CN104579236A - 一种非对称的微波数字衰减器电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非对称的微波数字衰减器电路，包括电压控制单元、微波输入单元、微波输出单元。在微波输入单元与微波输出单元之间连接有两个微波通路，所述两个微波通路采用非对称的串并结构，其中第一微波通路采用两个二极管并联的拓扑结构，第二微波通路采用二极管与电阻串联的拓扑结构，通过电压控制单元输入一路正电压信号控制两个微波通路中二极管的导通或隔离，实现电路呈导通状态或衰减状态，发明还公开了该电路的控制方法，导通态采用并联结构，衰减态采用串联结构，实现了一路正电压（0/5V）信号控制。发明简化了控制电路结构，降低了外围元件特别是电感的影响，简化了工艺，特别有利于单片集成电路的实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于PIN二极管的微波数字衰减器电路，属于微波单片集成电路领域。
背景技术
在微波通讯系统中，往往需要可以通过数字信号控制的固定衰减量的微波数字衰减器。采用PIN二极管实现的方式主要有二种：一种是采用分立的PIN二极管，混合电路的方式完成，其特点是体积大，工作频带窄，控制电路复杂。另一种是采用PIN的单片集成电路，具有体积小，应用频带宽，控制电路复杂。
上述传统的电路中，大多采用对称的电路结构，通常需要2路或更多的电压控制信号，如需要一路信号控制，则需外加一些电路进行转换，不利于电路的小型化。
传统电路中需要多个电感，实现滤波，直流偏置等功能，但电感的工艺实现较复杂，面积大，Q值低，电感值和工艺相关性高。导致电感的变化对电路的微波特性影响较大，特别是单片集成电路MMIC芯片中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提出一种基于PIN二极管的微波数字衰减器电路，采用非对称的串并结构。导通态采用并联结构，衰减态采用串联结构，电路简单，实现一路正电压信号控制。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种非对称的微波数字衰减器电路，包括电压控制单元、微波输入单元、微波输出单元。在微波输入单元与微波输出单元之间连接有两个微波通路，所述两个微波通路采用非对称的串并结构，其中第一微波通路采用两个二极管并联的拓扑结构，第二微波通路采用二极管与电阻串联的拓扑结构，通过电压控制单元输入一路正电压信号控制两个微波通路中二极管的导通或隔离，实现电路呈导通状态或衰减状态。
进一步的，本发明的非对称的微波数字衰减器电路，所述微波输入单元包括依次连接的微波输入端、第一电容、第一传输线，微波输出单元包括依次连接的第二传输线、第二电容和微波输出端；所述两个微波通路连接在第一传输线与第二传输线之间；其中，
第一微波通路包括第三传输线、第一二极管、第二二极管、第四传输线，其中：第三传输线的一端与第一传输线连接，第三传输线的另一端分别连接第一二极管、第二二极管的正极和第四传输线的一端，第四传输线的另一端连接第二传输线；所述第一二极管、第二二极管的负极接地；
第二微波通路包括第三二极管、第五传输线、第一至第三电阻、第六传输线和第四二极管，第三电容；其中：第三二极管的负极连接第一传输线，第三二极管的正极经过第五传输线和第一电阻的一端相连，第一电阻的另一端分别连接第二电阻和第三电阻的一端，第三电阻的另一端通过第三电容接地，第二电阻的另一端经过第六传输线和第四二极管的正极相连，第四二极管的负极连接第二传输线；
电压控制单元包括电压控制端、第四电阻、第四电容、第七传输线，其中：电压控制端分别与第四电阻的一端、第四电容的一端连接，第四电阻的另一端通过第七传输线连接到第一电阻、第二电阻、第三电阻的公共点，所述第四电容的另一端接地。
进一步的，本发明的非对称的微波数字衰减器电路，所述正电压信号为0 V或5V；当正电压信号为0 V时，电路呈导通状态，当正电压信号为5V时，电路呈衰减状态。
进一步的，本发明的非对称的微波数字衰减器电路，第一至第四二极管采用GaAs材料或Si材料制作。
进一步的，本发明的非对称的微波数字衰减器电路，传输线采用GaAs单片集成电路工艺加工。
进一步的，本发明的非对称的微波数字衰减器电路，所述第一至第二传输线的宽度为40um，长度为50um；所述第三至第四传输线的宽度为40um，长度为2500um；所述第五至第六传输线的宽度为40um，长度为100um；所述第七传输线的宽度为10um，长度为600um。
