CN109150228B - 一种限幅放大及输出信号监测控制模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种限幅放大及输出信号监测控制模块，包括电源转换电路、射频信号限幅电路、低噪声放大电路、电压钳位网络电路、数控步进衰减电路、数控步进移相电路、驱动放大电路、射频信号耦合电路与信号控制取样电路；外部射频信号经射频信号限幅电路调整后，输出一定大小的射频信号送入低噪声放大电路器中进行信号放大，放大后的信号再依次经过数控步进衰减电路、数控步进移相电路、驱动放大电路与射频信号耦合电路后输出；链路中配置数控步进衰减电路、数控步进移相电路，保证链路射频信号大小和相位实时可调，使射频输出信号的大小和相位同目标信号保持一致；本发明限幅放大及输出信号监测控制模块采用微波混合集成方式进行，集成度较高，体积较小，使用方便，可靠性高，通用性好。

Description

一种限幅放大及输出信号监测控制模块

技术领域

本发明涉及微波混合集成电路技术领域，具体是一种限幅放大及输出信号监测控制模块。

背景技术

微波作为信息或信息载体在电视、通讯、智能家居、公共安全、轨道交通及军工等领域得到较广泛地应用。由于微波信息的功能、用途及作用不同，其传输链路构建的方式也不一样。传统意义上的微波信号传输链路具有放大、衰减、移相等基本功能，这些功能在链路组装时通过调节特定器件的增益和增加固定衰减网络和相移结构使链路的增益、相位达到一致，再嵌入到具体应用系统中，实现某种特定的功能。这样的微波信号传输链路不能随链路上传输信号的变化而做出动态调整，有时会影响经由传输链路进入后级模块的微波信号质量。现有市场销售的商用微波信号传输链路模块，不能满足某系统既要对进入模块链路的微波信号实现传输与放大，又要对链路输出信号进行实时监测与动态调整的要求，需按照系统的实际需要设计具有微波信号限幅放大与输出信号监测控制性能的链路模块。

发明内容

本发明的目的在于提供一种限幅放大及输出信号监测控制模块，该模块能够监测微波传输链路中的信号，并实时动态调整微波输出信号的大小和相位。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种限幅放大及输出信号监测控制模块，包括电源转换电路、射频信号限幅电路、低噪声放大电路、电压钳位网络电路、数控步进衰减电路、数控步进移相电路、驱动放大电路、射频信号耦合电路与信号控制取样电路；

射频信号限幅电路的输入端作为所述限幅放大及监测控制模块的输入端，射频信号限幅电路、低噪声放大电路、数控步进衰减电路、数控步进移相电路、驱动放大电路、射频信号耦合电路与信号控制取样电路依次按照输入/输出50欧姆端口的匹配要求进行电连接；

电压钳位网络电路的输入控制端接收外部逻辑控制信号，电压钳位网络电路的输出控制端分别连接至数控步进衰减电路以及数控步进移相电路的控制端口，将外部逻辑控制信号传递给数控步进衰减电路以及数控步进移相电路；

射频信号耦合电路的第一输出端作为所述限幅放大及监测控制模块的输出端；

信号控制取样电路由射频信号耦合电路的第二输出端采集射频信号，信号控制取样电路的输出端口作为监测信号输出端口将射频信号输出；信号控制取样电路还设有使能端口；

所述低噪声放大电路与驱动放大电路的电源端口用于连接外部正电源；

电源转换电路用于将外部正电源转换为负电源；

数控步进衰减电路与数控步进移相电路的正负电源端口分别连接外部正电源与电源转换电路转换的负电源；

外部射频信号经射频信号限幅电路调整后，输出稳定的射频信号送入低噪声放大电路中进行信号放大，放大后的信号再依次经过数控步进衰减电路、数控步进移相电路、驱动放大电路与射频信号耦合电路后输出。

输入链路的射频信号先进入射频信号限幅电路，射频信号经射频信号限幅电路调整后，输出大小一致的射频信号，送入低噪声放大电路中进行信号放大，该放大信号再分别送入数控步进衰减电路、数控步进移相电路、驱动放大电路后输出，取样信号由信号耦合电路把驱动放大电路输出的射频信号，取出极小的一部分作为监测信号送入信号取样控制电路，通过逻辑电平控制该电路的使能端，实时监控驱动放大电路输出射频信号的大小和相位。

优选的，链路中所述的数控步进衰减量和移相量，依据监测取样信号的大小、相位与外部设备标准信号间的差异值，由外部设备发送相应指令到数控步进衰减电路、数控步进移相电路的控制端的控制指令转换后得出。使限幅放大及输出信号监测控制模块中射频输出端口输出的射频信号同设备标准信号的大小和相位一致。

