CN101626223A

CN101626223A - 一种射频微波***用的电调衰减器

Info

Publication number: CN101626223A
Application number: CN200910041793A
Authority: CN
Inventors: 文俊
Original assignee: FOSHAN WIDE SPECTRUM RF TECHNOLOGY R&D Co Ltd
Current assignee: Guangdong quanpu Technology Co., Ltd
Priority date: 2009-08-11
Filing date: 2009-08-11
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2029-08-11
Also published as: CN101626223B

Abstract

本发明是一种射频微波***用的电调衰减器，包括：用于将射频输入预先衰减的串联衰减电阻；用于对经过预先衰减的射频输入作进一步衰减的并联PIN管衰减模块；用于提供并联PIN管衰减模块中PIN二极管的电流并控制所提供的电流在线性工作范围内的PIN管偏流控制电路；其中射频输入为串联衰减电阻的输入，串联衰减电阻与并联PIN管衰减模块依次连接，并联PIN管衰减模块接地，其输出为射频输出；控制电压作为PIN管偏流控制电路的输入，PIN管偏流控制电路的一个输出端与并联PIN管衰减模块电连接。本发明结构简单，使用灵活，适用性强，适用于毫瓦级的小信号，还适用于百毫瓦级甚至瓦级的信号。

Description

一种射频微波***用的电调衰减器

技术领域

本发明涉及一种可调衰减器，特别涉及一种射频微波***用的可调衰减器。

背景技术

在射频微波频段，通过直流电压来调节***的增益是常见的技术需求。调节***的增益有多种办法，例如调节栅压，或者调节PIN二极管电流等等。但是这些办法，通常都只适用于毫瓦级功率电平。当输入过荷时，其衰减量产生的同时将伴随着严重的信号失真；在输入过荷严重时，甚至部分的或完全的失去可调衰减功能。

虽然大多数的射频微波***都只需要在小信号调节增益，但是在百亳瓦甚至瓦级调节增益的需求还是存在的，例如把功率进一步放大的附加器***。为了使***既保持线性又实现增益可调，从PIN电调衰减器问世到至今的数十年间，通常的做法是先把输入功率衰减到足够小，然后使用传统的小信号可调衰减器进行调节，再增加放大级把信号放大回来。这种处理办法的缺陷是明显的：既增加了***复杂度，提高了成本，又降低了效率，增大了***噪声。因此，迫切需要设计一种可以实现对百毫瓦甚至瓦级输入直接进行连续增益调节的可调衰减器，以适应射频微波***不同功率输入的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种射频微波***用的功率级PIN电调衰减器，该电调衰减器可以实现对百毫瓦甚至瓦级输入直接进行连续增益调节。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种射频微波***用的电调衰减器，其特征是，包括：用于将射频输入预先衰减的串联衰减电阻；用于对经过预先衰减的射频输入作进一步衰减的并联PIN管衰减模块；用于提供并联PIN管衰减模块中PIN二极管的电流并控制所提供的电流在线性工作范围内的PIN管偏流控制电路；所述射频输入为串联衰减电阻的输入，所述串联衰减电阻的输出与并联PIN管衰减模块的输入连接，所述并联PIN管衰减模块接地，其输出为射频输出；控制电压作为所述PIN管偏流控制电路的输入，所述PIN管偏流控制电路的一个输出端与并联PIN管衰减模块电连接。

为了更好地实现本发明，所述电调衰减器在包括串联衰减电阻、并联PIN管衰减模块和PIN管偏流控制电路的基础上，还可以包括配对使用的、用于对并联PIN管衰减模块的阻抗作变换和还原的第一阻抗变换器和第二阻抗变换器；所述第一阻抗变换器的输入与射频输入连接，所述第一阻抗变换器的输出连接串联衰减电阻的输入；所述并联PIN管衰减模块的输出连接第二阻抗变换器的输入，第二阻抗变换器的输出为射频输出。

