一种基于双平衡结构的宽带微波窄脉冲调制器

1.本发明属于微波脉冲调制器领域，具体涉及一种基于双平衡结构的宽带微波窄脉冲调制器。


背景技术：

2.微波信号源(微波信号发生器)是产生微波信号的仪器装置，是构成现代微波系统和微波测量系统的最基本成分。它能够产生不同频率、不同幅度的微波正弦信号，其输出信号的频率、幅度和调制特性均可以在规定限度内进行调节。微波信号源的调制脉冲广泛应用于脉冲体制雷达系统、粒子加速器、导引头、射频微波系统的测量与校准、微波通信收发机系统、电子对抗、生物医学等领域。另外，以微波窄脉冲信号为基础的“微波激励热声成像”是目前生物医学成像领域研究的一个热点。成像分辨率与微波脉冲的宽度有直接的关系，研究发现,减小微波脉冲的宽度与提高微波脉冲的峰值功率都能改善成像分辨率、获得更好的成像效果。同时，越窄的微波脉宽，具有越高的热声效应激发效率与越小的激发能量密度，对身体潜在的热损伤越小。
3.目前国内外研究微波脉冲调制器的方向主要有两种：一种是以追求高隔离度为目标，具有代表性的是以pin二极管制成微波开关实现脉冲调制，这种脉冲调制器存在响应时间较长、调制脉冲重频较低等不足。另一种是基于真空电子管的脉冲调制器，典型构造是预调制器给调制开关管传输推动脉冲功率，通过调制开关管控制微波管电子注的通断而产生微波脉冲。在这一类经典调制器中，无论是软性调制器、刚性调制器，亦或是线性调制器，都难以形成纳秒级窄脉冲。另一方面，采用真空电子管，存在损耗高、庞大的驱动电路及冷却麻烦等缺点。


