CN113300682A - 一种可重构的限幅衰减一体化电路及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可重构的限幅衰减一体化电路及其工作方法，所述可重构的限幅衰减一体化电路包括基片材料，以及集成在基片材料表面的PIN二极管一、PIN二极管二、PIN二极管三、场效应管FET1、隔直电容一、隔直电容二、隔直电容三、隔直电容四、吸收电阻R1、吸收电阻R2、串联电阻R3、限流电阻R4、扼流电感L1、扼流电感L2、扼流电感L3、扼流电感L4、输入传输线、输出传输线、匹配传输线、接地金属孔一、接地金属孔二、接地金属孔三、接地金属孔四和接地金属孔五。本发明的可重构的限幅衰减一体化电路采用PIN二极管、偏置电路、匹配电路等一体化融合设计方式，能够实现限幅器和π型衰减器两种工作状态的重构，具备低差损、小型化及低成本等技术效果。

Description

一种可重构的限幅衰减一体化电路及其工作方法

技术领域

本发明涉及微波技术领域，具体而言，涉及一种可重构的限幅衰减一体化电路及其工作方法。

背景技术

针对系统应用，要求每个接收通道都具备接收通道限幅保护、低噪声接收及动态扩展等功能，需要在每个接收通道的输入端设置限幅器和动态衰减器，传统的实现方式采用分离的限幅器和数控衰减器实现，如图1所示，其具体工作原理如下：

1、限幅器连接在天线和数控衰减器之间，实现对接收通道的保护；

2、在低噪声模式接收时，数控衰减器工作于非衰减状态，实现微小信号的低噪声接收；

3、在大信号接收模式下，数控衰减器工作于衰减状态，实现对接收大信号的衰减，完成接收系统的动态扩展功能。

图1中的限幅器和数控衰减器采用相互独立电路功能单元实现，存在体积大、价格高、插损大的缺点，不利于系统的小型化、低成本和低噪声接收等，不能够满足新一代宽带阵列化接收系统的技术要求。

发明内容

本发明旨在提供一种可重构的限幅衰减一体化电路及其工作方法，以解决限幅器和数控衰减器采用相互独立电路功能单元实现时存在的问题。

本发明提供的一种可重构的限幅衰减一体化电路，包括基片材料，以及集成在基片材料表面的PIN二极管一、PIN二极管二、PIN二极管三、场效应管FET1、隔直电容一、隔直电容二、隔直电容三、隔直电容四、吸收电阻R1、吸收电阻R2、串联电阻R3、限流电阻R4、扼流电感L1、扼流电感L2、扼流电感L3、扼流电感L4、输入传输线、输出传输线、匹配传输线、接地金属孔一、接地金属孔二、接地金属孔三、接地金属孔四和接地金属孔五；

输入传输线的输出端依次经隔直电容一、匹配传输线、串联电阻R3、隔直电容二连接至输出传输线的输入端；

隔直电容一与匹配传输线之间的电性连接点经PIN二极管一与接地金属孔一连接；

匹配传输线与串联电阻R3之间的电性连接点，一方面经扼流电感L1连接至接地金属孔五，另一方面依次经PIN二极管二、吸收电阻R1、隔直电容四连接至接地金属孔二；PIN二极管二与吸收电阻R1之间的电性连接点经扼流电感L4连接至限流电阻R1的一端；

串联电阻R3与隔直电容二之间的电性连接点，一方面经扼流电感L2连接至接地金属孔四，另一方面依次经PIN二极管三、吸收电阻R2、隔直电容三连接至接地金属孔三；PIN二极管三与吸收电阻R2之间的电性连接点经扼流电感L3连接至限流电阻R1的一端；

限流电阻R4的另一端连接至控制电平二；场效应管FET1的源极和漏极分别并联在串联电阻R3的两端，场效应管FET1的栅极连接至控制电平一。

作为优选，所述基片材料的上表面为表面电路层，下表面为接地金属层；所述PIN二极管一、PIN二极管二、PIN二极管三、场效应管FET1、隔直电容一、隔直电容二、隔直电容三、隔直电容四、吸收电阻R1、吸收电阻R2、串联电阻R3、扼流电感L1、扼流电感L2、扼流电感L3、扼流电感L4、输入传输线、输出传输线和匹配传输线均集成在表面电路层上；所述接地金属孔一、接地金属孔二、接地金属孔三、接地金属孔四和接地金属孔五为集成在基片材料中的金属化通孔，用于将集成在表面电路层上的相应器件与接地金属层连接。