本发明还提出一种非对称的微波数字衰减器电路的控制方法，具体为：
当正电压信号为0 V时，两个微波通路中的二极管的直流偏压为0V，其中：第一微波通路上的二极管均呈导通状态，第二微波通路上的二极管均呈隔离状态，电路呈导通状态；
当正电压信号为5V时，通过控制两个微波通路中的二极管的直流偏压，使两个微波通路中的二极管上的直流偏压大于其导通电压，进而使得第一微波通路上的二极管均呈隔离状态，第二微波通路上的二极管均呈导通状态，第二微波通路中的电阻构成衰减网络，电路呈衰减状态；通过调整两个微波通路中元器件的参数，实现微波频段及所需固定衰减量的要求。
进一步的，非对称的微波数字衰减器电路的控制方法：
当正电压信号为0 V时，第一至第四二极管上的直流偏压为0V，其中：第一微波通路上的二极管均呈导通状态，第二微波通路上的二极管均呈隔离状态，电路呈导通状态；
当正电压信号为5V时，通过调节第一电阻、第二电阻和第四电阻的大小，控制第一至第四二极管上的直流偏压，使得第一至第四二极管上的直流偏压大于其导通电压，即第一微波通路上的二极管均呈隔离状态，第二微波通路上的二极管均呈导通状态，第一至第三电阻构成衰减网络，电路呈衰减状态；通过调整衰减网络、第三至第四传输线、第一至第二二极管的参数，实现微波频段及所需固定衰减量的要求。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明的衰减器采用非对称的结构，结构简单，元器件少。特别是偏置电路中可以省略电感而不影响微波性能。一个正的控制电压就可实现电路切换功能。偏置电路和衰减电阻网络结合在一起，减小了偏置电路中电感或传输线对微波支路的影响，提升了电路性能，提高工艺和元器件的容差范围。
正电压直流偏置电路和衰减电路结合在一起，简化了控制电路结构，降低了外围元件特别是电感的影响，提升了工艺的容差性能，特别有利于单片集成电路的实现。
本发明的电路可以采用混合电路方式实现，也可通过集成电路方式实现，采用砷化镓（GaAs）单片集成电路的形式性能会更加明显。
附图说明
图1是本发明在电路结构示意图。
其中：MLIN-1 ～ MLIN-7：传输线，PIN-1 ～ PIN-4：二极管：C1、C2分别是微波隔直电容，C3是第二微波通路中的电容，C4是电压控制端的滤波电容，R1、R2、R3是第二微波通路中的第一至第三电阻，R4是第四电阻（偏置的保护电阻）。
图2是本发明的集成电路MMIC芯片的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式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元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，图1是本发明的电路结构示意图：
传输线MLIN-1 ～
MLIN-7：采用GaAs材料或PCB介质版加工，其长度和宽度根据工作频率、介电常数、电路性能优化设计决定。在单片集成电路中还要考虑各个元件之间物理连接时所需要的长度。
二极管PIN-1 ～ PIN-4：采用GaAs材料或Si材料制作，可以集成在芯片电路中，也可采用分立元器件。在微波通路一中，二极管PIN-1、PIN-2表现为并联到地。在微波通路二中，二极管PIN-3、PIN-4表现为串联连接。
微波隔直电容C1、C2，其容值根据工作频率和电路性能选取，可以集成在芯片电路中，也可采用分立元器件。
电容C3用于提供微波到地通路，其容值根据工作频率和电路性能选取，可以集成在芯片电路中，也可采用分立元器件。
电容C4是控制端的滤波电容，其容值根据工作频率和电路性能选取，可以集成在芯片电路中，也可采用分立元器件。
电阻R1、R2、R3构成衰减网络，R4是偏置的保护电阻，可以集成在芯片电路中，也可采用分立元器件。
本发明的非对称微波数字衰减器电路是单正电源Vcon控制，采用非对称的串并结构，导通态采用并联结构，衰减态采用串联结构，电路简单，实现了一路正电压（0/5V）信号控制。工作状态描述如下：
电路导通态：Vcon等于0V。电路构成2个直流回路到地：第一个直流回路依次为电阻R4、传输线MLIN-7、电阻R1、传输线MLIN-5、二极管PIN-3、传输线MLIN-3、二极管PIN-1（PIN-2）；第二个直流回路为电阻R4、传输线MLIN-7、电阻R2、传输线MLIN-6、二极管PIN-4、传输线MLIN-4、二极管PIN-1（PIN-2）。