所述电调衰减器在包括串联衰减电阻、并联PIN管衰减模块和PIN管偏流控制电路的基础上，还可以包括用于对射频输入作再次衰减的串联PIN管衰减模块；所述并联PIN管衰减模块的输出连接串联PIN管衰减模块的输入，串联PIN管衰减模块的输出为射频输出；所述PIN管偏流控制电路的另一个输出端与串联PIN管衰减模块电连接，用于提供串联PIN管衰减模块中PIN二极管的电流(并联PIN管衰减模块与串联PIN管衰减模块的电流随控制电压的变化而产生方向相反的变化，其电流量大小相互配合)。

所述电调衰减器在包括串联衰减电阻、并联PIN管衰减模块、PIN管偏流控制电路、第一阻抗变换器和第二阻抗变换器的基础上，还可以包括用于对射频输入作再次衰减的串联PIN管衰减模块；所述第二阻抗变换器的输出连接串联PIN管衰减模块的输入，串联PIN管衰减模块的输出为射频输出；所述PIN管偏流控制电路的另一个输出端与串联PIN管衰减模块电连接，用于提供串联PIN管衰减模块中PIN二极管的电流(并联PIN管衰减模块与串联PIN管衰减模块的电流随控制电压的变化而产生方向相反的变化，其电流量大小相互配合)。

所述电调衰减器在包括串联衰减电阻、并联PIN管衰减模块、PIN管偏流控制电路、第一阻抗变换器、第二阻抗变换器和串联PIN管衰减模块的基础上，还可以包括配对使用的、用于对串联PIN管衰减模块的阻抗作变换和还原的第三阻抗变换器和第四阻抗变换器；所述第二阻抗变换器的输出连接第三阻抗变换器的输入，第三阻抗变换器的输出连接串联PIN管衰减模块的输入，串联PIN管衰减模块的输出连接第四阻抗变换器的输入，第四阻抗变换器的输出为射频输出。第二阻抗变换器与第三阻抗变换器还可以按照变比乘积合二为一或取消(当变比为1时)；窄带使用时第一至第四阻抗变换器也可以用LC变换等常用阻抗变换方式等效实现。

所述第一阻抗变换器采用的变比是1∶4或1∶9或4∶1或9∶1；所述第二阻抗变换器采用的变比是1∶4或1∶9或4∶1或9∶1；所述第三阻抗变换器采用的变比是1∶4或1∶9或4∶1或9∶1；所述第四阻抗变换器采用的变比是1∶4或1∶9或4∶1或9∶1。第一阻抗变换器与第二阻抗变换器配对使用，它们采用的变比相对应，即如果第一阻抗变换器采用的变比为1∶4，则第二阻抗变换器采用的变比为4∶1，依次类推；所述第三阻抗变换器采用变比是1∶4或1∶9或4∶1或9∶1的阻抗变换器，第四阻抗变换器采用变比是1∶4或1∶9或4∶1或9∶1的阻抗变换器；同样的，第三、第四阻抗变换器也是配对使用的。