作为优选，所述基片材料选用半导体基片材料。

作为优选，所述输入传输线、输出传输线及匹配传输线特性阻抗按50欧母特性阻抗设计；所述匹配传输线长度为可重构的限幅衰减一体化电路工作频段中心频率波长的四分之一。

作为优选，所述隔直电容一、隔直电容二、隔直电容三和隔直电容四均为平板电容；

可重构的限幅衰减一体化电路的工作频段在2GHz以下时，所述隔直电容一、隔直电容二、隔直电容三和隔直电容四的容值可以选择在100PF量级；

可重构的限幅衰减一体化电路的工作频段在2GHz以上时，所述隔直电容一、隔直电容二、隔直电容三和隔直电容四的容值可以选择在10PF量级。

作为优选，所述吸收电阻R1、吸收电阻R2和串联电阻R3均为薄膜电阻，并且所述吸收电阻R1、吸收电阻R2和串联电阻R3阻值根据可重构的限幅衰减一体化电路工作在衰减状态时等效的π型衰减器的衰减分贝数决定；所述吸收电阻R1、吸收电阻R2和串联电阻R3的承受功率均至少在0.5W量级。

作为优选，所述限流电阻R4为薄膜电阻，其通过电流能力大于50mA，其阻值R由PIN二极管二和PIN二极管三的正向导通电压和正向导通电流决定，所述限流电阻R4的阻值R的计算公式为：

R＝(Vc-Vj)/(I2+I3)；

其中，Vc为控制电平二的高电平状态时控制电压，Vj为PIN二极管二和PIN二极管三的正向导通电压，I2和I3分别为PIN二极管二和PIN二极管三的正向导通电流。

作为优选，所述扼流电感L1、扼流电感L2、扼流电感L3、扼流电感L4均为平面电感，并且所述扼流电感L1、扼流电感L2、扼流电感L3、扼流电感L4的电流能力均大于50mA。

作为优选，所述场效应管FET1为用于开关控制类型的FET场效应管。

本实施例还提供一种如上述的可重构的限幅衰减一体化电路的工作方法，包括：

1)当工作在限幅状态时，控制电平一使场效应管FET1导通，控制电平二使PIN二极管二和PIN二极管三工作在零偏置状态，此时可重构的限幅衰减一体化电路等效为吸收式限幅器，从而实现限幅保护功能；

2)当工作在衰减状态时，控制电平一使场效应管FET1截止状态，控制电平二使PIN二极管二和PIN二极管三工作导通状态，此时可重构的限幅衰减一体化电路等效为π型衰减器，从而实现动态衰减功能；

3)PIN二极管一始终处于零偏置状态。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明的可重构的限幅衰减一体化电路采用PIN二极管、偏置电路、匹配电路等一体化融合设计方式，能够实现限幅器和π型衰减器两种工作状态的重构，具备低差损、小型化及低成本等技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为传统的采用分离的限幅器和数控衰减器实现的原理图。

图2为本发明实施例的可重构的限幅衰减一体化电路的原理图。

图3为图2的截面图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图2所示，本实施例提出一种可重构的限幅衰减一体化电路，包括基片材料，以及集成在基片材料表面的PIN二极管一、PIN二极管二、PIN二极管三、场效应管FET1、隔直电容一、隔直电容二、隔直电容三、隔直电容四、吸收电阻R1、吸收电阻R2、串联电阻R3、限流电阻R4、扼流电感L1、扼流电感L2、扼流电感L3、扼流电感L4、输入传输线、输出传输线、匹配传输线、接地金属孔一、接地金属孔二、接地金属孔三、接地金属孔四和接地金属孔五；

输入传输线的输出端依次经隔直电容一、匹配传输线、串联电阻R3、隔直电容二连接至输出传输线的输入端；

隔直电容一与匹配传输线之间的电性连接点经PIN二极管一与接地金属孔一连接；

匹配传输线与串联电阻R3之间的电性连接点，一方面经扼流电感L1连接至接地金属孔五，另一方面依次经PIN二极管二、吸收电阻R1、隔直电容四连接至接地金属孔二；PIN二极管二与吸收电阻R1之间的电性连接点经扼流电感L4连接至限流电阻R1的一端；

