CN106849986A - 一种基于pin电子开关的短波天线调谐器 - Google Patents

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刘科伟
夏寒
张静
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Nanjing Panda Handa Technology Co Ltd
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    • H04B1/38—Transceivers, i.e. devices in which transmitter and receiver form a structural unit and in which at least one part is used for functions of transmitting and receiving
    • H04B1/40—Circuits
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Abstract

本发明提供了一种基于PIN电子开关的短波天线调谐器，用多种耐高压、低插损的PIN开关二极管替代原数字式自动天线调谐器中的部分继电器，并设计了相应的外围电路，提高开关二极管的隔离度，减少谐波对收信号的影响，使天调在各频率点的调谐时间缩短至200毫秒以内。

Description

一种基于PIN电子开关的短波天线调谐器
技术领域
本发明属于电子电路技术领域,具体涉及一种基于PIN电子开关的短波天线调谐器。
背景技术
天线调谐器(以下简称天调)是短波通信系统中的重要设备，它是实现短波发射极与窄带天线间的阻抗匹配，使发射极的功率最大限度地传输至天线。因受短波天调调谐时间的限制，短波通信中的很多业务都不能快速高效地进行，所以提升天调调谐速度是一代代科研工作者努力的方向。
早期的天线调谐器是通过手摇或电机转动等模拟方式调整电感或电容值实现阻抗匹配，这种模拟调谐精度较高，一般不会有死点(不能匹配的频率点)，但其至命的缺点是调谐时间久，在几秒甚至几十秒，效率低，已被淘汰。
目前国内外常用是数字式自动天线调谐器，它是由多组以二进制方式连续取值的离散电感或电容组成，如图1所示，Cn＝2(n-1)×C1，Lm＝2(m-1)×L1,Cn和Lm的接入与否由CPU控制继电器Kn和K(m+n)的闭合与断开。
继电器因其低插损、高隔离度、耐高压等优势，一直作为天调内部网络切换开关，因整个过程均是由CPU根据调谐算法自动控制继电器动作，使天调的调谐时间可以缩短至1-3秒内。
但由于继电器是通过机械吸合和断开方式，单次动作时间一般大于10ms，这就限制了进一频提升调谐速度的可能。
PIN二极管因其在直流正-反偏压下呈现近似导通或断开的阻抗特性，及快速切换(小于100ns)的特性，现已被广泛应用于微波信号通道的切换。但因其功率容量及耐压的限制，一直未被应用于短波天调内。
本发明使用多种耐高压、低插损的PIN开关二极管替代天调匹配网络中的部分继电器，并为提高开关二极管的隔离度、减少谐波对收信号的影响设计了相应的外围电路，大大缩短天调的调谐时间。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于PIN电子开关的短波天线调谐器，用多种耐高压、低插损的PIN开关二极管替代原数字式自动天线调谐器中的部分继电器，并设计了相应的外围电路，提高开关二极管的隔离度，减少谐波对收信号的影响，使天调在各频率点的调谐时间缩短至200毫秒以内。
本发明的技术方案是：一种基于PIN电子开关的短波天线调谐器，包括主线路，多组以二进制方式连续取值串联于主线路上的离散电感Lm和并联于主线路上的电容Cn，每个电容Cn串联一个带有PIN电子开关的电路，每个电感Lm并联一个带有PIN电子开关的电路；
所述带有PIN电子开关的电路包括一个由两个同样型号的第一PIN二极管和第二PIN二极管负极串联组成的单刀单置的电子开关，所述第一PIN二极管和第二PIN二极管正极分别连接一个由电感和电容组成的第一LC低通滤波器一端，第一LC低通滤波器另一端加+5V的偏置电压；
所述第一PIN二极管和第二PIN二极管的负极接入控制电路，控制第一PIN二极管和第二PIN二极管的导通和截止，所述控制电路包括有一个由电感和电容组成的第二LC低通滤波器，所述第二LC低通滤波器一端连接第一PIN二极管和第二PIN二极管的负极，另一端连接NPN三极管的集电极，所述NPN三极管的集电极另加+HV高压，发射极接地，基极通入Kn_set信号；当Kn_set信号为低电平时，第一PIN二极管和第二PIN二极管负极为+HV高压，第一PIN二极管和第二PIN二极管处于截止状态；当Kn_set信号为高电平时，第一PIN二极管和第二PIN二极管负极与地短接，第一PIN二极管和第二PIN二极管处于导通状态；
串联于电容Cn上的带有PIN电子开关的电路中，第一PIN二极管的正极连接电容Cn，第二PIN二极管的正极连接主线路；
并联于电感Lm上的带有PIN电子开关的电路中，第一PIN二极管和第二PIN二极管的正极分别连接电感Lm两端。
进一步的，所述+HV高压比射频电压高出2倍以上。保证足够的冗余度。
进一步的，所述第一LC低通滤波器与+5V的偏置电压之间连接有用于限定PIN二极管偏置电流的电阻。
进一步的，串联于电容Cn上的带有PIN电子开关的电路中的PIN二极管的型号和+HV高压根据电容Cn的电容值设定；并联于电感Lm上的带有PIN电子开关的电路中的PIN二极管的型号+HV高压根据电感Lm的电感值设定。
本发明的有益效果：本发明可以对短波天调的调谐速度有一个数量级的提升，从原来的秒级提升至毫秒级，可以加快各业务信道间的快速切换，缩短通信业务中建链时间，提高短波通信的时效性。同时，因PIN开关二极管相比继电器体积小、可靠性高，可以缩小整个天调设备的体积，提高整机的可靠性。
附图说明
图1数字式自动天线调谐器匹配网络示意图；
图2 PIN电子开关的串联电路设计；
图3 PIN电子开关的并联电路设计。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
本发明主要包括两种电路模式，一种是PIN电子开关的串联电路设计(如图2所示)，另一种是PIN电子开关的并联电路设计(如图3所示)。
PIN电子开关的串联电路设计用于替代串联在并联电容Cn(如图1所示)上的Kn继电器，如图2所示，为提高PIN电子开关的隔离度，选用两个同样型号的PIN二极管V2和V3组成一个单刀单置的电子开关，V2和V3型号选择由射频功率大小及Cn容值大小决定，功率一定，Cn容值越大，导通时经过V2和V3的电流越大；功率越大，要求V2和V3的反向击穿电压VBR越高。在V2和V3的正极分别加+5V的偏置电压，R1和R5用于限定PIN二极管的偏置电流，偏置电流越大，一般导通电阻越小，射频损耗会越小，L1、C1和L3、C2分别组成一个LC低通滤波器，防止直流和射频信号间相互串扰。在V2和V3的负极接入控制电路，控制V2和V3的导通和截止，当Kn_set信号(TTL电平)为低电平时，V2和V3负极为+HV高压(为保证足够的冗余度，要求+HV高压比射频电压高出2倍以上)，V2和V3处于截止状态(相对于射频断开状态)；当Kn_set信号为高电平时，V2和V3负极与地短接，V2和V3处于导通状态。L2和C5原理同L1和C1。
PIN电子开关的并联电路设计用于替代并联在串联电感Lm(如图1所示)上的K(n+m)继电器上，如图3所示，电路设计原理与PIN电子开关的串联电路设计相同，V4和V5组成一个单刀单置的电子开关，主要区别在于V4和V5的选型及+HV高压的设定，天调在最终匹配状态时，LC网络处于谐振状态，Lm电感值越大，其两端射频电压越高，比如对于100W的天调，在10MHz频率点以上，4μH的串联电感两端的射频电压已超过3000V，所以要求V4和V5的反向击穿电压VBR≥1500V，而这类PIN二极管国内外都相当少，所以需根据Lm不同电感值，选择相应的PIN二极管和+HV高压值。
本发明可以对短波天调的调谐速度有一个数量级的提升，从原来的秒级提升至毫秒级，可以加快各业务信道间的快速切换，缩短通信业务中建链时间，提高短波通信的时效性。同时，因PIN开关二极管相比继电器体积小、可靠性高，可以缩小整个天调设备的体积，提高整机的可靠性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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 (4)

