CN113824433B - 一种基于肖特基二极管级联的脉冲调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于肖特基二极管级联的脉冲调制器，属于微波脉冲调制器领域。该调制器包括介质基板，设置于介质基板背面的接地板，以及设置于介质基板正面从右至左通过主微带线依次连接的连续波输入端口P1、第一高通滤波器、第一偏置电路、二极管级联电路、第二偏置电路、第二高通滤波器、调制脉冲输出端口P3。本发明通过采用高通滤波器和偏置电路，使脉冲调制器实现了超宽带的特性，同时还具有输出频谱纯净、开关速度快、隔离度高、电路紧凑简单等优点。

Description

一种基于肖特基二极管级联的脉冲调制器
技术领域
本发明属于微波脉冲调制器领域，具体涉及一种基于多级肖特基二极管级联拓扑结构的宽带微波窄脉冲调制器。
背景技术
微波信号源(微波信号发生器)是产生微波信号的仪器装置，是构成现代微波系统和微波测量系统的最基本成分。它能够产生不同频率、不同幅度的微波正弦信号，其输出信号的频率、幅度和调制特性均可以在规定限度内进行调节。微波信号源的调制脉冲广泛应用于脉冲体制雷达系统、粒子加速器、导引头、射频微波系统的测量与校准、微波通信收发机系统、电子对抗、生物医学等领域。另外，以微波窄脉冲信号为基础的“微波激励热声成像”是目前生物医学成像领域研究的一个热点。成像分辨率与微波脉冲的宽度有直接的关系，研究发现,减小微波脉冲的宽度与提高微波脉冲的峰值功率都能改善成像分辨率、获得更好的成像效果。同时，越窄的微波脉宽，具有越高的热声效应激发效率与越小的激发能量密度，对身体潜在的热损伤越小。
目前国内外研究微波脉冲调制器的方向主要有两种：一种是以追求高隔离度为目标，具有代表性的是以PIN二极管制成微波开关实现脉冲调制，这种脉冲调制器存在响应时间较长、调制脉冲重频较低等不足。另一种是基于真空电子管的脉冲调制器，典型构造是预调制器给调制开关管传输推动脉冲功率，通过调制开关管控制微波管电子注的通断而产生微波脉冲。在这一类经典调制器中，无论是软性调制器、刚性调制器，亦或是线性调制器，都难以形成纳秒级窄脉冲。另一方面，采用真空电子管，存在损耗高、庞大的驱动电路及冷却麻烦等缺点。
发明内容
针对传统脉冲调制器的缺点，本发明提供了一种基于肖特基二极管级联调制的宽带微波窄脉冲调制器，该微波窄脉冲调制器具有制作成本低、脉冲调制性能优良、隔离度高、电路紧凑简单等优点。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于肖特基二极管级联结构的宽带微波窄脉冲调制器，包括介质基板，设置于介质基板背面的接地板，以及设置于介质基板正面从右至左通过主微带线依次连接的连续波输入端口P1、第一高通滤波器、第一偏置电路、二极管级联电路、第二偏置电路、第二高通滤波器、调制脉冲输出端口P3。
所述连续波输入端口P1用于输入连续波信号作为待调制信号。
所述第一高通滤波器、第二高通滤波器为结构相同的二阶高通滤波器，包括设置于主微带线上的第一电容、第一支路微带线、以及两端分别连接第一支路微带线和主微带线的第一电感。第一高通滤波器、第二高通滤波器都用于防止时域脉冲输入回流到连续波信号输入端。
所述第一偏置电路，用于在输入时域脉冲信号的同时防止连续波信号回流到时域脉冲输入端口P2，包括第二电感、时域脉冲输入端口P2、以及用于连接第二电感和时域脉冲输入端口P2的第二支路微带线；其中，所述时域脉冲输入端口P2用于输入时域脉冲信号作为开关控制信号；所述第二电感的另一端连接主微带线，第二电感用于通直流阻高频，防止连续波输入信号回流到时域脉冲输入端口P2。
所述二极管级联电路包括依次级联的五个肖特基二极管；作用为在时域脉冲端口输入高电平时导通，在时域脉冲端口输入低电平时截止，是脉冲调制发生部分。
所述第二偏置电路，包括第三支路微带线、以及两端分别连接第三支路微带线和主微带线的第三电感；所述第二偏置电路用于通直流阻高频。
所述调制脉冲输出端口P3用于输出调制脉冲信号。