串联电阻R3与隔直电容二之间的电性连接点，一方面经扼流电感L2连接至接地金属孔四，另一方面依次经PIN二极管三、吸收电阻R2、隔直电容三连接至接地金属孔三；PIN二极管三与吸收电阻R2之间的电性连接点经扼流电感L3连接至限流电阻R1的一端；

限流电阻R4的另一端连接至控制电平二；场效应管FET1的源极和漏极分别并联在串联电阻R3的两端，场效应管FET1的栅极连接至控制电平一。

如图3所示，所述基片材料的上表面为表面电路层，下表面为接地金属层；所述PIN二极管一、PIN二极管二、PIN二极管三、场效应管FET1、隔直电容一、隔直电容二、隔直电容三、隔直电容四、吸收电阻R1、吸收电阻R2、串联电阻R3、扼流电感L1、扼流电感L2、扼流电感L3、扼流电感L4、输入传输线、输出传输线和匹配传输线均集成在表面电路层上，即所述基片材料主要是可重构的限幅衰减一体化电路的载体；在一个优选的实施例中，所述基片材料选用半导体基片材料，如Si、GaAs基片材料等。所述接地金属孔一、接地金属孔二、接地金属孔三、接地金属孔四和接地金属孔五为集成在基片材料中的金属化通孔，用于将集成在表面电路层上的相应器件与接地金属层连接，即所述接地金属孔一、接地金属孔二、接地金属孔三、接地金属孔四和接地金属孔五主要起接地作用，构成直流回路及射频接地。金属化通孔的具体孔径大小，可由基片材料的微细加工艺确定。

所述输入传输线和输出传输线对外起与外部电路互联互通作用，同时对内实现与内部电路元件之间的互联作用。在一个优选的实施例中，所述输入传输线、输出传输线及匹配传输线特性阻抗按50欧母特性阻抗设计；输入传输线、输出传输线长度由实际电路布局确定，其长度大小对性能几乎没有影响，匹配传输线长度为可重构的限幅衰减一体化电路工作频段中心频率波长的四分之一。

所述隔直电容一、隔直电容二、隔直电容三和隔直电容四用于将内部电路的直流偏置电压与外部隔离开来，起隔直通交作用。在一个优选的实施例中，所述隔直电容一、隔直电容二、隔直电容三和隔直电容四均为平板电容，其容值取决于工作频段，工作频段越低则所述隔直电容一、隔直电容二、隔直电容三和隔直电容四的容值越大，如可重构的限幅衰减一体化电路的工作频段在2GHz以下时，所述隔直电容一、隔直电容二、隔直电容三和隔直电容四的容值可以选择在100PF量级；如可重构的限幅衰减一体化电路的工作频段在2GHz以上时，所述隔直电容一、隔直电容二、隔直电容三和隔直电容四的容值可以选择在10PF量级。

所述PIN二极管一为限幅管，起限幅保护作用；所述PIN二极管二和PIN二极管三既是限幅元件，又是微波控制元件，用于在控制信号-5V时起射频开关作用，在控制信号0电平时起限幅器作用；所述PIN二极管一、PIN二极管二和PIN二极管三的器件参数如导通电压、反向击穿电压、结电容、载流子寿命等参数应根据电路的工作频段、承受功率及通带插损等需求决定。

所述吸收电阻R1、吸收电阻R2和串联电阻R3是微波π型衰减器电阻元件，用于在PIN二极管二和PIN二极管三导通时起π型衰减器作用，在PIN二极管二和PIN二极管三零偏置时起微波功率吸收的作用。在一个优选的实施例中，所述吸收电阻R1、吸收电阻R2和串联电阻R3均为薄膜电阻，其阻值根据可重构的限幅衰减一体化电路工作在衰减状态时等效的π型衰减器的衰减分贝数决定，可查阅相应的文献参考计算公式，但所述吸收电阻R1、吸收电阻R2和串联电阻R3的承受功率均应至少在0.5W量级。