技术实现要素：

4.针对现有脉冲调制器的存在的缺陷，本发明提供了一种基于双平衡结构的宽带微波窄脉冲调制器，该微波窄脉冲调制器具有制作成本低、脉冲调制性能优良等优点。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.一种基于双平衡结构的宽带微波窄脉冲调制器，包括介质基板、设置于介质基板中部的中频输入电路、以及设置于介质基板左右两侧的本振巴伦和射频巴伦。
7.所述本振巴伦和射频巴伦通过环形金属接地板在介质基板背面形成共同地。
8.所述本振巴伦包括一个不平衡输入端口p1，两个平衡输出端口p2、p3，所述射频巴伦包括一个不平衡输出端口p4，两个平衡输入端口p5、p6，其中，输入端口p5设置于介质基板正面，输入端口p6设置于介质基板背面，输出端口p2向上弯折、并通过一个金属化通孔引入到介质基板背面，输出端口p3向下弯折、并通过一个金属化通孔引入到介质基板正面，且输出端口p2、p3和输入端口p5、p6通过四个肖特基二极管组成星型二极管电桥。
9.所述中频输出电路包括设置于介质基板正面的金属微带传输线和第一高阻抗线、设置于介质基板背面的第二高阻抗线，金属微带传输线的一端为输入端口p7，另一端设置
为功分结构，所述功分结构的其中一个输出端通过第一高阻抗线连接输出端口p2，另一个输出端通过金属化通孔连通第二高阻抗线，第二高阻抗线的另一端连接输出端口p3。
10.所述介质基板正面还设置有第三高阻抗线，第三高阻抗线的一端连接输入端口p5，另一端通过金属化通孔连接环形金属接地板；所述介质基板背面还设置有第四高阻抗线，第四高阻抗线的一端连接输入端口p6，另一端连接环形金属接地板。进一步地，所述第一高阻抗线、第二高阻抗线的长度相同；所述第三高阻抗线、第四高阻抗线的长度相同。
11.进一步地，所述环形金属接地板设置有两个矩形凸起，用于使第一、第二、第三、第四高阻抗线的长度为0.2λ～0.4λ，λ为连续波信号中心频率波长。
12.进一步地，所述本振巴伦和射频巴伦均为双面渐近线微带巴伦。
13.进一步地，所述介质基板采用rogers4003介质材料，其介电常数为3.55，介质基片厚度为0.508mm。
14.进一步地，所述肖特基二极管为四个性能相同的ma4e1317肖特基二极管。
15.进一步地，所述输入端口p1输入连续波信号作为待调制信号，输出端口p2、p3输出待调制平衡信号；中频端口p7输入时域方波信号作为开关控制信号；输入端口p5、p6输入已调制脉冲平衡信号，输出端口p4输出已调制脉冲信号。
16.本发明采用的巴伦为非平衡
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平衡信号转换结构，由两个巴伦构成的结构即称为双平衡结构，它具有高隔离度、大动态范围、超宽带等优点。本发明使用两个巴伦与二极管电桥连接的形式对连续波信号进行脉冲调制，用以输出高隔离度的微波脉冲信号。调制器本振端口p1输入连续波信号作为待调制信号，中频端口p7输入时域方波信号作为开关信号，射频端口p4输出宽带窄脉冲调制信号。
17.本发明中，通过双面渐近线微带巴伦将非平衡信号转换为平衡信号。根据奇偶模分析法，由本振输入端口p1输入的非平衡连续波信号，可以分解为偶模信号和奇模信号，由于本振巴伦偶模阻抗非常大，导致输入的偶模信号被抑制无法到达输出端口，使得只有奇模信号顺利输出到两个输出端口p2、p3；射频巴伦输入端口p5、p6输入的已调制脉冲平衡信号经过射频巴伦的平衡
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非平衡转换功能，由射频巴伦输出端口p4输出已调制脉冲信号。
18.脉冲调制过程如下：当中频输入端口p7输入的时域方波信号处于高电平时，二极管电桥导通，本振巴伦输出端口p2、p3输出的平衡信号输出到射频巴伦输入端口p5、p6；当时域方波信号处于低电平时，二极管电桥截止，连续波信号无法传输到射频端口，从而实现微波脉冲调制过程。
19.本发明相比于传统微波脉冲调制器，具有以下有益效果：
20.1、本发明通过采用肖特基二极管电桥与两个超宽带微带巴伦组成双平衡结构作为脉冲调制器，开关速度快，可以达到ns级的上升下降沿，将微波脉冲调制下降到几个ns的量级。
21.2、本发明通过采用双面微带渐变线巴伦的形式设计了本振和射频巴伦，使脉冲调制器实现了超宽带的特性，将微波脉冲调制器的应用频率范围提升到10个ghz的超宽频带。
22.3、本发明采用性能完全相同的四个低势垒肖特基二极管组成二极管电桥，通过锡焊的形式牢固地焊接在本振和射频巴伦的四个输出端口上，肖特基二极管的一致性决定了微波脉冲调制器的高隔离度。
23.4、本发明电路制作简单，采用无源双平衡结构实现宽带脉冲调制器，不需要外加
偏置电路，使得脉冲调制器性能十分可靠。
附图说明