因为Vcon=0V，所以二极管PIN-3、PIN-4、PIN-2、PIN-1上的直流偏压为0V，此时二极管简单等效一个高阻和结电容的并联。因此二极管PIN-3、传输线MLIN-5、电阻R1、电阻R2、传输线MLIN-6、二极管PIN-4这条微波通路上二极管呈隔离态；传输线MLIN-3、二极管PIN-1（PIN-2）、传输线MLIN-4这条微波通路上二极管呈导通态。整个衰减器电路呈导通态。
电路衰减态：Vcon等于5V。电路构成2个直流回路到地：第一个直流回路依次为电阻R4、传输线MLIN-7、电阻R1、传输线MLIN-5、二极管PIN-3、传输线MLIN-3、二极管PIN-1（PIN-2）；第二个直流回路依次为电阻R4、传输线MLIN-7、电阻R2、传输线MLIN-6、二极管PIN-4、传输线MLIN-4、二极管PIN-1（PIN-2）。
通过调节R4、R1、R2电阻的大小，控制四个二极管的直流偏压，使PIN-3、PIN-4、PIN-2、PIN-1二极管上的直流偏压大于其导通电压（根据所用二极管的特性，电压会有所差异）。此时二极管简单等效一个低阻和结电容的并联。因此二极管PIN-3、传输线MLIN-5、电阻R1、电阻R2、传输线MLIN-6、二极管PIN-4这条微波通路上二极管呈导通态，其中电阻R1、电阻R2、电阻R3构成衰减网络。传输线MLIN-3、二极管PIN-1（PIN-2）、传输线MLIN-4这条微波通路上二极管呈隔离态。整个电路呈衰减态。
通过CAD的设计，调整（R1、R2、R3）衰减网络、（MLIN-3、MLIN-4）传输线和（PIN-1、PIN-2）二极管参数，可以实现微波频段，所需固定衰减量的要求。其中：传输线MLIN-3、MLIN-4，主要根据电路的工作频率，进行长度、宽度等参数优化设计。传输线MLIN-1、MLIN-2、MLIN-5、MLIN-6、MLIN-7，主要起物理连接作用。通过CAD设计，调整传输线参数，优化电路性能。
如图2所示，是本发明的集成电路MMIC芯片的示意图。采用GaAs MMIC工艺技术，芯片大小：1.2*1.7mm。在微波频带（8-11GHz）内，导通态插损小于1dB，衰减态衰减31dB。控制电压0/5V，兼容TTL。
根据本电路结构的特点，在CAD中可以采用小的物理连接长度。但由于集成电路版图布局的要求，长度会加长，但对电路性能的影响较小。
实施例1：
采用GaAs材料的衰减器单片集成电路的设计。
根据图1的电路结构原理，进行微波CAD仿真，选择微带线的宽度和长度，调节电容、电阻的大小，以达到设计要求。
元件参数设计。
C1=C2=3pF，C3=5pF，C4=5pF。
R1=R2=45Ω，R3=3Ω构成衰减网络。R4=100Ω。
传输线采用GaAs单片集成电路工艺加工。MLIN-1、MLIN-2的宽度40um，长50um。MLIN-3、MLIN-4的宽度40um，长2500um。MLIN-5、MLIN-6的宽度40um，长100um。MLIN-7的宽度10um，长600um。
PIN-1
～ PIN-4:二极管：采用GaAs单片集成电路工艺加工，器件击穿60V。
按上述要求完成电路拓扑结构，根据电路原理进行版图布局。如图2。
按照本电路结构设计,其控制信号电路省略了电感，以MLIN-7替代,而且传输线的长度对电路性能影响小，可以根据版图布局的需要确定。因此在设计中灵活性大。参照本实施例的设计，在频率10GHz，MLIN-7长度变化对性能的影响见下表。可见影响非常小。
| 长度变化 | 导通态 | 衰减态 |
| 800um | -0.857dB | -33.27dB |
| 100um | -0.857dB | -33.26dB |
本例中，考虑版图布局的因素，传输线MLIN-7长600um。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种非对称的微波数字衰减器电路，包括电压控制单元、微波输入单元、微波输出单元，其特征在于：在微波输入单元与微波输出单元之间连接有两个微波通路，所述两个微波通路采用非对称的串并结构，其中第一微波通路采用两个二极管并联的拓扑结构，第二微波通路采用二极管与电阻串联的拓扑结构，通过电压控制单元输入一路正电压信号控制两个微波通路中二极管的导通或隔离，实现电路呈导通状态或衰减状态。
