CN102185579A

CN102185579A - X频段微波线性模拟调相器

Info

Publication number: CN102185579A
Application number: CN2011100227647A
Authority: CN
Inventors: 陈庆; 乔博; 赵小煜; 魏瑾
Original assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Current assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2031-01-20
Also published as: CN102185579B

Abstract

X频段微波线性模拟调相器，Lange桥两分路输出端分别经反射匹配电路连接变容二极管，微波信号经Lange桥分成两路幅度相等、相位相差90°的正交信号，该正交信号通过反射匹配电路经变容二极管反射后形成两路幅度、相位相同的反射信号，该两路反射信号经反射匹配电路返回Lange桥，在Lange桥输入端幅度相同、相位相反反相抵消，输入端无反射信号，在Lange桥输出端幅度相同、相位相同同相叠加，微波信号得以从Lange桥输入端到输出端单向传输；所述的变容二极管的结电容随控制电压变化，进而使反射信号的相位随控制电压变化，实现微波线性调相，反射匹配电路把变容二极管反射信号的相位变化量进一步加大，以增加调制深度。

Description

X频段微波线性模拟调相器

技术领域

本发明公开了一种微波线性模拟调相器，尤其适合于深空飞行器测控技术领域。

背景技术

深空测控应答机采用X频段下行链路，测距音和遥测付载波信号对载波进行线性调相。

国内的星载测控应答机下行链路采用S频段和C频段，调制方式为线性调相。实现方法是先在中频进行线性调相，用微波倍频器倍到S频段和C频段。为保证频谱纯度，需在倍频器输出端加带通滤波器，体积较大。由于倍频器的温度稳定性不好，在C频段相移随温度的变化达到17°。

美国航天局的JPL于1991年发表文章《DESIGN AND ANALYSIS OF LOW-LOSS LINEAR ANALOG PHASE MODULATOR FOR DEEP SPACE SPACECRAFT X-BAND TRANSPONDER(DST)APPLICATION》，研制成功用于深空测控应答机的小型化X频段微波线性模拟调相器。该调相器采用铁氧体环形器实现微波信号的单向传输，以变容二极管作为终端反射元件。由于铁氧体环型器的温度稳定性不好，调相器相移随温度的变化达到接近40°(-20℃～74℃)。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种体积小、工作频带宽且温度稳定性好的X频段微波线性模拟调相器。

本发明的技术解决方案是：X频段微波线性模拟调相器，包括Lange桥、变容二极管和反射匹配电路；Lange桥两分路输出端分别经反射匹配电路连接变容二极管，微波信号经Lange桥分成两路幅度相等、相位相差90°的正交信号，该正交信号通过反射匹配电路经变容二极管反射后形成两路幅度、相位相同的反射信号，该两路反射信号经反射匹配电路返回Lange桥，在Lange桥输入端幅度相同、相位相反反相抵消，输入端无反射信号，在Lange桥输出端幅度相同、相位相同同相叠加，微波信号得以从Lange桥输入端到输出端单向传输；所述的变容二极管的结电容随控制电压变化，进而使反射信号的相位随控制电压变化，实现微波线性调相，反射匹配电路把变容二极管反射信号的相位变化量进一步加大，以增加调制深度。

所述的反射匹配电路由组成相同的两部分组成，每部分与Lange桥的输出端、变容二极管的连接关系如下：变容二极管正极通过打孔接地，负极连接特性阻抗为47～53Ω的微带传输线，微带传输线通过四分之一波长的开路、短路线经去耦电容接地，得到控制电压馈入点；微带传输线通过10～14pf的电容与Lange桥输出端连接。

所述的反射匹配电路由组成相同的两部分组成，每部分与Lange桥的输出端、变容二极管的连接关系如下：变容二极管正极通过打孔接地，负极连接特性阻抗为50Ω的微带传输线，微带传输线通过四分之一波长的开路、短路线经去耦电容接地，得到控制电压馈入点；微带传输线通过12pf的电容与Lange桥输出端连接。