1.一种基于PIN电子开关的短波天线调谐器，其特征在于：包括主线路，多组以二进制方式连续取值串联于主线路上的离散电感Lm和并联于主线路上的电容Cn，每个电容Cn串联一个带有PIN电子开关的电路，每个电感Lm并联一个带有PIN电子开关的电路；
所述带有PIN电子开关的电路包括一个由两个同样型号的第一PIN二极管和第二PIN二极管负极串联组成的单刀单置的电子开关，所述第一PIN二极管和第二PIN二极管正极分别连接一个由电感和电容组成的第一LC低通滤波器一端，第一LC低通滤波器另一端加+5V的偏置电压；
所述第一PIN二极管和第二PIN二极管的负极接入控制电路，控制第一PIN二极管和第二PIN二极管的导通和截止，所述控制电路包括有一个由电感和电容组成的第二LC低通滤波器，所述第二LC低通滤波器一端连接第一PIN二极管和第二PIN二极管的负极，另一端连接NPN三极管的集电极，所述NPN三极管的集电极另加+HV高压，发射极接地，基极通入Kn_set信号；当Kn_set信号为低电平时，第一PIN二极管和第二PIN二极管负极为+HV高压，第一PIN二极管和第二PIN二极管处于截止状态；当Kn_set信号为高电平时，第一PIN二极管和第二PIN二极管负极与地短接，第一PIN二极管和第二PIN二极管处于导通状态；
串联于电容Cn上的带有PIN电子开关的电路中，第一PIN二极管的正极连接电容Cn，第二PIN二极管的正极连接主线路；
并联于电感Lm上的带有PIN电子开关的电路中，第一PIN二极管和第二PIN二极管的正极分别连接电感Lm两端。
2.根据权利要求1所述的一种基于PIN电子开关的短波天线调谐器，其特征在于：所述+HV高压比射频电压高出2倍以上。
3.根据权利要求1所述的一种基于PIN电子开关的短波天线调谐器，其特征在于：所述第一LC低通滤波器与+5V的偏置电压之间连接有用于限定PIN二极管偏置电流的电阻。
4.根据权利要求1所述的一种基于PIN电子开关的短波天线调谐器，其特征在于：串联于电容Cn上的带有PIN电子开关的电路中的PIN二极管的型号和+HV高压根据电容Cn的电容值设定；并联于电感Lm上的带有PIN电子开关的电路中的PIN二极管的型号+HV高压根据电感Lm的电感值设定。
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