2.根据权利要求1所述的非对称的微波数字衰减器电路，其特征在于：所述微波输入单元包括依次连接的微波输入端（RF-in）、第一电容（C1）、第一传输线（MLIN-1），微波输出单元包括依次连接的第二传输线（MLIN-2）、第二电容（C2）和微波输出端（RF-out）；所述两个微波通路连接在第一传输线（MLIN-1）与第二传输线（MLIN-2）之间；其中，
第一微波通路包括第三传输线（MLIN-3）、第一二极管（PIN-1）、第二二极管（PIN-2）、第四传输线（MLIN-4），其中：第三传输线（MLIN-3）的一端与第一传输线（MLIN-1）连接，第三传输线（MLIN-3）的另一端分别连接第一二极管（PIN-1）、第二二极管（PIN-2）的正极和第四传输线（MLIN-4）的一端，第四传输线（MLIN-4）的另一端连接第二传输线（MLIN-2）；所述第一二极管（PIN-1）、第二二极管（PIN-2）的负极接地；
第二微波通路包括第三二极管（PIN-3）、第五传输线（MLIN-5）、第一至第三电阻（R1、R2、R3）、第六传输线（MLIN-6）和第四二极管（PIN-4），第三电容（C3）；其中：第三二极管（PIN-3）的负极连接第一传输线（MLIN-1），第三二极管（PIN-3）的正极经过第五传输线（MLIN-5）和第一电阻（R1）的一端相连，第一电阻（R1）的另一端分别连接第二电阻（R2）和第三电阻（R3）的一端，第三电阻（R3）的另一端通过第三电容（C3）接地，第二电阻（R2）的另一端经过第六传输线（MLIN-6）和第四二极管（PIN-4）的正极相连，第四二极管（PIN-4）的负极连接第二传输线（MLIN-2）；
电压控制单元包括电压控制端（Vcon）、第四电阻（R4）、第四电容（C4）、第七传输线（MLIN-7），其中：电压控制端（Vcon）分别与第四电阻（R4）的一端、第四电容（C4）的一端连接，第四电阻（R4）的另一端通过第七传输线（MLIN-7）连接到第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第三电阻（R3）的公共点，所述第四电容（C4）的另一端接地。
3.根据权利要求1或2任一所述的非对称的微波数字衰减器电路，其特征在于：所述正电压信号为0 V或5V；当正电压信号为0 V时，电路呈导通状态，当正电压信号为5V时，电路呈衰减状态。
4.根据权利要求2所述的非对称的微波数字衰减器电路，其特征在于：第一至第四二极管采用GaAs材料或Si材料制作。
5.根据权利要求2所述的非对称的微波数字衰减器电路，其特征在于：传输线采用GaAs单片集成电路工艺加工。
6.根据权利要求5所述的非对称的微波数字衰减器电路，其特征在于：所述第一至第二传输线的宽度为40um，长度为50um；所述第三至第四传输线的宽度为40um，长度为2500um；所述第五至第六传输线的宽度为40um，长度为100um；所述第七传输线的宽度为10um，长度为600um。
7.一种基于权利要求1所述的非对称的微波数字衰减器电路的控制方法，其特征在于：
当正电压信号为0 V时，两个微波通路中的二极管的直流偏压为0V，其中：第一微波通路上的二极管均呈导通状态，第二微波通路上的二极管均呈隔离状态，电路呈导通状态；
当正电压信号为5V时，通过控制两个微波通路中的二极管的直流偏压，使两个微波通路中的二极管上的直流偏压大于其导通电压，进而使得第一微波通路上的二极管均呈隔离状态，第二微波通路上的二极管均呈导通状态，第二微波通路中的电阻构成衰减网络，电路呈衰减状态；通过调整两个微波通路中元器件的参数，实现微波频段及所需固定衰减量的要求。
8.一种基于权利要求2所述的非对称的微波数字衰减器电路的控制方法，其特征在于：
当正电压信号为0 V时，第一至第四二极管上的直流偏压为0V，其中：第一微波通路上的二极管均呈导通状态，第二微波通路上的二极管均呈隔离状态，电路呈导通状态；
当正电压信号为5V时，通过调节第一电阻、第二电阻和第四电阻的大小，控制第一至第四二极管上的直流偏压，使得第一至第四二极管上的直流偏压大于其导通电压，即第一微波通路上的二极管均呈隔离状态，第二微波通路上的二极管均呈导通状态，第一至第三电阻构成衰减网络，电路呈衰减状态；通过调整衰减网络、第三至第四传输线、第一至第二二极管的参数，实现微波频段及所需固定衰减量的要求。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150429 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |