CN113285679A

CN113285679A - 一种超宽带小型化幅度扩张电路

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Publication number: CN113285679A
Application number: CN202110463140.2A
Authority: CN
Inventors: 王海龙; 王超杰; 来晋明; 周丽; 卢子焱
Original assignee: CETC 29 Research Institute
Current assignee: CETC 29 Research Institute
Priority date: 2021-04-23
Filing date: 2021-04-23
Publication date: 2021-08-20
Anticipated expiration: 2041-04-23
Also published as: CN113285679B

Abstract

本发明公开了一种超宽带小型化幅度扩张电路，属于微波的技术领域，该幅度扩张电路包括：宽带电桥电路，所述宽带电桥电路包括宽带电桥、输入传输线和输出传输线，所述输入传输线和输出传输线分别通过隔直电容连接于宽带电桥的输入端和隔离端；直流偏置电路，所述直流偏置电路连接于宽带电桥的输入端和隔离端之间；可调微波阻抗电路，所述宽带电桥的直通端和耦合端分别连接有该可调微波阻抗电路，以达到能够善射频接收通道动态范围，且也能够改善射频发射通道的输出线性功率的目的。

Description

一种超宽带小型化幅度扩张电路

技术领域

本发明属于微波的技术领域，涉及超宽带的收发射频通道，具体而言，更涉及一种超宽带小型化幅度扩张电路。

背景技术

针对***对综合前端的应用需求，要求射频前端同时满足电子战、雷达及通信等功能需求，要求每个接收通道具备高接收动态范围，且发射具备较高的线性输出功率。

在现有技术中，当前提高微波接收通道动态范围技术主要是采用高输入P-1的放大器等有源电路，且不能满足射频前端接收通道高大动态的需求，同时，目前也还没有采用幅度扩张电路来改善接收动态范围的先例；当前提高微波发射通道输出线性功率主要采用模拟线性化器，但传统的模拟线性化器主要是满足窄带应用，宽带应用时模拟线性化器幅度扩张范围较小。

发明内容

鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种超宽带小型化幅度扩张电路以达到能够善射频接收通道动态范围，且也能够改善射频发射通道的输出线性功率的目的。

本发明所采用的技术方案为：一种超宽带小型化幅度扩张电路，该幅度扩张电路包括：

宽带电桥电路，所述宽带电桥电路包括宽带电桥、输入传输线和输出传输线，所述输入传输线和输出传输线分别通过隔直电容连接于宽带电桥的输入端和隔离端；

直流偏置电路，所述直流偏置电路连接于宽带电桥的输入端和隔离端之间；

可调微波阻抗电路，所述宽带电桥的直通端和耦合端分别连接有该可调微波阻抗电路。

进一步地，所述可调微波阻抗电路包括：

二极管；

串联连接的吸收电阻和旁路电容，所述吸收电阻与二极管的一端连接为第一接通点，旁路电容与二极管的另一端连接为第二接通点；

其中，第一接通点连接于宽带电桥的直通端或耦合端，第二接通点连接有接地端。

进一步地，所述吸收电阻设为薄膜电阻，其阻值在30欧姆～40欧姆之间。

进一步地，所述直流偏置电路包括：

分别连接于输入端和隔离端的扼流电感，两所述扼流电感的另一端连接连通，且该端所在电路上连接有偏置电阻和去耦电容，偏置电阻和去耦电容的另一端分别连接有直流偏置电源和接地端。

进一步地，所述偏置电阻设为薄膜电阻，且其通过电流能力应大于50mA；该偏置电阻的阻值R的计算公式为：

R＝(Vc-Vj)/(2*I)

其中，Vc为偏置电压，Vj为二极管的正向导通电压，I为各个可调微波阻抗电路中二极管的正向导通电流之和。

进一步地，所述扼流电感通过电流能力应大于50mA，且扼流电感选用平面电感或者线圈电感。

进一步地，所述幅度扩张电路通过集成工艺集成到基片材料上，且基片材料根据不同的集成工艺选择，若采用微组装工艺集成，则选用陶瓷基片材料；若采用微电子工艺，则选用半导体基片材料。