所述限流电阻R4用于在控制电平二为-5V时为PIN二极管二和PIN二极管三提供合适的直流偏置状态。在一个优选的实施例中，所述限流电阻R4为薄膜电阻，其通过电流能力应大于50mA，其阻值R应由PIN二极管二和PIN二极管三的正向导通电压和正向导通电流决定，具体公式为R＝(Vc-Vj)/(I2+I3)，其中，Vc为控制电平二的高电平状态时控制电压(一般为-5V)，Vj为PIN二极管二和PIN二极管三的正向导通电压(单位为伏)，I2和I3分别为PIN二极管二和PIN二极管三的正向导通电流(单位为安培)。

所述扼流电感L1、扼流电感L2、扼流电感L3、扼流电感L4均为平面电感，起通直隔交的作用，主要为控制信号提供直流通路，用于控制可重构的限幅衰减一体化电路的工作状态。在一个优选的实施例中，所述扼流电感L1、扼流电感L2、扼流电感L3、扼流电感L4是为PIN二极管一、PIN二极管二和PIN二极管三提供直流偏置回路，其通过电流能力应大于50mA，电感值的大小应由工作频段决定。

所述控制电平一和控制电平二为可重构的限幅衰减一体化电路的控制信号，用于控制可重构的限幅衰减一体化电路工作状态。具体地，所述控制电平一用于为场效应管FET1提供控制信号，该控制信号电平大小由场效应管FET1的类型决定，一般为0/-5V；所述控制电平二用于为PIN二极管二和PIN二极管三提供控制信号，该控制信号电平为0/-5V，此控制信号应具备良好电流驱动能力，即-5V电平时输出电流驱动能力应大于50mA，0电平时应具备良好的电流通过能力一般大于50mA。

所述场效应管FET1为用于开关控制类型的FET场效应管，其器件的具体参数应由工作频段、承受功率来确定。

本实施例实现的可重构的限幅衰减一体化电路的工作方法如下：

1)当工作在限幅状态时，控制电平一使场效应管FET1导通，控制电平二使PIN二极管二和PIN二极管三工作在零偏置状态，此时可重构的限幅衰减一体化电路等效为吸收式限幅器，从而实现限幅保护功能；

2)当工作在衰减状态时，控制电平一使场效应管FET1截止状态，控制电平二使PIN二极管二和PIN二极管三工作导通状态，此时可重构的限幅衰减一体化电路等效为π型衰减器，从而实现动态衰减功能；

3)PIN二极管一始终处于零偏置状态，工作在限幅保护模式，用于保护后级电路元件不被微波大信号损坏。

基于上述工作原理分析，本发明的可重构的限幅衰减一体化电路采用PIN二极管、偏置电路、匹配电路等一体化融合设计方式，能够实现限幅器和π型衰减器两种工作状态的重构，具备低差损、小型化及低成本等技术效果。另外，本发明的可重构的限幅衰减一体化电路已在0.8～2GHz接收通道中进行原理验证，其通过控制信号可将接收通道工作接收限幅模式或通道动态衰减模式；其限幅器工作时插损小于1dB，承受功率连续波大于2W。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可重构的限幅衰减一体化电路，其特征在于，包括基片材料，以及集成在基片材料表面的PIN二极管一、PIN二极管二、PIN二极管三、场效应管FET1、隔直电容一、隔直电容二、隔直电容三、隔直电容四、吸收电阻R1、吸收电阻R2、串联电阻R3、限流电阻R4、扼流电感L1、扼流电感L2、扼流电感L3、扼流电感L4、输入传输线、输出传输线、匹配传输线、接地金属孔一、接地金属孔二、接地金属孔三、接地金属孔四和接地金属孔五；

输入传输线的输出端依次经隔直电容一、匹配传输线、串联电阻R3、隔直电容二连接至输出传输线的输入端；

隔直电容一与匹配传输线之间的电性连接点经PIN二极管一与接地金属孔一连接；

匹配传输线与串联电阻R3之间的电性连接点，一方面经扼流电感L1连接至接地金属孔五，另一方面依次经PIN二极管二、吸收电阻R1、隔直电容四连接至接地金属孔二；PIN二极管二与吸收电阻R1之间的电性连接点经扼流电感L4连接至限流电阻R1的一端；

