CN110265752A - 一种x波段介质波导电调微波均衡器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种X波段介质波导电调微波均衡器，包括由主波导和至少一个谐波吸收腔体；所述的主波导为两面包有电路板上的一条介质波导传输线，所述的电路板两面包有介质波导铜皮，所述的介质波导传输线由两侧的介质波导铜皮上的密布的屏蔽通孔包围，所述的谐波吸收腔体为分布在所述的电路板上，介质波导传输线两侧的介质波导铜皮上的陷波谐振器，所述的陷波谐振器在介质波导铜皮上，由介质波导铜皮上密布的屏蔽通孔包围，与介质波导传输线通过耦合窗耦合。本发明采用介质波导传输线替代传统波导实现增益均衡器使微波均衡器何种更小，方便与其他微波电路进行系统集成。
Description
技术领域
本发明涉及均衡器领域，特别是一种X波段介质波导电调微波均衡器。
背景技术
微波功率放大组件是雷达和通信系统的核心器件，一般分类为行波管放大器和固态功率放大器。功率放大器在输入功率较小时，可认为放大器工作在线性区，而当输入功率增大到超过输入1dB压缩点时，功率放大器就进入饱和区或甚至过饱和区。在过饱和区，不仅输出功率不增反降，而且出现大信号压缩小信号的现象，同时放大器处于严重非线性状态，还会产生大量互调分量。为避免功率放大器进入饱和区或过饱和区，要严格控制其输入功率，保证功率放大器在各个频点工作于近饱和区。业界一般采用限幅器或增益均衡器实现功率放大器输入端的功率控制。限幅器一般具有较为恒定的频响曲线，而均衡器可以实现复杂多样的频响曲线，调节频响特性使其恰好满足功率放大器的输入幅度要求，这样就可以在宽带内实现功率放大器功率控制。增益均衡器可以视作具有特定波形的微波滤波器，其在微波功率模块压缩点较小的频点损耗较大，而在功率模块压缩点较高的频点损耗较小，以这种反向补偿方式使得频带内功率放大模块工作点避免进入饱和或过饱和状态。
随着微波功率电子技术的发展，均衡器研究趋向于小型化、高集成度、大均衡量、较小的温飘等特点。另外由于某些发射机末级功放采用个体一致性差别较大的行波管或速调管等真空放大器，不同的放大器个体均衡曲线不同，这要求幅度均衡器具有现场可调节能力，不仅要求陷波频点位置可调，还要求有较大的可调节范围(陷波深度)，能够适应不同动态范围、不同陷波频点的均衡曲线。均衡器除了陷波频点和陷波深度等要求以外还有工作带宽、回波系数与均衡精度等技术指标。均衡精度反映了均衡器实际衰减特性与预期的均衡指标的偏差，均衡精度越高，说明其均衡曲线越接近实际需要的曲线。
陷波结构是均衡器的关键组成部分，它是由低品质因数的谐振结构实现的，而谐振结构旁路加载于主传输线。高品质因数的谐振器加载会使主线传输形成传输零点，其陷波频点即为谐振器的谐振频率，易知调节谐振器的谐振频率即可以实现传输零点的调节；而低品质因数的谐振结构则会对主线传输实现一定深度的陷波，品质因数越低代表谐振器的损耗越大，实现的陷波越浅，陷波带宽越大，调节品质因数的高低即可以实现陷波深度和陷波宽度的变化。国内多家科研单位和众多学者对微波增益均衡器进行了研究。文献文献【1】(姜海玲，魏建功.超宽带1-8GHz可调均衡器的设计与实现.专题技术与工程应用，2013,43(6):58-60)采用集总元件与微带电路相结合的方式实现了一种超宽带均衡器，文献中分析了集总元件理论值与关键微带电路元件的配合，并考虑电路板图对电路性能的影响，经过仿真和优化得到混合均衡器的电路模型。实物测试结果表明幅度均衡器的均衡特性与理论设计基本一致，该均衡器设计具有模型简单、体积小、电路匹配良好以及超宽带性能等优点。文献【2】(薛凯.微波毫米波增益均衡器技术研究.