进一步地，所述二极管级联电路上下两侧的介质基板设置有凹槽，用于提高隔离度；其中，与时域脉冲输入端口P2同一侧的凹槽为L型凹槽，另一侧的凹槽为矩形凹槽。
进一步地，所述主微带线、第一支路微带线、第二支路微带线、第三支路微带线均为阻抗为50欧姆的微带线。
进一步地，所述介质基板采用rogers4003介质材料，其介电常数为3.55，介质基片厚度为0.508mm。
进一步地，所述肖特基二极管为MA4E1317肖特基二极管。
本发明相比于传统微波脉冲调制器，具有以下有益效果：
1、本发明通过采用多个肖特基二极管级联，两个高通滤波器及两个偏置电感，组成级联式结构的脉冲调制器，开关速度快，可以达到ns级的上升下降沿，将微波脉冲调制下降到几个ns的量级。
2、本发明通过采用高通滤波器和偏置电路的形式，使脉冲调制器实现了超宽带的特性，将微波脉冲调制器的应用频率范围提升到10个GHz的超宽频带的同时让输出频谱更为纯净。
3、本发明采用性能完全相同的五个低势垒肖特基二极管进行多级级联，通过回流焊的焊接方式牢固地焊接在射频输入和脉冲调制信号的输出端口上，肖特基二极管的数量决定了微波脉冲调制器的高隔离度，但输出调制波形的平坦度会恶化，脉冲过冲也会进一步增大，且随着二极管级联数量的增加，为了导通所有二极管，外加的偏置电压也随之增大，因此设置5个二极管级联效果最佳。
4、本发明电路制作简单，采用肖特基二极管多级级联式结构实现宽带脉冲调制器，无需空闲电路，该电路具有简单、紧凑的优点，使得脉冲调制器性能十分可靠。
附图说明
图1是本发明采用的微波窄脉冲调制器设计原理图；
图2是本发明的多级级联脉冲调制器的电路原理图；
图3是本实施例的电路结构示意图；
图4(a)是本发明实施例的宽带微波窄脉冲源1GHz输出信号图；
图4(b)是本发明实施例的宽带微波窄脉冲源4GHz输出信号图；
图4(c)是本发明实施例的宽带微波窄脉冲源8GHz输出信号图；
图4(d)是本发明实施例的宽带微波窄脉冲源12GHz输出信号图；
图5是本发明实施例的宽带微波窄脉冲源输出信号的隔离度结果图。
其中，1、连续波输入端口P1；2、时域脉冲输入端口P2；3、脉冲调制信号输出端口P3；4、二极管；5、凹槽；6、高通滤波器；7、第一电容；8、第一电感；9、第二电感；10、第三电感；11、主微带线；12、第一支路微带线；13、第二支路微带线；14、第三支路微带线；15、介质基板。
具体实施方式
为了详细解释本发明的优点、技术方案和原理，以下将以说明书附图结合实施例提供对本申请的进一步描述。需要申明的是，以下给出的具体实例仅仅起到详细解释说明本发明的作用，并不构成对本申请的任何限定。
一种基于肖特基二极管级联结构的宽带微波窄脉冲调制器，包括介质基板，设置于介质基板背面的接地板，以及设置于介质基板正面从右至左通过主微带线依次连接的连续波输入端口P1、第一高通滤波器、第一偏置电路、二极管级联电路、第二偏置电路、第二高通滤波器、调制脉冲输出端口P3。
介质基板长55.9mm，宽22mm，绝缘介质板采用rogers4003基板，基板厚度采用0.508mm，需要指出的是，该基板厚度在0.1-1mm之间均能很好地满足本发明设计要求。基于此介质基板的50欧姆特征阻抗微带线宽度为1.1mm。
二极管级联电路两侧的介质基板设置有凹槽，其中与时域脉冲输入端口P2同一侧的凹槽为L凹槽，另一侧为矩形凹槽，其尺寸为：L1＝5.5mm，L2＝13.5mm，L3＝8mm，W1＝9.9mm，W2＝5.4mm。
所述连续波输入端口P1用于输入连续波信号作为待调制信号。
所述第一高通滤波器、第二高通滤波器为结构相同的二阶高通滤波器，包括设置于主微带线上的电容值为3.3pF的第一电容、第一支路微带线、以及两端分别连接第一支路微带线和主微带线的电感值为7.5nH的第一电感。第一高通滤波器、第二高通滤波器都用于防止时域脉冲输入回流到连续波信号输入端。