所述串联衰减电阻是指以串联方式连接的至少一个金膜电阻或者微带电阻；所述以串联方式连接的金膜电阻或者微带电阻的总电阻值为2～100欧姆。

所述并联PIN管衰减模块由两组相同的PIN二极管、电阻、电感和用于抵消PIN管和电路产生的寄生电感的电容相互连接组成；所述两组PIN二极管相对于射频输入对称配置。两组PIN二极管相对于射频输入对称配置有两种情况，分别为相对于射频输入的下地的并联对称(如图5所示)和下地的串联对称(如图6所示)，这二种方式对射频输入而言都是对称的。下地并联对称的特点是控制电压需要得高些，但是电流要求小，电路更简单。下地串联对称则相反，而且为了两边电流平衡，一般是要分别加限流电阻的。从配置的方式可以看出，采用下地并联对称的衰减范围大；采用下地串联对称的衰减范围小，但是当采用相同个数的PIN管时，功率能力比采用下地并联对称的方式更强。通过对称配置，当射频输入进入PIN二极管，一组是先进入PIN正极，一组是先进入PIN的负极。因为二者相反，所以偶次失真相互抵消。并联PIN管衰减模块根据功率要求选择PIN二极管的种类和个数，串联适当容量的电容在工作频段内抵消PIN管和电路的寄生电感从而提高衰减范围。其中，PIN二极管的种类和个数的选择方法是：一是按PIN二极管生产厂家给出信息选择在工作频段范围可用的二极管；二是选择的PIN二极管功耗能力要与需要衰减的功率在同一数量级；三是根据输入功率级与允许的固定衰减量、要求的线性度与可调范围来选择个数。允许的固定衰减量越大，需要并联PIN管衰减模块衰减的功率就越小，即选择PIN管的功率就可以越小，PIN管个数就可以越少。四是试验比较验证来确定。二极管的种类与个数搭配效果会有差异，需要综合考虑成本和电路复杂程度，对称配置的二极管总个数一般在4～8只。

所述串联PIN管衰减模块由两组相同的PIN二极管、电阻、电感和电容相互连接组成；所述两组PIN二极管背对背串联或并联。两组PIN二极管背对背串联(如图7所示)的衰减范围大，两组PIN二极管背对背并联(如图8所示)相对的衰减范围小。根据并联PIN管衰减模块衰减后剩余的功率和调谐范围要求选择串联PIN管衰减模块中PIN二极管的种类和个数，用以按设计要求辅助并联PIN管衰减模块对射频输入进行再次衰减，以满足对射频输入进行增益调节控制的范围。其中，PIN二极管的种类和个数的选择方法是：一是按PIN二极管生产厂家给出信息选择在工作频段范围可用的二极管；二是选择的PIN二极管功耗能力要与经过前面衰减之后的剩余功率在同一数量级；串联PIN二极管的总功耗能力一般需要是经过前面衰减之后的剩余功率的二倍以上。三是根据要求的线性度与可调范围来选择个数，串联个数越多，线性越好，可调范围越大。四是试验比较验证来确定。试验需要与前面的下地PIN管衰减模块的衰减结合进行，需要综合考虑成本和电路复杂程度，串联的PIN二极管个数一般在2～4只。

所述PIN管偏流控制电路由电阻、稳压二极管和三极管相互连接组成。

本发明的工作原理是：通过串联衰减电阻做预先衰减，使得在调衰减时并联PIN管衰减模块的电流增大(此时下地等效电阻减小)，功率主要消耗在串联衰减电阻上，并联PIN管衰减模块的电流增大也减低了失真，提高了功率能力。一般并联PIN管衰减模块中PIN二极管的电流增大到接近最大时，串联PIN管衰减模块中PIN二极管电流才开始明显减小。这样串联PIN管衰减模块承受的输入功率较小，减低了失真，提高了功率能力。同时通过选择功率PIN二极管，增加二极管个数来扩展功率能力，降低失真；在并联PIN管衰减模块和串联PIN管衰减模块中PIN二极管采用对称配置，以抵消减小偶次失真；对于并联PIN管衰减模块，采取串联适当容量的电容在工作频段内抵消PIN管和电路的寄生电感的办法提高衰减范围。为了进一步提高功率能力或可调范围，并联PIN管衰减模块和串联PIN管衰减模块前后可以增加配对使用的，用于阻抗的变换和还原的第一、第二、第三、第四阻抗变换器。如果第一阻抗变换器是增大阻抗的，第二阻抗变换器是还原阻抗的，则可以扩大并联PIN管衰减模块的衰减范围，但其功率能力会下降；如果第一阻抗变换器是缩小阻抗的，第二阻抗变换器是还原阻抗的，则可以增大并联PIN管衰减模块的功率能力，但其衰减范围变窄；同理，如果第三阻抗变换器是增大阻抗的，第四阻抗变换器是还原阻抗的，则可以增大串联PIN管衰减模块的功率能力，但其衰减范围减小；如果第三阻抗变换器是缩小阻抗的，第四阻抗变换器是还原阻抗的，则可以扩大串联PIN管衰减模块的衰减范围，但其功率能力下降。因此，可以按照设计要求，通过对上述电路模块的组合，达到对百毫瓦甚至瓦级输入直接进行连续增益调节的目的。