电子科技大学硕士论文，2008)基于谐振式滤波器综合理论，设计了一系列紧凑结构的平面均衡器，具有均衡精度高、均衡量大、驻波小等优点，在小型化、高性能的电路中具有良好的应用前景。文献中介绍了微波宽带增益均衡器设计的一般方法，以电阻加载的微带谐振器枝节作为基本的陷波单元，通过优化多个陷波单元的参数匹配，实现满足要求的宽带微波增益均衡器。文献中实现了一款均衡量大于10dB覆盖8～16GHz宽带均衡器，还实现了一款覆盖6～18GHz、均衡范围超过20dB的大动态宽频带均衡器，为均衡器的毫米波设计提供了设计参考。文献【3】(王鹏飞，陶业荣，宋庆辉.基于LTCC技术的均衡器设计.专题技术与工程应用，2013，43(7)：61-64)介绍了一种以LTCC介质基板实现的三维电感和电容元件来构建的增益均衡器设计实例，实测一款工作于950～2150MHz的均衡器表面，均衡量大于5dB，回波损耗小于-20dB，在小型化和幅相一致性方面具有优势，适用于高集成度相控阵收发系统应用。文献【4】(马宁.微波功率均衡技术研究.电子科技大学硕士论文，2014)对基于LTCC工艺的基片集成波导谐振腔进行深化研究，提出了增感型基片集成波导陷波单元、增容型基片集成波导陷波单元与双折叠型基片集成波导陷波单元的微波功率均衡结构。设计完成了覆盖11.5～15GHz的增感型基片集成波导LTCC功率均衡器、6～18GHz基片集成波导与阶跃阻抗复合型LTCC功率均衡器、6～18GHz阶跃阻抗陶瓷功率均衡器。测试结果表明仿真模型高度准确性，并且同时具有传统平面微带结构的小体积、易集成以及立体波导、同轴结构的高品质因数等双重优势，具有较高的工程实用价值。
传统均衡器的陷波枝节多为固定设计，枝节长度决定了陷波的频率，加载的电阻决定了陷波深度，因此枝节长度和电阻一旦固定，均衡器的陷波位置和深度将固定不变，若要拟合出其他的均衡曲线，需重新设计版图，调制吸波电阻的阻值。
使用平面电路和集总电阻实现的均衡器，可通过更换吸波电阻、切割或延长耦合枝节长度等措施对均衡曲线进行微调，但调节能力有限，而且调节工作量大，调试容易出现反复，对电路损害也较大。
波导和同轴结构均衡器体积大，结构复杂，机械稳定性和热稳定性差，不方便与平面系统集成。
少数定制化的现场可调节均衡器，需根据特定曲线进行人工调节，然后嵌入进全系统进行整机联试，其调节工作量巨大，成本很高，调节效率低，在大批量生产时耗时耗工严重。
传统的均衡器温度稳定性不佳，需使用对温度不敏感的材料，同时要牺牲模块其他方面的性能，增加了研发和生产的成本，降低了产品的可靠性。
目前微波均衡器具有以下不足：
传统均衡器的陷波枝节多为固定设计，枝节的频率和衰减不可调节，只对固定的均衡曲线有效，无法针对个体差异实现多样化的均衡曲线。
使用平面电路和集总电阻实现的均衡器，可通过更换吸波电阻等措施对均衡曲线进行微调，但调节能力有限。
少数定制化的现场可调节均衡器，需根据特定曲线人工调节，调节工作量巨大，成本很高，调节效率低。
传统的均衡器温度稳定性不佳，需使用对温度不敏感的材料，增加了研发和生产的成本。
增益均衡器是解决功率放大器幅度不平坦的有效方案之一。均衡网络在各频点产生相应的衰减，反向补偿链路中其他模块的增益幅频响应，最终实现全链路的增益平坦。均衡器在发射链路中一般位于中功率位置，功率容量为几瓦至数十瓦，其输出可直接驱动末级功率放大器如图1所示，功率均衡器002设置在两个驱动放大器001、003之间，在功率均衡器002均衡以后，再由功率放大器003放大，由末级功率放大器的行波放大器004放大输出。