进一步的，所述数控步进衰减电路、数控步进移相电路与信号控制取样电路的逻辑控制信号为TTL电平信号。

所述数控步进衰减电路、数控步进移相电路控制端口与设计的电压钳位网络电路输出端相连，TTL动态逻辑控制信号先进入电压钳位网络电路，再输出到电路的控制端口，把输入的动态逻辑电平电压钳制在电路正常工作电平范围，保护所述电路的控制端口，以免动态TTL信号产生瞬态高尖脉冲浪涌电压进入所述电路的控制端口。

本控制模块是基于微波混合集成的工艺方式进行组装与封装，电路射频信号输入/输出端采用3.5mm的50欧姆SMA连接器，电源、TTL控制信号输入端及接地端，采用玻璃绝缘端子排针，各器件电学连接通过混合集成组装方式实现，涉及到射频信号传输的各部分电路端口，均采用50欧姆微带线进行连接，封装电路壳体通过预留安装孔用螺钉同系统紧固装配。

本发明的有益效果是：

一、本发明中由于链路射频输入端具有射频信号限幅电路，当射频输入信号较大时，限幅电路将产生作用，对输入较大的射频信号进行线性限幅，使经过限幅电路的射频输出信号始终保持较低的输出功率，且限幅电路的插入损耗低，限幅电路和低噪声放大电路相组合，可保证链路的射频信号噪声低、线性好；

二、由于链路中配置数控步进衰减电路、数控步进移相电路，保证链路射频信号大小和相位可调，使射频输出信号的大小和相位保持稳定；

三、链路中配置了信号耦合电路，由于选择低耦合系数的射频信号耦合电路，在链路选择提取监测取样信号时，不会影响放大链路中射频输出信号的稳定度；

四、链路中配置信号控制取样电路，可以实时提取链路射频输出信号，从而实现实时监控链路射频信号的大小和相位；当链路的射频信号与目标信号大小和相位不一致时，可及时通过外部设备的TTL控制指令，调整链路中射频输出信号的大小和相位，直到与目标信号保持一致；

五、数控步进衰减电路、数控步进移相电路的控制端口配置电压钳位网络电路，较好地保护了电路的控制端口，避免TTL动态控制信号产生浪涌尖脉冲电压损坏控制端口；

六、本发明限幅放大及输出信号监测控制模块采用微波混合集成方式进行，集成度较高，体积较小，使用方便，可靠性高，通用性好。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明的电路原理框图；

图2是本发明电源转换电路的示意图；

图3是本发明射频信号限幅电路的示意图；

图4是本发明低噪声放大电路的示意图；

图5是本发明电压钳位网络电路的示意图；

图6是本发明数控步进衰减电路的示意图；

图7是本发明数控步进移相电路的示意图；

图8是本发明驱动放大电路的示意图；

图9是本发明射频信号耦合电路的示意图；

图10是本发明信号控制取样电路的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种限幅放大及输出信号监测控制模块，包括电源转换电路11、射频信号限幅电路22、低噪声放大电路33、电压钳位网络电路44、数控步进衰减电路55、数控步进移相电路66、驱动放大电路77、射频信号耦合电路88与信号控制取样电路99。

射频信号限幅电路22的输入端作为所述监测控制模块的输入端，射频信号限幅电路22、低噪声放大电路33、数控步进衰减电路55、数控步进移相电路66、驱动放大电路77、射频信号耦合电路88与信号控制取样电路99依次电连接。

电压钳位网络电路44的输入控制端接收外部逻辑控制信号，电压钳位网络电路44的输出端连接至数控步进衰减电路55以及数控步进移相电路66的控制端口，将外部逻辑控制信号传递给数控步进衰减电路55以及数控步进移相电路66。

射频信号耦合电路88的第一输出端作为所述限幅放大及监测控制模块的输出端；

信号控制取样电路99从射频信号耦合电路88的第二输出端采集射频信号，信号控制取样电路99的输出端口作为监测信号输出端口将射频信号输出；信号控制取样电路99还设有使能端口。

所述低噪声放大电路33与驱动放大电路77的电源端口用于连接外部正电源；

电源转换电路11用于将外部正电源转换为负电源；

数控步进衰减电路55与数控步进移相电路66的正负电源端口分别连接外部正电源与电源转换电路转换的负电源；

外部射频信号经射频信号限幅电路22调整后，输出一定大小的射频信号送入低噪声放大电路33中进行信号放大，放大后的信号再依次经过数控步进衰减电路55、数控步进移相电路66、驱动放大电路77与射频信号耦合电路88后输出。

