CN103066946A

CN103066946A - 组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减器

Info

Publication number: CN103066946A
Application number: CN2012105894571A
Authority: CN
Inventors: 戴永胜; 李旭; 韦晨君; 郭风英; 陈建锋; 范小龙; 吴迎春; 吴建星; 冯辰辰; 顾家; 李雁; 方思慧; 邓良; 施淑媛; 罗鸣; 朱丹; 陈龙
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2012-12-29
Filing date: 2012-12-29
Publication date: 2013-04-24

Abstract

本发明公开了一种组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减器。它由控制电路和衰减网络电路两部分组成，衰减网络电路的总控制电压是通过串并联电阻分压来提供的。本电路拓扑结构简单、偏置电路简洁、控制线性度好、隔离度高、信号失真小、衰减相移小、衰减精度高、输入和输出端电压驻波比小、工作频带宽、电路尺寸小、便于采用MMIC工艺批量生产。本发明紧密结合微波单片集成电路工艺线提供的有关参数规则进行设计，组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减器是现代相控阵雷达系统收发组件的核心组成部分，可见本发明的重要性。

Description

组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减器

技术领域

本发明涉及一种应用于相控阵雷达、智能天线、毫米波通信、微波导航、制导、遥测遥控、卫星通信以及军事电子对抗等多种领域的电子部件，是一种低插入相移大控制线性范围的超宽带数字/模拟兼容式可调衰减器集成电路。

背景技术

基于GaAs的组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减器是一种主要用于相控阵雷达、智能天线、毫米波通信、微波导航、制导、遥测遥控、卫星通信以及军事电子对抗等多种领域的电子部件。在超宽带微波毫米波频段的控制电路中，微波毫米波衰减器是主要控制电路之一，可调衰减器主要被应用于：1) 自动损失控制(ALC)组件的宽频增益控制块；2)宽频带脉冲调制器；3)宽频带无反射单刀单掷(SPST)开关；4)宽频矢量调制器；5)宽频带自动增益控制(AGC)放大器。MMIC(单片微波集成电路)电压控制可调衰减器拥有小型化，轻量级，高成品率，低成本等特点，并且简单易用，功率耗散低。鉴于上述应用，可调衰减器应具有大的动态范围和低的插入相移，这引起了社会的广泛关注，这种衰减器在工作频率范围内具有很好的相位平坦度。数字衰减器线性度好，功率容量大，衰减控制电路简单精确。目前衰减器的研究主要集中在模拟衰减器和数字衰减器之间，然而，近年来模拟和数字兼容式衰减器受到越来越多的关注。

描述模式/数字兼容式可调衰减器产品性能的主要技术指标有：1）工作频率带宽；2）衰减位数；3）控制线性度；4）衰减精度；5）衰减步进；6）最小插入损耗；7）各衰减态相移；8）各衰减态输入和输出端电压驻波比；9）各态转换速度；10）电路尺寸；11）承受功率；12）总衰减量；13）各电路之间电性能的一致性等。

由于设计采用的电路拓扑和工艺实现途径的缺陷，尤其对频带宽、衰减量大的应用需求时，一般衰减器通常电性能指标难以满足要求。主要缺点有：1）电路拓扑结构复杂；2）控制线性度差；3）偏置电路复杂；4）工作频带窄；5）衰减精度低；6）各衰减态之间相位差大，即信号幅度变化时，伴随着的信号相位变化大；7）各衰减态的输入和输出端电压驻波比差别大；8）受工艺控制参数影响，电路间电性能一致性较差；9）电路尺寸较大；10）设计难度大；11）工艺加工难度大；12）隔离度低，尤其各衰减态之间的相位差大是诸多同类产品的共同缺点，这限制了该类产品在相控阵雷达系统和许多先进的通信系统及武器系统中的广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可控连续或步进衰减变化，并且拥有动态范围大，拓扑结构简单、偏置电路简洁、控制线性度好、隔离度高、信号失真小、衰减相移小、衰减精度高、输入和输出端口电压驻波比小、工作频带宽、电路尺寸小、兼容模拟式和数字式、便于采用现在的微波单片集成电路工艺技术进行大批量生产等特点的组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减器集成电路。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减器，如图1所示，是由控制电路和组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减网络电路两部分结构组成。如图1所示，整个电路结构包括控制场效应晶体管和衰减PIN二极管，金属薄膜电阻，植入离子电阻，隔离电容和扼流电感。为了达到很好的微波性能，使芯片小型化，需要很好地考虑场效应晶体管的转换结构，加工条件，电路布局以及结构排版。连通通道和分流通道有相同的控制信号，不需要另外的直流相关电路，所以电路结构得到了简化。连通衰减和分流衰减的总控制电压是通过串并联电阻分压来提供的。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、电路拓扑简单，衰减量可以通过数字和模拟电压进行控制改变；2、设计简单，由于电路拓扑简单，因而不仅设计比同类产品简单的多，而且产品的综合电性能指标比同类产品更优；3、由于电路拓扑简单使得电路结构简单、紧凑，制造中工艺难度远比同类产品要求低；4、电性能改善大，该衰减器各衰减态插入损耗小，相移小，衰减精度高，输入和输出端电压驻波比小，工作频带宽；5、温度稳定性高；6、电路尺寸小；7、控制简单，使用方便；7、可采用集成电路工艺大批量生产。