增益均衡器按结构类型来分有波导式、同轴式和微带传输线式等，波导与同轴微波增益均衡器结构相似，均是由主传输线和连接在主线上的若干个陷波谐振结构组成，陷波谐振结构可以是同轴腔也可以是波导腔。当主传输线上传输的能量经过某个谐振腔时，一部分功率通过耦合窗进入谐振腔内，进而消耗在腔体内的吸波材料(或电阻)中。通过机械或电调机构改变谐振腔的谐振频率、耦合度以及能量吸收就可以调整谐振腔的陷波曲线。实际应用陷波单元通常设计为一个通用可调器件，可根据具体的均衡曲线进行差异化调节。
陷波单元是增益均衡器的主要组成部分，单级陷波单元的电路和频率响应如图2和图3所示，陷波单元由吸收电阻和电感电容串联谐振支路组成，其频响曲线为倒盅型。由多个陷波单元电路按照带阻滤波器的结构组合即可实现成多凹点均衡曲线，陷波单元越多，就越能够实现均衡曲线的精细调节，实现较高的均衡调节精度。
均衡器需要满足的目标频响曲线与实际调谐的频响曲线的差值称为调谐精度，这是均衡器设计需要考虑的主要指标，同时还需考虑端口驻波、通道插损、功能容量、温飘等指标。现代高性能微波功率均衡器不仅要满足均衡精度、可靠性等方面设计要求，还要满足小型化、高集成度、易调谐性等特征。陷波的频率点由谐振支路谐振频率决定，而陷波深度则由电阻决定。当电阻值很小时，谐振支路的品质因数很高，形成的陷波曲线窄而深，适合实现大均衡量目标曲线的实现；当电阻值变大时，谐振支路的品质因数变小，形成的陷波曲线宽而浅，适合实现小均衡量但宽带的目标曲线；电阻值较大时，会恶化主路的反射，进而影响主路信号的传输，因此吸波电阻一般不超过100欧姆。
为实现复杂的均衡目标曲线，需采用多阶陷波单元级联实现多点陷波曲线，采用带阻滤波器的拓扑结构实现微波均衡器，即在同轴或波导每隔四分之一波长加载一个微波谐振器，均衡器的频率响应取决于各个陷波单元的谐振频率以及品质因数，调节陷波单元的谐振频率即可实现均衡器的频率调节，改变各个单元的品质因数可实现陷波深度即均衡曲线的幅度调节。均衡器等效电路如图4所示，主传输线每一段均为四分之一波长(90°)，9个可调半波长(180°)陷波单元与主传输线进行耦合，各个陷波枝节内加有电阻(G)等微波吸收材料用于消耗泄露进来的微波功率，每个陷波单元的电长度(对应谐振频率)以及与主传输线的耦合强度均可调节，能够实现不同频率和不同深度的陷波点，多级枝节配合即可以利用多个陷波点实现特定的均衡曲线。
在X波段，采用矩形波导或同轴波导实现的均衡器仍具有较大的尺寸和重量，不方便与其他微波电路进行系统集成。矩形波导结构如图5所示：波导上下表面金属层1；波导端口2和波导侧壁金属层3组成一个立体结构。
发明内容
本发明针对目前微波均衡器采用矩形波导或同轴波导实现的均衡器仍具有较大的尺寸和重量，不方便与其他微波电路进行系统集成的不足，提供一种X波段介质波导电调微波均衡器，是一款10阶UHF波段宽带均衡器。
本发明为实现其技术目的所采用的技术方案是：一种X波段介质波导电调微波均衡器，包括由主波导和至少一个谐波吸收腔体；所述的主波导为两面包有电路板上的一条介质波导传输线，所述的电路板两面包有介质波导铜皮，所述的介质波导传输线由两侧的介质波导铜皮上的密布的屏蔽通孔包围，所述的谐波吸收腔体为分布在所述的电路板上，介质波导传输线两侧的介质波导铜皮上的陷波谐振器，所述的陷波谐振器在介质波导铜皮上，由介质波导铜皮上密布的屏蔽通孔包围，与介质波导传输线通过耦合窗耦合。
本发明采用介质波导传输线替代传统波导实现增益均衡器使微波均衡器何种更小，方便与其他微波电路进行系统集成。
本发明采用介质波导传输线替代传统波导实现增益均衡器，介质波导结构如图6所示，与图5的矩形波导介质基板上下表面1均覆盖有金属铜皮，波导侧壁金属层3采用密集排列的金属通孔，这样电磁波将束缚在介质内腔，其传输模式与空气填充的矩形波导一致，可以在相应的波段实现微波功率的传输。介质波导的优点是剖面低，端口容易转换为微带输出，方便与其他平面微波电路集成。