进一步地，所述接地端设为接地金属通孔，且接地金属通孔集成于基片材料上，接地金属通孔经垂直金属通孔与基片材料上的接地金属层相连。

进一步地，所述宽带电桥设为90度3dB电桥。

进一步地，所述隔直电容、旁路电容、去耦电容均设为平板电容。

本发明的有益效果为：

1.采用本发明所提供的超宽带小型化幅度扩张电路，在宽带电桥电路、直流偏置电路以及可调微波阻抗电路的相互配合作用下，能够实现幅度扩张，弥补放大器增益压缩特性，提高射频接收通道的动态范围，或者提高射频发射通道线性输出功率，解决综合射频前端接收通道高大动态和发射通道高线性输出功率的技术难点。

2.采用本发明所提供的超宽带小型化幅度扩张电路，其通过在基片材料上集成有宽带电桥电路、直流偏置电路以及可调微波阻抗电路，实现一种基于一体化应用的幅度扩张电路，与现有技术相比，该电路具有结构简单、超宽带、低功耗、小型化、可调整的优势。

附图说明

图1是本发明所提供的超宽带小型化幅度扩张电路的整体电路结构示意图；

附图标注说明如下：

输入传输线-W1，隔直电容-C0，输入端-P1，扼流电感-L，偏置电阻-R0，直流偏置电源-Vd，接地金属通孔-Via，去耦电容-C2，隔离端-P2，输出传输线-W2，直通端-P3，耦合端-P4，二极管-PIN，吸收电阻-R1，旁路电容-C1。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

在本实施例中，具体提供一种超宽带小型化幅度扩张电路，该超宽带小型化的幅度扩张电路主要用于射频综合前端，能够提高射频接收通道的动态范围和提高发射通道线性输出功率，解决综合射频前端接收通道高大动态和发射通道高线性输出功率的技术难点。

如图1所示，该幅度扩张电路包括：宽带电桥电路、直流偏置电路以及可调微波阻抗电路三部分构成，在实际制作时，由宽带电桥电路、直流偏置电路以及可调微波阻抗电路所组成的幅度扩张电路，其通过集成工艺集成到基片材料(包括各个子电路的元器件、互联金属线等)上，基片材料主要是幅度扩张电路的载体，且基片材料根据不同的集成工艺选择，若采用微组装工艺(射频微组装工艺)集成，则选用陶瓷基片材料，可选择氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷材料；若采用微电子工艺(芯片集成工艺)，则选用半导体基片材料。由于采用一体化集成设计方式，其能够实现幅度扩张特性，且相较于现有技术具备超宽带、小型化及低成本等优势。

①宽带电桥电路

宽带电桥电路包括宽带电桥、输入传输线W1和输出传输线W2，所述输入传输线W1和输出传输线W2分别通过隔直电容C0连接于宽带电桥的输入端P1和隔离端P2，输入传输线W1和输出传输线W2对外起到与外部电路互联互通的作用，同时，对内实现与内部电路元件之间的互联作用。其中，所述宽带电桥设为90度的3dB电桥，也称为lange电桥，其设计方法可参照相关文献；所述输入传输线W1、输出传输线W2特性阻抗按50欧母特性阻抗设计，其长度由实际电路布局确定；所述隔直电容C0主要作用将内部电路的直流偏置电压与外部隔离开来，起隔直通交作用，在本实施例中，将隔直电容C0设为平板电容，其容值取决于工作频段，频段越低容值越大。

②可调微波阻抗电路

在宽带电桥的直通端P3和耦合端P4分别连接有可调微波阻抗电路Ⅰ和可调微波阻抗电路Ⅱ。在实际应用时，可调微波阻抗电路Ⅰ和可调微波阻抗电路Ⅱ均包括：二极管PIN、吸收电阻R1和旁路电容C1，且由吸收电阻R1和旁路电容C1组成的串联电路的两端并联连接于二极管PIN的两端，且吸收电阻R1与二极管PIN的阳极连接，旁路电容C1与二极管PIN的阴极连接。