将权利要求1所述的调相器通过特性阻抗50±3Ω的微带传输线级连，以增加调制深度。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)设备体积小。传统线性调相是先在中频进行线性调相，用微波倍频器倍到微波频段。为保证频谱纯度，需在倍频器输出端加带通滤波器，体积较大。在微波频段直接线性调相，设备体积小。美国航天局JPL研制的X频段微波线性模拟调相器以环型器为主要部件，体积仍较大。本方案采用Lange桥替代微波环型器，体积大为减小。

(2)工作频带宽。中频调相器载波频率低，无法对ΔDOR高侧音付载波进行调制。微波倍频器和带通滤波器工作频带很窄，不具备通用性。本方案利用Lange桥的宽带特性，调相器射频带宽达到倍频程，调制信号带宽大于100MHz，通用性较强。

(3)温度稳定性好。美国航天局JPL研制的X频段微波线性模拟调相器，用微波环型器抑制反射信号降低输入端驻波。由于微波环型器的温度稳定性不好，调相器相移随温度的变化较大。本方案采用Lange桥替代微波环型器，利用Lange桥的正交特性使两路反射信号在输入端反相抵消降低输入端驻波，调制器温度稳定性好，同时具备倍频程的射频工作带宽。

附图说明

图1为本发明X频段微波线性模拟调相器实现原理框图；

图2为本发明Lange桥及仿真结果，2a为Lange桥示意图，2b为仿真曲线；

图3为本发明反射匹配电路图；

图4为本发明实现电路图。

具体实施方式

下面首先结合附图1介绍本发明的实现原理。本发明采用Lange桥作为正交功分器的总体方案，入射载波信号经过Lange桥分成两路幅度相等、相位差90°的正交信号，被两个特性一致的变容二极管反射，两路反射信号在Lange桥输入端反相抵消，在Lange桥输出端同相叠加。通过改变变容二极管的控制电压，使二极管结电容随控制电压规律变化，进而使反射信号的相位随控制电压规律变化，实现微波线性调相。

本发明调相器具体结构包括Lange桥、变容二极管和反射匹配电路；Lange桥作为宽带正交耦合器，以砷化镓变容二极管作为终端反射元件，通过反射匹配电路与Lange桥相连，采用两级调相器级联以增加调制深度。一级调相器的连接关系如下：

Lange桥两分路输出端分别通过反射匹配电路连接变容二极管；微波信号经Lange桥分成两路幅度相等、相位相差90°的正交信号，该正交信号通过反射匹配电路经变容二极管反射后形成两路幅度、相位相同的反射信号，该两路反射信号经反射匹配电路返回Lange桥，在Lange桥输入端幅度相同、相位相反反相抵消，输入端无反射信号，在Lange桥输出端幅度相同、相位相同同相叠加，微波信号得以从Lange桥输入端到输出端单向传输；

所述的变容二极管的结电容随控制电压变化，进而使反射信号的相位随控制电压变化，实现微波线性调相。反射匹配电路把变容二极管反射信号的相位变化量进一步加大，以增加调制深度。

下面分别介绍每部分的具体结构及实现过程。

一、Lange桥的设计

本发明中采用的Lange桥是一种四端口交叉指型定向耦合器，如图2a所示，于1969年由JuLius Lange提出，其构成方式是由距离很近的传输微带线构成交叉指线，再用尽可能短的导线短接交叉的指线。其特点是频带宽度可达1～1.5个倍频程，两个耦合端口的相位差为90°(相互正交)。由图2b的仿真结果看出，在5.5Ghz～11Ghz的倍频程内，Lange桥输入端至两分路输出端的耦合度非常接近3dB，得到良好的宽带特性。

二、变容二极管的配对挑选

作为终端反射元件，两个变容二极管的特性要尽可能一致，否则会导致两路反射信号的相位不一致，在Lange桥输入端不能反相抵消，引起驻波增大，在Lange桥输出端不能同相叠加，引起插损增大。制作一个测试架，用开路、短路法对测试架校准，确定参考面。利用测试架测量变容二极管的反射系数。通过测量，挑选反射系数尽量一致的变容二极管配对使用。