具体来说，射频信号输入至射频信号限幅电路22的RF1in输入端，经射频信号限幅电路22后，由射频信号限幅电路22的RF1out输出端送至低噪声放大电路33的RF2in输入端，经低噪声放大电路33后，由低噪声放大电路33的RF2out输出端送至数控步进衰减电路55的RF3in输入端。

对于控制射频输出信号的大小，使用电压钳位网络电路44的I1in～I5in输入端，本模块外部设备依据监测取样信号的大小与目标值之间的差量，不同的TTL控制信号状态由电压钳位网络电路44的TTL控制信号经I1out～I5out端口送至数控步进衰减电路55的控制端口，使经过数控步进衰减电路55调整信号大小后的射频信号由RF3out端输出。

对于控制射频输出信号的相位，使用电压钳位网络电路44的I6in～I9in输入端，本模块外部设备依据监测取样信号的相位与目标值之间的差量，不同的TTL控制信号状态由电压钳位网络电路44的TTL控制信号经I6out～I9out端口送至数控步进移相电路66的控制端口，射频信号由数控步进移相电路66的RF4in输入端进入数控步进移相电路66，调整射频信号相位后的射频信号由RF4out端输出。RF4out端输出的射频信号送至驱动放大电路77的RF5in输入端，信号经驱动放大电路77放大后，由RF5out输出端送至射频信号耦合电路88的RF6in输入端，射频信号经由射频信号耦合电路88的RF6out1输出端口输出，该输出端口为本模块的射频信号输出端，另外，也通过射频信号耦合电路88的耦合特性，把射频输出信号提取出极小部分由射频信号耦合电路88的RF6out2输出端口送至信号取样控制电路99的RF7in输入端，本模块外部设备依据提取监测取样信号的控制指令，发送TTL电压驱动控制信号至信号控制取样电路99的Ain、Bin输入端口，信号控制取样电路99根据Ain、Bin输入端口接收到的监测状态控制指令，提取监测取样信号，并由信号控制取样电路99的RF7out输出端口输出至外部设备，该端口为本模块的监测信号输出端口。

外部设备提供Vin标准电压，为低噪声放大电路33、数控步进衰减电路55、数控步进移相电路66、驱动放大电路77等提供正电源，同时Vin也是电源转换电路11的输入电压，Vin经电源转换电路11后，转换成负电源-Vin，由电源转换电路11输出端口送至数控步进衰减电路55和数控步进移相电路66的负电源输入端口。

为了实现限幅放大及输出信号监测控制模块的装配和实际使用的目的，模块所有电路都装配在金属管壳内部，电路与电路之间采用微波PCB板布线和焊接工艺手段实现电学连接，电路与电路间涉及到微波信号传输通路，均采用50欧姆微带线实现。外部射频信号输入、输出等与内部射频信号之间传递通过安装在壳体中的3.5mm的50欧姆SMA连接器实现，标准电压、逻辑控制电平输入信号、模块地等通过安装在壳体中的玻璃绝缘子排针实现模块与外部设备的电子学连接，模块最后通过金属盖板进行封装。制成的限幅放大及输出信号监测控制混合集成模块具有对输入较大的射频信号线性限幅、低噪声放大、数控步进衰减、数控步进移相、驱动放大、输出射频信号耦合、信号控制取样等功能以及调整链路微波信号大小和相位的各种逻辑组合功能。同时，射频限幅电路可把输入较大的射频信号进行线性限幅到固定值输出，即保护了后级链路中的电路，同时也稳定了链路的增益；电源转换电路可把外部设备提供的标准电压转转成负电压，为模块中需要使用负电压的电路提供负电源；数控步进衰减电路、数控步进移相电路等控制端口对动态TTL尖脉冲逻辑电平较为敏感，逻辑电平稍高就会损伤器件的控制端口，模块中设计了器件控制端口电压钳位网络，可较好地保护这些电路的控制端口，加入电压钳位网络后，控制端的防浪涌电压冲击能力明显增强。模块中，使用低耦合度的信号耦合电路和监测信号取样电路，可以实时监测、取样链路中射频输出信号的大小和相位，同外部设备内的标准信号进行比较，根据比较结果，外部设备向模块中数控步进衰减电路、数控步进移相电路的控制端口分别发送控制指令，提高了链路射频输出信号的一致性和准确度，使链路输出的射频信号大小和相位满足某系统使用要求。

为了更加便于理解，本实施例结合具体电路对各部分做进一步阐述。

结合图2所示，电源转换电路11的第1脚与第2脚间串接电阻R_L，第1脚与第4脚间串接电解电容C3后，与地连接，第2脚是+5V电源Vin的输入端，并通过电容C1与地连接，第3脚与第5脚间串接电解电容C2，电源转换器产生的负电源-Vin由1脚输出。