本发明公开的射频微波***用的电调衰减器，相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明结构简单，使用灵活，可以根据射频输入的功率与频率来选择PIN二极管种类；还可以通过选择适当的阻抗变换器、PIN二极管个数、串联衰减电阻中电阻值的大小来适应射频输入功率能力，实现增大线性可调衰减范围的目的；

2、本发明适用性强，既可以适用于毫瓦级的小信号，又可适用于百毫瓦级甚至瓦级的信号。

附图说明

图1是实施例1采用的电调衰减器的原理方框图；

图2是图1的电原理图；

图3是实施例2采用的电调衰减器的原理方框图；

图4是图3的电原理图；

图5是相对于射频输入的下地的并联对称衰减电路示意图；

图6是相对于射频输入的下地的串联对称衰减电路示意图；

图7是相对于射频输入的串联衰减电路的一种情况示意图，其中PIN二极管背对背串联；

图8是相对于射频输入的串联衰减电路的一种情况示意图，其中PIN二极管背对背并联。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

采用本发明对频率为30～88MHz，输入功率不大于3W的射频输入进行衰减调节，其原理方框图如图1所示，电原理图如图2所示：射频输入作为串联衰减电阻2的输入，串联衰减电阻2的输出连结并联PIN管衰减模块3的输入，并联PIN管衰减模块接地，且其输出为射频输出，控制电压作为PIN管偏流控制电路8的输入，PIN管偏流控制电路8的一个输出端与并联PIN管衰减模块3电连接。为了取得适当的驻波比和预先衰减，电路中还采用了电阻R12、R13。R2的电阻值为R12和R13阻值的总和。R12可取100～200欧姆，，R1可取30～50欧姆，R13可取10～20欧姆。并联PIN管衰减模块3中，C2用于在30～88MHz范围内抵消PIN管和电路其他的寄生电感，其取值大约在500～1000pf，共采用六只PIN二极管D10～D15，其中D10～D12为一组，D13～D15为另一组，两组PIN二极管采用相对于射频输入下地的串联对称连接。

试验的结果是：在30～88MHz频段内，输入不大于3W均可实现增益可调范围大于10dB的控制。

由于串联PIN管衰减模块6同样具有对射频输入进行衰减的功能，因此，在满足衰减范围的前提下，串联PIN衰减模块6可以替代并联PIN管衰减模块3，例如在本例中，如果串联PIN管衰减模块6就能满足衰减范围，并联PIN管衰减模块3就可以用串联PIN衰减模块6代替。

实施例2

采用本发明对频率为30～90MHz，输入功率不大于5W的射频输入进行衰减调节，其原理方框图如图3所示，包括第一阻抗变换器1，串联衰减电阻2，并联PIN管衰减模块3，第二阻抗变换器4，第三阻抗变换器5，串联PIN管衰减模块6，第四阻抗变换器7，PIN管偏流控制电路8。其中第一阻抗变换器1的初级与射频输入电连接，次级与串联衰减电阻2的输入端电连接；串联衰减电阻2的输出端与并联PIN管衰减3的输入端电连接，并联PIN管衰减3的输出端与第二阻抗变换器4的初级电连接；第二阻抗变换器4的次级与第三阻抗变换器5的初级电连接，第三阻抗变换器5的次级与串联PIN管衰减模块6的输入端电连接；串联PIN管衰减模块6的输出端与第四阻抗变换器7的初级电连接，第四阻抗变换器7的次级为射频输出。控制电压作为PIN管偏流控制电路8的输入，PIN管偏流控制电路8的一个输出端与并联PIN管衰减3电连接，另一个输出端与串联PIN管衰减6电连接。