三、反射匹配电路的设计

由于变容二极管结电容的变化量有限，必须设计合理的反射匹配电路，以增大反射信号相位的变化量，增加调制深度。设计反射匹配电路有三个原则，一是增大反射信号的相位变化量，二是增大反射信号的幅值以减小插入损耗，三是保证调制信号的工作带宽。反射匹配电路的环节较多容易增大反射信号的相位变化量，但不利于保证调制信号的工作带宽，需要综合考虑。本设计中采用的反射匹配电路如图3：

变容二极管N3正极通过打孔接地，负极连接特性阻抗为50±3Ω的微带传输线。微带传输线通过四分之一波长的开路、短路线经去耦电容C7接地，得到控制电压馈入点。微带传输线通过10～14pf的电容C5与Lange桥连接。变容二极管N4的连接同N3，具体可以参照图3。

反射信号的相位与变容二极管的结电容有关，因此变容二极管结电容的变化引起反射信号的相位随之变化。让变容二极管结电容随控制电压(调制信号)变化，即实现微波线性调相。

变容二极管结电容C_j与控制电压U之间的关系为

\frac{C_{j}}{C_{0}} = {(1 + \frac{| U |}{φ})}^{- n}

其中：C₀为零偏压时的结电容；

φ为势垒电位差；

n为一个常数，取决于PN结本征载流子浓度的分布。考虑到要兼容调相器的调制深度和线性度，采用n＝0.5的突变结，其结电容随电压的变换范围较大，线性也较好。为保证两路反射信号的幅相一致性，需挑选特性尽量一致的变容二极管配对使用。

四、X频段微波线性模拟调相器电路实现

为增加调制深度，利用微波集成电路(MIC)工艺，将两级调相器通过特性阻抗50±3Ω的微带传输线级连，集成在一块陶瓷片上，得到完整的X频段微波线性模拟调相器电路如图4。

经过理论计算，当本发明调相器中微带传输线的特性阻抗选择50Ω，电容C5、C6、C1、C2为12pf时，经测试，X频段微波线性模拟调相器的射频工作带宽达到倍频程，调制信号带宽大于100MHz，可以实现ΔDOR高侧音付载波调制；线性度小于2％，相移随温度的变化小于6°(-20℃～70℃)。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims

1.X频段微波线性模拟调相器，其特征在于：包括Lange桥、变容二极管和反射匹配电路；Lange桥两分路输出端分别经反射匹配电路连接变容二极管，微波信号经Lange桥分成两路幅度相等、相位相差90°的正交信号，该正交信号通过反射匹配电路经变容二极管反射后形成两路幅度、相位相同的反射信号，该两路反射信号经反射匹配电路返回Lange桥，在Lange桥输入端幅度相同、相位相反反相抵消，输入端无反射信号，在Lange桥输出端幅度相同、相位相同同相叠加，微波信号得以从Lange桥输入端到输出端单向传输；所述的变容二极管的结电容随控制电压变化，进而使反射信号的相位随控制电压变化，实现微波线性调相，反射匹配电路把变容二极管反射信号的相位变化量进一步加大，以增加调制深度。

2.根据权利要求1所述的X频段微波线性模拟调相器，其特征在于：所述的反射匹配电路由组成相同的两部分组成，每部分与Lange桥的输出端、变容二极管的连接关系如下：变容二极管正极通过打孔接地，负极连接特性阻抗为47～53Ω的微带传输线，微带传输线通过四分之一波长的开路、短路线经去耦电容接地，得到控制电压馈入点；微带传输线通过10～14pf的电容与Lange桥输出端连接。

3.根据权利要求1所述的X频段微波线性模拟调相器，其特征在于：所述的反射匹配电路由组成相同的两部分组成，每部分与Lange桥的输出端、变容二极管的连接关系如下：变容二极管正极通过打孔接地，负极连接特性阻抗为50Ω的微带传输线，微带传输线通过四分之一波长的开路、短路线经去耦电容接地，得到控制电压馈入点；微带传输线通过12pf的电容与Lange桥输出端连接。

4.根据权利要求1所述的X频段微波线性模拟调相器，其特征在于：将权利要求1所述的调相器通过特性阻抗50±3Ω的微带传输线级连，以增加调制深度。