进一步的，上述的X波段介质波导电调微波均衡器中：在所述的介质波导传输线两侧的介质波导铜皮上分布有九个陷波谐振器。
进一步的，上述的X波段介质波导电调微波均衡器中：所述的陷波谐振器的内腔内，介质波导铜皮上设置有内嵌PIN二极管的开窗。
进一步的，上述的X波段介质波导电调微波均衡器中：所述的陷波谐振器的内腔内设置有九个内嵌PIN二极管的开窗。
进一步的，上述的X波段介质波导电调微波均衡器中：所述的开窗为两面包有介质波导铜皮电路板的正面向下除去正面介质波导铜皮和中间的电路板介质后形成的窗口，所述的内嵌PIN二极管设置在开窗中下面介质波导铜皮上。
进一步的，上述的X波段介质波导电调微波均衡器中：所述的内嵌PIN二极管的驱动电路包括扇形枝节、直流滤波电容；所述的扇形枝节通过馈电通孔焊盘实现交流接地，与直流滤波电容的一端通过100欧姆碳膜电阻线电连接，直流滤波电容的这一端通过驱动电压走线接偏置电压输入焊盘，偏置电压输入焊盘与相应的二极管焊盘焊接，直流滤波电容的另一端通过地过孔接地。
本发明可以达到以下目的：
本发明采用9阶陷波枝节，每一级陷波枝节均采用可调设计，每节枝节的频率和衰减均可调节，可对任何均衡曲线实现低误差拟合。
本发明采用介质波导型结构实现四分之一波长传输线和半波长谐振器，结构具有低剖面特点，具有体积重量小等优点。
本发明为平面结构，输入和输出端口微带引出，易于与平面系统集成。
本发明的半波长谐振器频率变化通过驱动导通不同位置的PIN二极管实现，PIN二极管反向偏压时，不同的反向电压会产生不同的节电容，实现该谐振器衰减的调节。
本发明采用高运算能力的FPGA作为控制器，外部只需要串口输入均衡曲线各个数据点，控制器即可计算出各个PIN的加载强度以及各个电容阵列的加载码，然后通过驱动外围数模转换和通用输入输出口实现可调均衡器的自主调节，此过程不需人工干预，调节效率高，研发和生产的成本低。
本发明内置有温度传感器，传感器反馈当前温度给控制器，用于修正和补偿均衡器的温度漂移，具有简单可靠等优点。
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的说明。
附图说明
附图1为功率均衡器直接驱动末级功率放大器原理框图。
附图2为单级陷波单元的电路图。
附图3为单级陷波单元的频率响应图。
附图4为9阶增益均衡器的电路拓扑模型。
附图5为矩形波导结构图。
附图6为介质波导结构图。
附图7是本发明实施例1的九阶X波段介质波导电调微波均衡器结构图。
附图8是本发明实施例1的九阶X波段介质波导电调微波均衡器中陷波谐振器内部细节结构图。
附图9是本发明实施例1的九阶X波段介质波导电调微波均衡器中陷波谐振器内PIN二极管安装剖面示意图。
附图10是本发明实施例1的九阶X波段介质波导电调微波均衡器中PIN二极管驱动模块示意图。
附图11是本发明实施例1的九阶X波段介质波导电调微波均衡器中驱动单元电路示意图。
附图12是本发明实施例1的九阶X波段介质波导电调微波均衡器中驱动电路详细设计图。
附图13是PIN二极管驱动电压偏置电路。
附图14是本发明实施例1的九阶X波段介质波导电调微波均衡器控制电路框图。
具体实施方式
实施例1，本实施例是一种九阶X波段介质波导电调微波均衡器，结构如图7所示，9个陷波谐振器11、12、13、…19间隔四分之一波导波长均匀排列，通过耦合窗110与主传输波导也就是介质波导传输线102进行耦合，本实施例耦合窗110由于结构限制，采用的是固定宽度耦合窗，耦合强度不可调节。介质波导主传输线102两端通过金属层渐变实现与微带传输线101的过渡，方便进一步转换为同轴接头输出或者直接与其他平面微波电路进行集成。