本实施例的电原理图如图4所示，第一阻抗变换器1采用阻抗变比为4∶1的高频变压器；第二阻抗变换器4采用阻抗变比为1∶4的高频变压器。这种降升压变换可以提高并联PIN管衰减模块3的功率能力，减少其采用的PIN管数目。串联衰减电阻2的电阻R1功率根据射频输入最大功率选取，在本例中采用功率为10W的微带电阻；电阻R1阻值的大小根据允许的最小衰减量和最大可调衰减量确定，一般在2～100欧姆，本例中取10欧姆。通过串联电阻R1作预先衰减，调衰减时主要功耗消耗在了串联电阻R1上，原因是当调衰减增大时，并联支路PIN管D1～D4的电流增大，电阻减小，因此功耗更多地消耗在了串联电阻R1上，同时PIN二极管电流增大也减低了失真，提高了功率能力。

并联PIN管衰减模块3对经过预先衰减的射频输入进行进一步衰减，其中PIN二极管相对于射频输入对称配置可以减低失真，而且要保证接地良好，否则会减小可调衰减范围，本例中PIN二极管D1、D2为一组，D3、D4为一组，采用相对于射频输入下地串联对称配置。由于PIN二极管都会有寄生电感，寄生电感的产生会使可调范围减小，因此在选择时要选择自身电感尽量小的PIN二极管，并要尽力减小PIN二极管之间的寄生电感。在本例中通过串联电容C2抵消寄生电感，PIN二极管要根据输入功率和频率来选择，射频输入的频率越低，需要选择载流子平均寿命越长的PIN二级管。PIN二极管的最大电流以下地衰减不再增大为限。所采用的串联的PIN二极管个数越多，承受功率能力越强，但是可调衰减范围会减少，成本提高；增大串联衰减电阻2的电阻R1也可增大可调衰减范围，在初始衰减量允许的情况下可酌情增大；为了保证可接受的驻波比，也可以增加适当的下地电阻。

第三阻抗变换器采用阻抗变比为1∶4的高频变压器；第四阻抗变换器采用阻抗变比为4∶1的高频变压器。这种升降压变换可以提高串联PIN管衰减模块6的功率能力。

串联PIN管衰减模块6根据并联PIN管衰减模块3衰减后剩余的功率和调谐范围要求选择PIN二极管的种类和个数。射频输入的频率越低，需要选择载流子平均寿命越长的PIN管。根据电路的原理可知，采用的PIN二极管个数越多，成本越高，初始衰减越大，但是线性可调衰减范围也会越大，本例采用四个PIN二极管串联并对称配置的组合。PIN二极管中最大电流以衰减量不再减小为限；最小电流以满足线性要求为准。

PIN管偏流控制电路8由电阻R6～R11、稳压二极管D9和三极管Q1相互连接组成，用以按设计要求提供并联PIN管衰减模块3和串联PIN管衰减模块6中PIN二级管的电流。其中PIN管偏流控制电路8的三极管Q1的集电极通过电阻R6和稳压二极管D9与并联PIN管衰减模块3电连接；三极管Q1的发射极通过电阻R11与串联PIN管衰减6模块电连接，发射极同时通过电阻R10接地。PIN管偏流控制电路8通过电路元件取值来提供并联PIN管衰减模块3和串联PIN管衰减6模块中PIN二级管电流的大小配合，即当并联PIN管衰减模块3中PIN二极管的电流增大时，串联PIN管衰减6模块中PIN二极管电流需要减小。一般是并联PIN管衰减模块3中PIN二极管的电流增大到接近最大时，串联PIN管衰减模块6中PIN二极管电流才开始明显减小。这样可以减低串联PIN管衰减模块6造成的信号失真。

试验的结果是：在30～88MHz频段内，输入不大于5W均可实现增益可调范围大于20dB的控制。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，例如射频输入可以为1MHZ～微波的任意频段，第一阻抗变换器、第三阻抗变换器采用其它的变比，如1∶9、9∶1等等，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种射频微波***用的电调衰减器，其特征是，包括：