24.图1是本文采用的微波窄脉冲调制器设计原理图；
25.图2是本文所设计的无源双平衡混频器的电路原理图；
26.图3(a)是绝缘介质基板上的电路结构示意图；
27.图3(b)是绝缘介质基板下表面的电路结构示意图；
28.图4(a)是本发明的宽带微波窄脉冲源1ghz输出信号图；
29.图4(b)是本发明的宽带微波窄脉冲源4ghz输出信号图；
30.图4(c)是本发明的宽带微波窄脉冲源8ghz输出信号图；
31.图4(d)是本发明的宽带微波窄脉冲源12ghz输出信号图；
32.图5是本发明的宽带微波窄脉冲源输出信号的隔离度设计结果；其中，1、本振巴伦输入端口p1；2、本振巴伦输出端口p2；3、本振巴伦输出端口p3；4、射频巴输出端口p4；5、射频巴伦输入端口p5；6、射频巴伦输入端口p6；7、中频输入端口p7；8、第一高阻抗线；9、第二高阻抗线；10、第三高阻抗线；11、第四高阻抗线；12、功分结构；13、第一矩形凸起；14、第二矩形凸起；15、环形金属接地板；16、金属微带传输线；17、介质基板。
具体实施方式
33.为了详细解释本发明的优点、技术方案和原理，以下将以说明书附图结合实施例提供对本申请的进一步描述。需要申明的是，以下给出的具体实例仅仅起到详细解释说明本发明的作用，并不构成对本申请的任何限定。
34.一种基于双平衡结构的宽带微波窄脉冲调制器，包括介质基板、设置于介质基板中部的中频输入电路、以及设置于介质基板左右两侧的本振巴伦和射频巴伦；其中，本振巴伦和射频巴伦为微带线渐变巴伦；介质基板长37.2mm，宽28.8mm，绝缘介质板采用rogers4003基板，基板厚度采用0.508mm，需要指出的是，该基板厚度在0.1
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1mm之间均能很好地满足本发明设计要求。基于此介质基板的50欧姆特征阻抗微带线(即端口分别是p1、p4、p7的微带线)宽度为1.1mm，基于此介质基板的70欧姆特征阻抗平行带线(即端口分别是p2、p3、p5、p6的微带线)宽度为0.8mm。
35.所述本振巴伦和射频巴伦通过环形金属接地板在介质基板背面形成共同地。
36.所述本振巴伦包括一个不平衡输入端口p1，两个平衡输出端口p2、p3，所述射频巴伦包括一个不平衡输出端口p4，两个平衡输入端口p5、p6，其中，输入端口p5设置于介质基板正面，输入端口p6设置于介质基板背面，输出端口p2向上弯折、并通过一个金属化通孔引入到介质基板背面，输出端口p3向下弯折、并通过一个金属化通孔引入到介质基板正面，且输出端口p2、p3和输入端口p5、p6通过四个肖特基二极管组成星型二极管电桥。二极管电桥采用macom公司生产的4个ma4e1317型肖特基二极管构成，该型二极管标准结电容为0.02pf，长0.66mm，宽0.33mm。此型二极管的开关隔离度为40db，在微波脉冲调制中能够起到良好的作用。
37.所述中频输出电路包括设置于介质基板正面的金属微带传输线和第一高阻抗线、设置于介质基板背面的第二高阻抗线，第一和第二高阻抗线长8mm，宽度均为0.2mm。
38.所述介质基板正面还设置有第三高阻抗线，所述介质基板背面还设置有第四高阻抗线，第三和第四高阻抗线长6mm,宽度均为0.2mm。
39.所述接地板由环形金属接地板和第一矩形凸起、第二矩形凸起构成。第一矩形凸起的作用是保持第一和第二高阻抗线长度一致且在0.2λ～0.4λ范围内，第二矩形凸起的作用是保持第三高阻抗线和第四高阻抗线长度一致且在0.2λ～0.4λ范围内，λ为连续波信号中心频率波长，并且第二矩形凸起还用于构成中频金属微带传输线的接地部分。其中第一矩形凸起长14mm，宽4.5mm，第二矩形凸起长10mm，宽4.5mm。
40.本实施例工作在1
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12ghz频段以内，脉冲调制器的调制脉冲波形输出结果如图4所示，本脉冲调制器可以产生1
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12ghz宽频带的脉冲输出信号，上升/下降沿都在几个ns之内；脉冲调制信号隔离度如图5所示，在整个工作频段内，该脉冲调制器所调制的脉冲信号隔离度均大于50db，显示了优良的脉冲调制性能。
41.以上实施方式旨在解释说明而非限制。应当理解的是，该摘要将不用于解释或限制权利要求的范围或意义。而且，在以上的具体实施方式中，各种特征可组合在一起以简化本发明。尽管已经描述了本发明的各种实施例，但是本领域普通技术人员应当知晓，在本发明的范围内，还可以有更多的实施例和实现方法。凡根据本发明内容所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。