附图说明

图1是本发明的组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减器电路框图。

图2是本发明的组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减器电路拓扑结构示意图。

图3是本发明的六位控制电压超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器电路拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，它由一个单元电路构成，该单元电路由组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减网络电路和数字/模拟控制转换电路连接组成，该组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减网络电路包括信号输入端RFIN、信号输出端RFOUT和一个PIN二极管衰减网络。所述的数字/模拟转换控制电路由控制信号输入端V1、V11、V12、......、V1n-1、V1n ，分压电阻R10、R11、R12、......、R1n-1、R1n,分压控制场效应晶体管F11、F12、......、F1n-1、F1n和分压控制场效应晶体管F11、F12、......、F1n-1、F1n的偏置电阻R21、R22、......、R2n-1、R2n构成，其中第零分压电阻R10和第一分压电阻R11的公共连接点P构成数字/模拟控制转换电路的控制信号输出端，所述的分压电阻R11、R12、......、R1n-1、R1n分别连接控制场效应晶体管F11、F12、......、F1n-1、F1n的源极后整体并联再与第零分压电阻R10串联构成电调可控的分压网络，该数字/模拟控制转换电路的控制信号输出端与所述的组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减网络电路的控制信号输入端连接。如图1所示，引起衰减的PIN二极管PIN1、 PIN2、 PIN3、 PIN4是由分压电阻R10、R11、R12、......、R1n-1、R1n和场效应晶体管 F11、F12、......、F1n-1、F1n联合控制。当参考电压VR一定时，控制电压V1的作用使PIN二极管PIN1、 PIN2处于低阻状态, PIN3、 PIN4处于高阻状态时，而V11、V12、......、V1n-1、V1n ，V2、V41、V42、......、V4n-1、V4n是控制场效应晶体管F11、F12、......、F1n-1、F1n的夹断电压时，衰减器处于最小衰减状态，或者说处于“ON”参考状态。当参考电压VR一定时，控制电压V1的作用使PIN二极管PIN1、 PIN2处于低阻状态, PIN3、 PIN4处于高阻状态时,而 V11、V12、......、V1n-1、V1n ，V2、V41、V42、......、V4n-1、V4n处于夹断电压，此时衰减器处于最大衰减状态，或者说处于“OFF”状态。当V1控制电压和参考电压VR分别处于一个稳定电压值时，其他的控制信号输入端V11、V12、......、V1n-1、V1n ， V41、V42、......、V4n-1、V4n分别或组合加控制场效应晶体管F11、F12、......、F1n-1、F1n的导通电压时则为不同的数字衰减态。

电阻R4、R5、R6作为二极管的匹配电阻网络，适当选择其参数，可在大动态的衰减范围内为串联和旁路二极管提供正确的偏置与分流,使整个网络获得较好的阻抗匹配。

综上所述，本发明组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减的工作过程如下：微波输入信号从信号输入端RFIN输入，当参考电压VR一定时，总控制电压V1从使PIN二极管PIN1、PIN2从低阻状态向高阻状态连续变化，同时使PIN二极管PIN3、PIN4从高阻状态向低阻状态连续变化，或者总控制电压V1从使PIN二极管PIN1、PIN2从高阻状态向低阻状态连续变化，同时使PIN二极管PIN3、PIN4从低阻状态向高阻状态连续变化，此时各数字衰减位的控制信号V11、V12、......、V1n-1、V1n均为夹断电压，这种状态下对应为PIN二极管衰减器的衰减量发生连续变化，这种状态为模拟衰减态。数字衰减态时，当V1控制电压和参考电压VR分别处于一个稳定电压值时，控制信号输入端V11、V12、......、V1n-1、V1均接场效应晶体管夹断电压时设为参考态， V11、V12、......、V1n-1、V1n分别或组合加导通电压或者夹断电压时，对应不同的衰减量控制电压，则相应的对应于不同的数字衰减态，这样便可方便的实现组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减器。

