压的范围0-12V，衰减的范围0-40dB.这个电压通过控制器控制。ClO:为隔直电容。
[0026]如图6所示，Pind1del:利用PIN管在直流正-反偏压下呈现近似导通或断开的阻抗特性，实现了控制微波信号通道转换作用.PIN 二极管的直流伏安特性和PN结二极管是一样的，但是在微波频段却有根本的差别。由于PIN 二极I层的总电荷主要由偏置电流产生。而不是由微波电流瞬时值产生，所以其对微波信号只呈现一个线性电阻。此阻值由直流偏置决定，正偏时阻值小，接近于短路，反偏时阻值大，接近于开路。因此PIN 二极对微波信号不产生非线性整流作用，这是和一般二极管的根本区别.该PIN开关既受控于外界输入信号，又可以在紧急情况下自动关断。
[0027]TL04、C12、TL05、TL06、TL07、L03共同组成了二级功放的输入匹配电路；
TL04、TL05、TL06宽度相同，但是长度不同；TL07宽度不同于TL04;
L05和Cl3的作用是防止射频功率耦合到直流电源中。
[0028]TL08、TL09、TL10、L04、C15共同组成了二级功放的输出匹配电路；
TL08和TL09宽度不同；
TL09和TLlO宽度相同，但是长度不同；
L06和C16可以有效的防止二级功放的输出功率耦合到漏极电源中。
[0029]如图7所示，1112、孔13、1114、孔15、孔16、01”61(2，3，4，5，6，7，8)、1?11共同组成了功分网络，Rl I的封装型号可以是0603、0805、1206，根据射频功率的大小决定。
[0030]如图8所示，TLl I和TL23共同构成了耦合微带，TLl I是50欧姆微带线，TL23不是50欧姆微带线，TL23的长度与TL24、TL22的长度和R08的大小共同决定了耦合功率的多少，TL21是50欧姆的微带线。
[0031]如图9所示，R9、HSMS、Cl7、RlO共同组成了检波网络，检波的目的可以将射频功率转换为对应的模拟电压信号，供给之后的控制模块进行内部处理。
[0032]如图10所示，检波电路输出的信号输入到控制电路中，经过事先设定的阶梯式阈值进行自动判断，使得波动在一定可接受范围内的信号经过调节可调衰减稳定在一个恒定的值;一旦波动范围过大，则立即通过PIN开关关断，保护后续电路。
【主权项】
1.一种低杂波系统前级固态微波源的设计方法，其特征在于:包括有锁相源、一级功放、程控电压衰减器、二级功放、PIN快控开关、功分器、耦合器、检波模块、控制模块以及供电稳压电源，锁相源的输出端依次与一级功放、程控电压衰减器、PIN快控开关、二级功放和功分器连接，功分器的两个输出端为功率输出端，耦合器采用微带耦合的形式，耦合器的耦合输出端作为参考相位使用，耦合器的直通输出端与检波模块连接，检波模块的输出端与控制模块连接，控制模块的输出端分别连接程控电压衰减器和PIN快控开关，从锁相源产生的初始频率和功率依次经过两级功放后产生功率源，功率源经过功分器两等分输出，从耦合器出来的功率一部分作为参考相位使用，观测输入给锁相源的调相信号是否准确，另一部分经过检波模块转换为电压信号，传入控制模块中，在控制模块的单片机中事先存入阶梯式阈值，当超过一个较低的阈值时，可根据耦合功率大小自行调节，以保持两个功率输出端口恒定输出；当超过较高的阈值时，说明遇到一些紧急情况，自行关断PIN快控开关。2.根据权利要求1所述的低杂波系统前级固态微波源的设计方法，其特征在于:在锁相源后方、两个功率输出端口的前面和参考相位输出端前面均连接有隔离器。
【文档编号】G06F17/50GK106055732SQ201610293697
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】朱梁, 单家芳, 刘甫坤, 唐宇刚, 王中丽, 贾华, 马文东, 杨永, 冯建强, 吴则革, 程敏, 彭承尧
【申请人】中国科学院等离子体物理研究所