本实施例中，主波导为两面包有电路板10上的一条介质波导传输线102，电路板10两面包有介质波导铜皮104，介质波导传输线102由两侧的介质波导铜皮104上的密布的屏蔽通孔103包围，谐波吸收腔体为分布在电路板10上，介质波导传输线102两侧的介质波导铜皮104上的陷波谐振器11，陷波谐振器11在介质波导铜皮104上，由介质波导铜皮104上密布的屏蔽通孔103包围，与介质波导传输线102通过耦合窗110耦合。
增益均衡器的每个陷波单元均采用介质波导腔谐振器(实现，其谐振频率接近于均衡器覆盖频段的低端，谐振器内部嵌入9个PIN二极管1111…1119，分布于谐振器的后半部分，通过外部电压驱动二极管实现该陷波谐振器有耗加载或短路加载，进而实现该陷波单元谐振频率和陷波幅度的调节。陷波谐振器内部细节结构如图8所示，9个PIN二极管1111分布于陷波谐振腔111的后半端，各个PIN二极管都是并行工作的，互相之间不连接，单一时间可有若干数量二极管在工作。当PIN二极管1113、1115、1117正向驱动时，二极管短路，因此谐振器的有效长度缩短，谐振频率增高；当PIN二极管1114和1116号二极管短路时，谐振频率进一步升高；以此类推，逐个驱动PIN二极管1112、1118、1111、1119，谐振频率也将逐步升高，以此实现陷波频点的调节。PIN二极管正向导通可以实现陷波频点不连续的调节。PIN二极管反向驱动时根据驱动电压的不同会有一定测残余结电容存在，这种残余结电容会导致电磁波功率在该二极管位置有限导通，实现该谐振器电抗的精细调节，可实现陷波谐振器谐振频率连续调节。
开窗112为两面包有介质波导铜皮104电路板10的正面向下除去正面介质波导铜皮104和中间的电路板介质105后形成的窗口，PIN二极管设置在开窗112中下面介质波导铜皮104上。PIN二极管的正极焊接于介质波导的底面铜皮，负极位于介质波导的顶面铜皮开窗处，未与顶面铜皮短路PIN二极管剖面安装视图如图9所示。介质波导底部进一步会表面焊接驱动电路模块，该驱动电路模块有9个对应焊盘与9个嵌入二极管的负电极焊接实现电连接。
PIN二极管驱动模块如图10所示，共有9个相同的驱动电路模块21～29，为9个陷波单元中共81个PIN二极管1111实现正向或者负向的电压驱动。每个电路驱动模块单元均相同，通过表面焊接与介质波导均衡器进行电气连接。
驱动单元底部如图11所示，在驱动电路底面铜皮210上包含9个通孔焊盘2111～2119，与图8中9个二PIN极管焊盘一一对应焊接。驱动单元焊接于介质波导的正表面，驱动单元的各个黑点和介质波导各个黑点焊接上，每个二极管都有个独立的电压控制电路。驱动电路详细设计如图12所示，每个PIN二极管的驱动电路包含扇形枝节2110、100欧姆碳膜电阻线2112、直流滤波电容2113等器件。扇形枝节2110用于实现交流接地。碳膜电阻线2112一方面实现二极管驱动电流的限流，还起着微波吸波作用，吸收泄漏出来的微波功率。直流滤波电容用于偏置电压的滤波并进一步隔离泄漏微波能量。具体的PIN二极管1111的驱动电路包括扇形枝节2110、直流滤波电容2113；扇形枝节2110通过馈电通孔焊盘2113实现交流接地，与直流滤波电容2113的一端通过100欧姆碳膜电阻线2112电连接，直流滤波电容2113的这一端通过驱动电压走线2115接偏置电压输入焊盘211，偏置电压输入焊盘211与相应的二极管焊盘焊接，直流滤波电容2113的另一端通过地过孔2114接地。