实施例：图2显示了一款六位控制电压超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器集成电路。

如图2所示，所述六位控制电压超宽带组合并联分压式数字/模拟可变衰减器集成电路由微波信号输入端RFIN；微波信号输出端RFOUT；控制信号输入端V1、V11、V12、V13、V14、V15 、V16；分压电阻R10、 R11、 R12、 R13、R14、 R15、R16；分压控制金属半导体场效应管F11、 F12、 F13、F14、 F15、F16；偏置电阻R21、R22、R23、R24、R25、R26；隔离电容C1、 C2、 C3、 C4，高频扼流电感L1 、L2、 L3，偏置电阻R1、R2、R3,匹配调整网络电阻R4、R5、R6，衰减网络PIN二极管PIN1、 PIN2、 PIN3、 PIN4构成。

如图2所示，所述单元电路的合并联分压式控制数字/模拟可变衰减器电路中，总控电压V1接电阻R10的一端，电阻R10的另一端接控制信号输入端P，控制信号输入端P即电阻R11、 R12、 R13、R14、 R15、R16的公共一端，电阻R11、 R12、 R13、R14、 R15、R16的另一端分别接场效应管F11、 F12、 F13、F14、 F15、 F16的源极，金属半导体场效应管F11、 F12、 F13、F14、 F15、 F16的栅极分别接偏置电阻R21、R22、R23、R24、R25、R26的一端，偏置电阻R R21、R22、R23、R24、R25、R26的另一端分别接电压控制端V11、V12、V13、V14、V15、V16，场效应管F11、 F12、 F13、F14、 F15、 F16的漏极分别接地。信号输入端口RFIN连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接电感L2的一端和PIN二极管PIN1、PIN3的负端，PIN二极管PIN1的正端连接PIN二极管PIN2的正端和电感L1的一端，电感L1的另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接控制电压网络电路的输出端P,PIN二极管PIN2的负端连接PIN二极管PIN4的负端、电感L3的一端以及电容C2的一端，电容C2的另一端连接信号输出端RFOUT，电感L3的另一端连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接公共地，电感L2的另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接公共地，PIN二极管PIN3的正端连接电容C3的一端和电阻R4的一端，电容C3的另一端连接公共地，电阻R4的另一端接电阻R5的一端和电阻R6的一端，电阻R6的另一端接参考电压VR，电阻R5的另一端接PIN二极管PIN4的正端和电容C4的一端，电容C4的另一端接公共地。

如图2所示，引起衰减的PIN二极管PIN1、 PIN2、 PIN3、 PIN4是由分压电阻R10、 R11、 R12、 R13、R14、 R15、R16和金属半导体场效应管 F11、 F12、 F13、F14、 F15、 F16联合控制。当参考电压VR一定时，控制电压V1的作用使PIN二极管PIN1、 PIN2处于低阻状态, PIN3、 PIN4处于高阻状态时，控制电压V11、V12、V13、V14、V15 、V16是控制金属半导体场效应管F11、 F12、 F13、F14、 F15、 F16夹断电压-5V，此时衰减器处于最小衰减状态，或者说处于“ON”参考状态。当参考电压VR一定时，控制电压V1的作用使PIN二极管PIN1、 PIN2处于高阻状态, 而PIN3、 PIN4处于低阻状态时，控制电压V11、V12、V13、V14、V15 、V16是控制金属半导体场效应管F11、 F12、 F13、F14、 F15、 F16导通电压0V，此时衰减器处于最大衰减状态，或者说处于“OFF”状态。当V1控制电压和参考电压VR分别处于一个稳定电压值时，其他的控制信号输入端V11、V12、V13、V14、V15 、V16分别或组合加控制金属半导体场效应管F11、 F12、 F13、F14、 F15、 F16的导通电压时则为不同的数字衰减态。