在可调微波阻抗电路Ⅰ中二极管PIN的阳极与宽带电桥的直通端P3连接，可调微波阻抗电路Ⅰ中二极管PIN的阴极连接有接地端；而在可调微波阻抗电路Ⅱ中二极管PIN的阳极与宽带电桥的耦合端P4连接，可调微波阻抗电路Ⅱ中二极管PIN的阴极连接有接地端，通过接地端实现接地。在实际制作时，二极管PIN根据不同的集成方案选择不同形式的二极管PIN，如果采用陶瓷基片材料，则应选择裸管芯类的二极管PIN；如果采用半导体基片材料则应将二极管PIN直接设计在半导体基片上，并和其余电路进行一体化集成。

吸收电阻R1是微波匹配电阻，与二极管PIN一起实现该电路的幅度扩张功能。在实际应用时，将吸收电阻R1设为薄膜电阻，其阻值在30欧姆～40欧姆之间，且不得超过50欧母，吸收电阻R1的阻值越大，幅度扩张电路的初始插损越大，幅度扩张的范围也越大；具体的阻值应结合二极管PIN的器件参数进行适应性设计，吸收电阻R1的承受功率应在0.2W量级。

其旁路电容C1的主要作用为吸收电阻R1提供射频通路，起隔直通交的作用，在本实施例中，将旁路电容C1为平板电容，其容值取决于工作频段，频段越低容值越大。

二极管PIN是微波功率控制元件，在一定的直流偏置状态下，其微波阻抗大小可以被射频功率电平调制，在实际应用时，对于二极管PIN的器件参数设计，如导通电压、反向击穿电压、结电容、载流子寿命等参数应根据电路的工作频段、承受功率及通带插损等需求决定。

③直流偏置电路

将直流偏置电路连接于宽带电桥的输入端P1和隔离端P2之间；所述直流偏置电路包括：分别连接于输入端P1和隔离端P2的扼流电感L，两所述扼流电感L的另一端连接连通，且该端所在电路上连接有偏置电阻R0和去耦电容C2，偏置电阻R0和去耦电容C2的另一端分别连接有直流偏置电源Vd和接地端，直流偏置电源Vd一般设置为+5V且通过接地端实现接地。

偏置电阻R0在一定的偏置电压状态下为二极管PIN提供合适的直流偏置状态。对于偏置电阻R0的设计，将偏置电阻R0设为薄膜电阻，且其通过电流能力应大于50mA；其阻值R应由二极管PIN的正向导通电压和导通电流决定，该偏置电阻R0的阻值R的计算公式为：

R＝(Vc-Vj)/(2*I)

其中，Vc为偏置电压(一般为+5V)，Vj为二极管PIN的正向导通电压(单位为伏)，I为各个可调微波阻抗电路(可调微波阻抗电路Ⅰ和可调微波阻抗电路Ⅱ)中二极管PIN的正向导通电流之和(单位为安培)。

扼流电感L起通直隔交的作用，主要为二极管PIN提供直流通路，对于扼流电感L的设计，扼流电感LL是为二极管PIN提供直流偏置回路，扼流电感L通过电流能力应大于50mA，电感值得大小应由工作频段决定，且扼流电感L选用平面电感或者线圈电感。

对于去耦电容C2的设计，去耦电容C2主要作用在于：减小射频泄露并提高射频与直流偏置电压的隔离度，在本实施例中，将去耦电容C2设为平板电容，其容值取决于工作频段，频段越低容值越大。

上述的各处设置的接地端均设为接地金属通孔Via，金属化接地通孔主要起接地作用并构成直流回路，在实际应用时，将接地金属通孔Via集成在基片材料上，用于对基片材料表面的需接地电路接地，接地金属通孔Via经垂直金属通孔与基片材料上的接地金属层相连，接地金属通孔Via的具体孔径大小可由基片材料的微细加工艺确定。