用于将射频输入预先衰减的串联衰减电阻；

用于对经过预先衰减的射频输入作进一步衰减的并联PIN管衰减模块；

用于提供并联PIN管衰减模块中PIN二极管的电流并控制所提供的电流在线性工作范围内的PIN管偏流控制电路；

所述射频输入为串联衰减电阻的输入，所述串联衰减电阻的输出与并联PIN管衰减模块的输入连接，所述并联PIN管衰减模块接地，其输出为射频输出；控制电压作为所述PIN管偏流控制电路的输入，所述PIN管偏流控制电路的一个输出端与并联PIN管衰减模块电连接。

2、根据权利要求1所述的射频微波***用的电调衰减器，其特征是，所述电调衰减器还包括配对使用的、用于对并联PIN管衰减模块的阻抗作变换和还原的第一阻抗变换器和第二阻抗变换器；所述第一阻抗变换器的输入与射频输入连接，所述第一阻抗变换器的输出连接串联衰减电阻的输入；所述并联PIN管衰减模块的输出连接第二阻抗变换器的输入，第二阻抗变换器的输出为射频输出。

3、根据权利要求1所述的射频微波***用的电调衰减器，其特征是，所述电调衰减器还包括用于对射频输入作再次衰减的串联PIN管衰减模块；所述并联PIN管衰减模块的输出连接串联PIN管衰减模块的输入，串联PIN管衰减模块的输出为射频输出；所述PIN管偏流控制电路的另一个输出端与串联PIN管衰减模块电连接，用于提供串联PIN管衰减模块中PIN二极管的电流。

4、根据权利要求2所述的射频微波***用的电调衰减器，其特征是，所述电调衰减器还包括用于对射频输入作再次衰减的串联PIN管衰减模块；所述第二阻抗变换器的输出连接串联PIN管衰减模块的输入，串联PIN管衰减模块的输出为射频输出；所述PIN管偏流控制电路的另一个输出端与串联PIN管衰减模块电连接，用于提供串联PIN管衰减模块中PIN二极管的电流。

5、根据权利要求4所述的射频微波***用的电调衰减器，其特征是，所述电调衰减器还包括配对使用的、用于对串联PIN管衰减模块的阻抗作变换和还原的第三阻抗变换器和第四阻抗变换器；所述第二阻抗变换器的输出连接第三阻抗变换器的输入，第三阻抗变换器的输出连接串联PIN管衰减模块的输入，串联PIN管衰减模块的输出连接第四阻抗变换器的输入，第四阻抗变换器的输出为射频输出。

6、根据权利要求2或4或5所述的射频微波***用的电调衰减器，其特征是，所述第一阻抗变换器采用的变比是1∶4或1∶9或4∶1或9∶1；所述第二阻抗变换器采用的变比是1∶4或1∶9或4∶1或9∶1；所述第三阻抗变换器采用的变比是1∶4或1∶9或4∶1或9∶1；所述第四阻抗变换器采用的变比是1∶4或1∶9或4∶1或9∶1。

7、根据权利要求1至5中任一项所述的射频微波***用的电调衰减器，其特征是，所述串联衰减电阻是指以串联方式连接的至少一个金膜电阻或者微带电阻；所述以串联方式连接的金膜电阻或者微带电阻的总电阻值为2～100欧姆。

8、根据权利要求1至5中任一项所述的射频微波***用的电调衰减器，其特征是，所述并联PIN管衰减模块由两组相同的PIN二极管、电阻、电感和用于抵消PIN管和电路的寄生电感的电容相互连接组成；所述两组PIN二极管相对于射频输入对称配置。

9、根据权利要求3或4或5所述的射频微波***用的电调衰减器，其特征是，所述串联PIN管衰减模块由两组相同的PIN二极管、电阻、电感和电容相互连接组成；所述两组PIN二极管背对背串联或并联。

10、根据权利要求1或3或4中任一项所述的射频微波***用的电调衰减器，其特征是，所述PIN管偏流控制电路由电阻、稳压二极管和三极管相互连接组成。