微波输入信号从信号输入端RFIN输入，当参考电压VR一定时，总控制电压V1从使PIN二极管PIN1、PIN2从低阻状态向高阻状态连续变化，同时使PIN二极管PIN3、PIN4从高阻状态向低阻状态连续变化，或者总控制电压V1从使PIN二极管PIN1、PIN2从高阻状态向低阻状态连续变化，同时使PIN二极管PIN3、PIN4从低阻状态向高阻状态连续变化，此时各数字衰减位的控制信号V11、V12、V13、V14、V15 、V16均为夹断电压-5V，这种状态下对应为PIN二极管衰减器的衰减量发生连续变化，这种状态为模拟衰减态。数字衰减态时，当V1控制电压和参考电压VR分别处于一个稳定电压值时，控制信号输入端V11、V12、V13、V14、V15 、V16均接金属半导体场效应管的夹断电压-5V时设为参考态， V11、V12、V13、V14、V15 、V16分别或组合加导通电压0V或者夹断电压-5V时，对应不同的衰减量控制电压，则相应的对应于不同的数字衰减态，这样便可方便的实现组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减器。

Claims

1.一种组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减器，其特征在于：它由控制电路和衰减网络电路两部分组成，衰减网络电路的控制电压是通过串并联电阻分压来提供的。

2.根据权利要求1所述的组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减器，其特征在于：提供一种拓扑结构简单、偏置电路简洁、控制线性度好、隔离度高、信号失真小、衰减相移小、衰减精度高、输入和输出端电压驻波比小、工作频带宽、电路尺寸小、便于采用MMIC工艺批量生产的组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减器集成电路。

3.根据权利要求1或2所述的组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减器，其特征在于：它由一个单元电路构成，该单元电路由组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减网络电路和数字/模拟控制转换电路连接组成，该组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减网络电路包括信号输入端RFIN、信号输出端RFOUT和一个由PIN二极管组成的的衰减网络构成；

所述的数字/模拟转换连通控制电路由控制信号输入端V1、V11、V12、......、V1n-1、V1n ，分压电阻R10、R11、R12、......、R1n-1、R1n,分压控制场效应晶体管F11、F12、......、F1n-1、F1n和分压控制场效应晶体管F11、F12、......、F1n-1、F1n的偏置电阻R21、R22、......、R2n-1、R2n构成，其中第零分压电阻R10和第一分压电阻R11的公共连接点P构成数字/模拟转换控制电路的控制电压信号输出端，所述的分压电阻R11、R12、......、R1n-1、R1n分别连接控制场效应晶体管F11、F12、......、F1n-1、F1n的源极后整体并联再与第零分压电阻R10串联构成电调可控的分压网络，该数字/模拟控制转换电路的控制信号输出端与所述的组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减网络电路的控制信号输入端连接；

所述单元电路的微波毫米波数字/模拟衰减器电路中, 总控电压V1接电阻R10的一端，电阻R10的另一端接控制信号输入端P，控制信号输入端P即电阻R11、R12、......、R1n-1、R1n的公共一端，电阻R11、R12、......、R1n-1、R1n的另一端分别接场效应管F11、F12、......、F1n-1、F1n的源极，场效应晶体管F11、F12、......、F1n-1、F1n的栅极分别接偏置电阻R21、R22、......、R2n-1、R2n的一端，偏置电阻R21、R22、......、R2n-1、R2n的另一端分别接电压控制端V11、V12、......、V1n-1、V1n ，场效应管F11、F12、......、F1n-1、F1n的漏极分别接地。

4.根据权利要求1或2所述的组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减器，其特征在于：它由一个单元电路构成，该单元电路由组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减网络电路和数字/模拟控制转换电路连接组成，该组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减网络电路包括信号输入端RFIN、信号输出端RFOUT和一个由PIN二极管组成的衰减网络构成；

所述的组合并联分压式控制数字/模拟可变衰减网络电路由信号输入端RFIN、信号输出端RFOUT，隔离电容C1、 C2、 C3、 C4，高频扼流电感L1 、L2、 L3，偏置电阻R1、R2、R3,匹配调整网络电阻R4、R5、R6，衰减网络PIN二极管PIN1、 PIN2、 PIN3、 PIN4构成；信号输入端口RFIN连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接电感L2的一端和PIN二极管PIN1、PIN3的负端，PIN二极管PIN1的正端连接PIN二极管PIN2的正端和电感L1的一端，电感L1的另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接控制电压网络电路的输出端P,PIN二极管PIN2的负端连接PIN二极管PIN4的负端、电感L3的一端以及电容C2的一端，电容C2的另一端连接信号输出端RFOUT，电感L3的另一端连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接公共地，电感L2的另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接公共地，PIN二极管PIN3的正端连接电容C3的一端和电阻R4的一端，电容C3的另一端连接公共地，电阻R4的另一端接电阻R5的一端和电阻R6的一端，电阻R6的另一端接参考电压VR，电阻R5的另一端接PIN二极管PIN4的正端和电容C4的一端，电容C4的另一端接公共地。