基于上述所提供的超宽带小型化幅度扩张电路，若采用微组装工艺实现电路结构，则所述二极管PIN、隔直电容C0、去耦电容C2、旁路电容C1、偏置电阻R0、吸收电阻R1、扼流电感L、输入传输线W1、输出传输线W2、宽带电桥及金属化接地通孔均集成到陶瓷基片材料上，具体的，基片材料可以选氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷；若采用微电子工艺实现，则所述二极管PIN、隔直电容C0、去耦电容C2、旁路电容C1、偏置电阻R0、吸收电阻R1、扼流电感L、输入传输线W1、输出传输线W2、宽带电桥及金属化接地通孔均集成到半导体基片上制作实现。

基于上述所提供的超宽带小型化幅度扩张电路，其工作原理如下：

S1：将直流偏置电源Vd一般设置为+5V，通过偏置电阻R0和扼流电感L馈入直流偏置电源Vd，调整偏置电阻R0的值以改变二极管PIN的偏置电压，但要确保偏置电压不能够超过+0.65V，不然会失去幅度扩张的能力甚至烧毁二极管PIN，而去耦电容C2和扼流电感L是在直流偏置电路中起“隔交通直”作用；

S2：完成二极管PIN的直流偏置后，通过输入传输线W1向宽带电桥的输入端P1馈入射频信号，初始时输入射频功率电平不应超过-15dBm(一般设置为-20dBm)，此时，整个幅度扩张电路处于小信号插损状态，电路插损大小由二极管PIN的偏置电压和吸收电阻R1的阻值大小决定；

S3：随后增加射频功率电平，当增大到一定程度开始，二极管PIN的微波电阻开始明显减小，会使宽带电桥的直通端P3和耦合端P4的端口反射系数逐步增大，隔离输出端会得到更多的射频功率，幅度扩张电路的插损会随激励功率增大而变小，应用到射频放大通道中从而实现幅度扩张，弥补放大器增益压缩特性，提高射频接收通道的动态范围，或者提高射频发射通道线性输出功率。

基于上述工作原理，本实施例所提供的超宽带小型化幅度扩张电路，已在6～18GHz超宽带收发射频通道中进行原理验证，其通过适当的偏置设置可以实现3dB～5dB的幅度扩张，全频段驻波小于2，承受功率连续波大于1W。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种超宽带小型化幅度扩张电路，其特征在于，该幅度扩张电路包括：

2.根据权利要求1所述的超宽带小型化幅度扩张电路，其特征在于，所述可调微波阻抗电路包括：

二极管；

3.根据权利要求2所述的超宽带小型化幅度扩张电路，其特征在于，所述吸收电阻设为薄膜电阻，其阻值在30欧姆～40欧姆之间。

4.根据权利要求2所述的超宽带小型化幅度扩张电路，其特征在于，所述直流偏置电路包括：

5.根据权利要求4所述的超宽带小型化幅度扩张电路，其特征在于，所述偏置电阻设为薄膜电阻，且其通过电流能力应大于50mA；该偏置电阻的阻值R的计算公式为：

R＝(Vc-Vj)/(2*I)

6.根据权利要求4所述的超宽带小型化幅度扩张电路，其特征在于，所述扼流电感通过电流能力应大于50mA，且扼流电感选用平面电感或者线圈电感。

7.根据权利要求4所述的超宽带小型化幅度扩张电路，其特征在于，所述幅度扩张电路通过集成工艺集成到基片材料上，且基片材料根据不同的集成工艺选择，若采用微组装工艺集成，则选用陶瓷基片材料；若采用微电子工艺，则选用半导体基片材料。

8.根据权利要求7所述的超宽带小型化幅度扩张电路，其特征在于，所述接地端设为接地金属通孔，且接地金属通孔集成于基片材料上，接地金属通孔经垂直金属通孔与基片材料上的接地金属层相连。

9.根据权利要求1所述的超宽带小型化幅度扩张电路，其特征在于，所述宽带电桥设为90度3dB电桥。

10.根据权利要求4所述的超宽带小型化幅度扩张电路，其特征在于，所述隔直电容、旁路电容、去耦电容均设为平板电容。