结合图3所示，射频信号限幅电路22的第2脚为RF1_in射频信号输入脚，第10脚为限幅后的射频信号RF1_out输出脚，电路的其余引脚均与地相连接。

结合图4所示，RF2_in信号由低噪声放大电路33的第2脚输入，经低噪声放大电路放大的射频信号RF2_out由第11脚输出，第13脚、15脚分别同分立电感L2、L1的其中一端相连接，电感L2、L1的另一端则连接到一起，成为低噪声放大电路正电源V_in1的输入端口，V_in1电压输入端，也就是L2电感的另一端，分别同旁路电容C6、C7的一端相连，电容C6、C7的另一端分别与地相连；同时，V_in1电压输入端，也是L1电感的另一端，分别同旁路电容C4、C5的一端相连，电容C4、C5的另一端则分别与地相连。低噪声放大电路的第8脚分别同电阻R1、电容C8的一端相连，电阻R1、电容C8的另一端则分别同地相接。

结合图5所示，电压钳位网络电路由分别独立的支路组成，每个支路由两只二极管、一只瞬态电压抑制二极管和一只电阻组成。二极管D1的负极和二极管D2的正极相连接形成第一端口，二极管D2的负极和瞬态电压抑制二极管SESD1的负极相串连后，再把SESD1的正极同二极管D1的正极连在一起形成第二端口同大地相接。外部设备输入的控制信号I1in经由网络支路的第一端口，通过电阻R2限流，使设备输入控制逻辑信号由端口I1out送出，该器件控制端口电压钳位网络由相同器件，按照相同连接模式，形成9路相互独立的连接支路I1in～I9in，连接支路输入口为外部设备控制信号的输入口，信号经由器件控制端口电压钳位网络44后送出相互独立的I1out～I9out路控制信号分别进入数控步进衰减电路和数控步进移相电路的相对应控制端。

结合图6所示，数控步进衰减电路55，射频信号RF3_in同隔直电容C10相串联，进入数控步进衰减电路55的第1脚，射频信号RF3_out由数控步进衰减电路55的第8脚经隔直电容C9后输出，电路的第2、3、4、5、6、7、16脚分别与地相接，正电源Vin2与旁路电容C11的一端相连，经电阻R4送入电路的第10脚，旁路电容C11的另一端与地相接，负电源-Vin与旁路电容C12的一端相连，经电阻R5送入电路的第11脚，旁路电容C12的另一端与地相接。步进衰减电路55的第9、12、13、14、15脚为控制步进衰减控制电路控制信号V5、V4、V3、V2、V1输入端口，分别与器件控制端口电压钳位网络44的I1out～I5out相连，其步进衰减量由下列真值表给出：

表1 数控步进衰减电路衰减值与逻辑电平真值表

结合图7所示，射频信号RF4_in由数控步进移相电路66的第5脚进入，射频信号RF4_out由数控步进移相电路电路66的第14脚经隔直电容C13后输出。正电源Vin3与旁路电容C15的一端相连，经电阻R8进入电路的第18脚，旁路电容C15的另一端与地相接，负电源-Vin与旁路电容C14的一端相连，经电阻R7进入电路的第1脚，旁路电容C14的另一端与地相接。数控步进移相电路66的第2脚通过串联电阻R6接地，电路的第3、4、6、7、8、9、10、11、12、13、15、16脚分别直接同地相连。电路的第17、23、24脚与外界无任何连接，处于悬空状态。步进移相电路66第19、20、21、22引脚为数控步进移相电路控制信号D6、D5、D4、D3输入端口，分别与器件控制端口电压钳位网络44的I6_out～I9_out相连，其步进移相量由下列真值表给出：

表2 数控步进移相电路移相与逻辑电平真值表

结合图8所示，射频信号RF5_in由驱动放大电路77的第3脚输入，射频信号经驱动放大器77放大，从1脚通过串联电容C16输出射频信号RF5_out，驱动放大电路1脚同电感L3的一端相连，另一端与电阻R9相串联后，再把电阻R9的另一端同正电源Vin4相接，同时该端口与地之间接有旁路电容C17，第2、4、5、6引脚分别与地直接连接。

结合图9所示，射频信号RF6_in由信号耦合电路88的第1脚输入，射频主输出信号RF6_out1由信号耦合电路88的第4脚输出，耦合输出信号RF6_out2由信号耦合电路的第8脚输出，信号耦合电路88的第5脚通过电阻R10与地相连接，第2、3、6、7引脚分别与地直接连接。