串联电阻R3与隔直电容二之间的电性连接点，一方面经扼流电感L2连接至接地金属孔四，另一方面依次经PIN二极管三、吸收电阻R2、隔直电容三连接至接地金属孔三；PIN二极管三与吸收电阻R2之间的电性连接点经扼流电感L3连接至限流电阻R1的一端；

限流电阻R4的另一端连接至控制电平二；场效应管FET1的源极和漏极分别并联在串联电阻R3的两端，场效应管FET1的栅极连接至控制电平一。

2.根据权利要求1所述的可重构的限幅衰减一体化电路，其特征在于，所述基片材料的上表面为表面电路层，下表面为接地金属层；所述PIN二极管一、PIN二极管二、PIN二极管三、场效应管FET1、隔直电容一、隔直电容二、隔直电容三、隔直电容四、吸收电阻R1、吸收电阻R2、串联电阻R3、扼流电感L1、扼流电感L2、扼流电感L3、扼流电感L4、输入传输线、输出传输线和匹配传输线均集成在表面电路层上；所述接地金属孔一、接地金属孔二、接地金属孔三、接地金属孔四和接地金属孔五为集成在基片材料中的金属化通孔，用于将集成在表面电路层上的相应器件与接地金属层连接。

3.根据权利要求1所述的可重构的限幅衰减一体化电路，其特征在于，所述基片材料选用半导体基片材料。

4.根据权利要求1所述的可重构的限幅衰减一体化电路，其特征在于，所述输入传输线、输出传输线及匹配传输线特性阻抗按50欧母特性阻抗设计；所述匹配传输线长度为可重构的限幅衰减一体化电路工作频段中心频率波长的四分之一。

5.根据权利要求1所述的可重构的限幅衰减一体化电路，其特征在于，所述隔直电容一、隔直电容二、隔直电容三和隔直电容四均为平板电容；

可重构的限幅衰减一体化电路的工作频段在2GHz以下时，所述隔直电容一、隔直电容二、隔直电容三和隔直电容四的容值可以选择在100PF量级；

可重构的限幅衰减一体化电路的工作频段在2GHz以上时，所述隔直电容一、隔直电容二、隔直电容三和隔直电容四的容值可以选择在10PF量级。

6.根据权利要求1所述的可重构的限幅衰减一体化电路，其特征在于，所述吸收电阻R1、吸收电阻R2和串联电阻R3均为薄膜电阻，并且所述吸收电阻R1、吸收电阻R2和串联电阻R3阻值根据可重构的限幅衰减一体化电路工作在衰减状态时等效的π型衰减器的衰减分贝数决定；所述吸收电阻R1、吸收电阻R2和串联电阻R3的承受功率均至少在0.5W量级。

7.根据权利要求1所述的可重构的限幅衰减一体化电路，其特征在于，所述限流电阻R4为薄膜电阻，其通过电流能力大于50mA，其阻值R由PIN二极管二和PIN二极管三的正向导通电压和正向导通电流决定，所述限流电阻R4的阻值R的计算公式为：

R＝(Vc-Vj)/(I2+I3)；

其中，Vc为控制电平二的高电平状态时控制电压，Vj为PIN二极管二和PIN二极管三的正向导通电压，I2和I3分别为PIN二极管二和PIN二极管三的正向导通电流。

8.根据权利要求1所述的可重构的限幅衰减一体化电路，其特征在于，所述扼流电感L1、扼流电感L2、扼流电感L3、扼流电感L4均为平面电感，并且所述扼流电感L1、扼流电感L2、扼流电感L3、扼流电感L4的电流能力均大于50mA。

9.根据权利要求1所述的可重构的限幅衰减一体化电路，其特征在于，所述场效应管FET1为用于开关控制类型的FET场效应管。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的可重构的限幅衰减一体化电路的工作方法，其特征在于，包括：

1)当工作在限幅状态时，控制电平一使场效应管FET1导通，控制电平二使PIN二极管二和PIN二极管三工作在零偏置状态，此时可重构的限幅衰减一体化电路等效为吸收式限幅器，从而实现限幅保护功能；

2)当工作在衰减状态时，控制电平一使场效应管FET1截止状态，控制电平二使PIN二极管二和PIN二极管三工作导通状态，此时可重构的限幅衰减一体化电路等效为π型衰减器，从而实现动态衰减功能；

3)PIN二极管一始终处于零偏置状态。

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