各陷波的谐振频率和衰减量由PIN二极管的偏置状态决定，当PIN二极管正向导通时，二极管与扇形枝节联通实现射频短路，改变谐振腔的电长度，实现陷波频率的调节；当PIN反偏时，由于二极管结电容的存在，与扇形枝节实现弱导通，反偏电压越高，导通程度越小。PIN二极管的偏置电路如图13所示，VCTL211为0～24V的模拟调节电压，运算放大器实现VCTL211与3.3V的减法运算，运放的输出电压范围为-3.3V～20.7V，当PIN二极管阴极偏置电压为负值时，PIN二极管正向导通，当D1阴极偏置电压为正值时，PIN二极管反向截止，通过残余节电容实现可调节弱加载。
电可调增益均衡器的控制接口总计有81路数模(DA)输出口，中央控制器器由单片机实现。如图14所示，控制电路除DA控制接口以外还包含SPI从机接口，用于接收外部指令。控制流程如下：将均衡目标曲线离散化为表格数据(频率-幅度要求)，主机通过SPI串口指令将均衡器的频率-幅度要求传输给从机中央控制器，由内部算法综合出DA输出电压，进而控制均衡器实现特定的目标曲线，均衡器调试过程不需要人工干预，调试效率、可靠性和重复性大大提高。本发明内置有温度传感器，传感器反馈当前温度给控制器，用于修正和补偿均衡器的温度漂移，具有简单可靠等优点。
Claims (6)
1.一种X波段介质波导电调微波均衡器，包括由主波导和至少一个谐波吸收腔体；其特征在于：所述的主波导为两面包有电路板(10)上的一条介质波导传输线(102)，所述的电路板(10)两面包有介质波导铜皮(104)，所述的介质波导传输线(102)由两侧的介质波导铜皮(104)上的密布的屏蔽通孔(103)包围，所述的谐波吸收腔体为分布在所述的电路板(10)上，介质波导传输线(102)两侧的介质波导铜皮(104)上的陷波谐振器(11)，所述的陷波谐振器(11)在介质波导铜皮(104)上，由介质波导铜皮(104)上密布的屏蔽通孔(103)包围，与介质波导传输线(102)通过耦合窗(110)耦合。
2.根据权利要求1所述的X波段介质波导电调微波均衡器，其特征在于：在所述的介质波导传输线(102)两侧的介质波导铜皮(104)上分布有九个陷波谐振器(11)。
3.根据权利要求2所述的X波段介质波导电调微波均衡器，其特征在于：所述的陷波谐振器(11)的内腔(111)内，介质波导铜皮(104)上设置有PIN二极管(1111)的开窗(112)。
4.根据权利要求3所述的X波段介质波导电调微波均衡器，其特征在于：所述的陷波谐振器(11)的内腔(111)内设置有九个PIN二极管(1111)的开窗(112)。
5.根据权利要求4所述的X波段介质波导电调微波均衡器，其特征在于：所述的开窗(112)为两面包有介质波导铜皮(104)电路板(10)的正面向下除去正面介质波导铜皮(104)和中间的电路板介质(105)后形成的窗口，所述的PIN二极管(1111)设置在开窗(112)中下面介质波导铜皮(104)上。
6.根据权利要求5所述的X波段介质波导电调微波均衡器，其特征在于：所述的PIN二极管(1111)的驱动电路包括扇形枝节(2110)、直流滤波电容(2113)；所述的扇形枝节(2110)通过馈电通孔焊盘(2113)实现交流接地，与直流滤波电容(2113)的一端通过100欧姆碳膜电阻线(2112)电连接，直流滤波电容(2113)的这一端通过驱动电压走线(2115)接偏置电压输入焊盘(211)，偏置电压输入焊盘(211)与相应的二极管焊盘焊接，直流滤波电容(2113)的另一端通过地过孔(2114)接地。
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