结合图10所示，射频信号RF7_in由隔直电容C19进入信号控制取样电路99的第5脚，RF7_out2由信号控制取样电路的3脚经电容C18输出，信号控制取样电路99的第1脚通过电阻R11与地连接，第2脚直接与地连接，第4、6脚分别为外部设备输入逻辑控制信号的B、A输入端口，当控制信号A为高电平，B为低电平时，信号控制取样电路99不输出射频监测取样信号；当控制信号A为低电平，B为高电平时，信号控制取样电路99输出射频监测取样信号至外部设备。

在参数配置上，本发明的限幅电路插入损耗低，对输入功率（5～30）dBm范围的射频信号进行线性限幅，射频输入信号经线性限幅后，输出0dBm大小的射频信号；低噪声放大电路增益为16dB,噪声系数典型值1dB，这样可保证射频链路信号噪声低；步进数控衰减电路为5位，步进衰减量为0.5dB，对射频链路信号大小的调整范围为（0.5～15.5)dB；步进数控移相电路为4位，步进移相值22.5°，射频链路相位调整范围在0°～337.5°之间；链路中的驱动放大电路的增益为15dB,P1dB压缩点大于16 dBm,为链路射频输出信号提供较好的线性度。链路中的信号耦合电路的耦合系数低，耦合系数为17dB，保证链路提取监测取样信号时，射频输出信号保持较好的稳定性；链路中配置信号控制取样电路，可以实时监测射频链路输出信号的大小和相位，及时通过输入TTL控制指令，对射频链路信号的大小和相位进行实时调整；数控步进衰减电路、移相电路的控制端口配置钳位电压控制网络，使经过该网络的动态高电平钳位在（-0.8～5.5）V范围，较好地对电路的控制端口进行了保护；限幅放大及输出信号监测控制模块采用混合集成方式进行，集成度较高，体积较小，使用方便，可靠性高，通用性好。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (2)

1.一种限幅放大及输出信号监测控制模块，其特征在于，包括电源转换电路、射频信号限幅电路、低噪声放大电路、电压钳位网络电路、数控步进衰减电路、数控步进移相电路、驱动放大电路、射频信号耦合电路与信号控制取样电路；

射频信号限幅电路的输入端作为所述监测控制模块的输入端，射频信号限幅电路、低噪声放大电路、数控步进衰减电路、数控步进移相电路、驱动放大电路、射频信号耦合电路与信号控制取样电路依次电连接；

电压钳位网络电路的输入控制端接收外部逻辑控制信号，电压钳位网络电路的输出端连接至数控步进衰减电路以及数控步进移相电路的控制端口，将外部逻辑控制信号传递给数控步进衰减电路以及数控步进移相电路；

射频信号耦合电路的第一输出端作为所述限幅放大及输出信号监测控制模块的输出端；

信号控制取样电路从射频信号耦合电路的第二输出端采集射频信号，信号控制取样电路的输出端口作为监测信号输出端口将射频信号输出；信号控制取样电路还设有使能端口；

所述低噪声放大电路与驱动放大电路的电源端口用于连接外部正电源；

电源转换电路用于将外部正电源转换为负电源；

数控步进衰减电路与数控步进移相电路的正负电源端口分别连接外部正电源与电源转换电路转换的负电源；

外部射频信号经射频信号限幅电路调整后，输出的射频信号送入低噪声放大电路中进行信号放大，放大后的信号再依次经过数控步进衰减电路、数控步进移相电路、驱动放大电路与射频信号耦合电路后输出；

电压钳位网络电路由分别独立的支路组成，每个支路由两只二极管、一只瞬态电压抑制二极管和一只电阻组成；二极管D1的负极和二极管D2的正极相连接形成第一端口，二极管D2的负极和瞬态电压抑制二极管SESD1的负极相串连后，再把二极管SESD1的正极同二极管D1的正极连在一起形成第二端口同大地相接；外部设备输入的控制信号I1in经由网络支路的第一端口，通过电阻R2限流，使设备输入控制逻辑信号由端口I1out送出，形成第一条支路；其它支路的电路结构与第一条支路相同，共形成9路相互独立的连接支路I1in～I9in，连接支路输入口为外部设备控制信号的输入口，信号经由电压钳位网络后送出相互独立的I1out～I9out路控制信号分别进入数控步进衰减电路和数控步进移相电路的相对应控制端。

2.根据权利要求1所述的一种限幅放大及输出信号监测控制模块，其特征在于，所述数控步进衰减电路、数控步进移相电路与信号控制取样电路的逻辑控制信号为TTL电平信号。

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