所述第一偏置电路，用于在输入时域脉冲信号的同时防止连续波信号回流到时域脉冲输入端口P2，包括电感值为3nH的第二电感、时域脉冲输入端口P2、以及用于连接第二电感和时域脉冲输入端口P2的长为14mm的第二支路微带线；其中，所述时域脉冲输入端口P2用于输入电压值为5V的时域脉冲信号作为开关控制信号；所述第二电感的另一端连接主微带线，第二电感用于通直流阻高频，防止连续波输入信号回流到时域脉冲输入端口P2。
所述二极管级联电路包括依次级联的五个肖特基二极管；作用为在时域脉冲端口输入高电平时导通，在时域脉冲端口输入低电平时截止，是脉冲调制发生部分。二极管两端的微带线之间的缝隙宽度设置为0.3mm；二极管采用MACOM公司生产的5个MA4E1317型肖特基二极管构成，该型二极管标准结电容为0.02pF，长0.66mm，宽0.33mm。此型二极管的开关隔离度为40dB，在微波脉冲调制中能够起到良好的作用。
所述第二偏置电路，包括第三支路微带线、以及两端分别连接第三支路微带线和主微带线的电感值为3nH的第三电感；所述第二偏置电路用于通直流阻高频。
所述调制脉冲输出端口P3用于输出调制脉冲信号。
本实施例工作在2-12GHz频段以内，脉冲调制器的调制脉冲波形输出结果如图4所示，本脉冲调制器可以产生2-12GHz宽频带的脉冲输出信号，上升/下降沿都在几个ns之内；脉冲调制信号隔离度如图5所示，在整个工作频段内，该脉冲调制器所调制的脉冲信号隔离度均大于80dB，显示了优良的脉冲调制性能。
以上实施方式旨在解释说明而非限制。应当理解的是，该摘要将不用于解释或限制权利要求的范围或意义。而且，在以上的具体实施方式中，各种特征可组合在一起以简化本发明。尽管已经描述了本发明的各种实施例，但是本领域普通技术人员应当知晓，在本发明的范围内，还可以有更多的实施例和实现方法。凡根据本发明内容所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于肖特基二极管级联的脉冲调制器，包括介质基板，设置于介质基板背面的接地板，以及设置于介质基板正面从右至左通过主微带线依次连接的连续波输入端口P1、第一高通滤波器、第一偏置电路、二极管级联电路、第二偏置电路、第二高通滤波器、调制脉冲输出端口P3；
所述连续波输入端口P1用于输入连续波信号作为待调制信号；
所述第一高通滤波器、第二高通滤波器为结构相同的二阶高通滤波器，包括设置于主微带线上的第一电容、第一支路微带线、以及两端分别连接第一支路微带线和主微带线的第一电感；第一高通滤波器、第二高通滤波器都用于防止时域脉冲输入回流到连续波信号输入端；
所述第一偏置电路，用于在输入时域脉冲信号的同时防止连续波信号回流到时域脉冲输入端口P2，包括第二电感、时域脉冲输入端口P2、以及用于连接第二电感和时域脉冲输入端口P2的第二支路微带线；其中，所述时域脉冲输入端口P2用于输入时域脉冲信号作为开关控制信号；所述第二电感的另一端连接主微带线，第二电感用于通直流阻高频，防止连续波输入信号回流到时域脉冲输入端口P2；
所述二极管级联电路包括依次级联的五个肖特基二极管；用于在时域脉冲端口输入高电平时导通，在时域脉冲端口输入低电平时截止，是脉冲调制发生部分；
所述第二偏置电路，包括第三支路微带线、以及两端分别连接第三支路微带线和主微带线的第三电感；所述第二偏置电路用于通直流阻高频；
所述调制脉冲输出端口P3用于输出调制脉冲信号。
2.如权利要求1所述的一种基于肖特基二极管级联的脉冲调制器，其特征在于，所述二极管级联电路上下两侧的介质基板设置有凹槽，用于提高隔离度。
3.如权利要求2所述的一种基于肖特基二极管级联的脉冲调制器，其特征在于，与时域脉冲输入端口P2同一侧的凹槽为L型凹槽，另一侧的凹槽为矩形凹槽。
4.如权利要求1所述的一种基于肖特基二极管级联的脉冲调制器，其特征在于，所述主微带线、第一支路微带线、第二支路微带线、第三支路微带线均为阻抗为50欧姆的微带线。
5.如权利要求1所述的一种基于肖特基二极管级联的脉冲调制器，其特征在于，所述介质基板采用rogers4003介质材料，其介电常数为3.55，介质基片厚度为0.508mm。
6.如权利要求1所述的一种基于肖特基二极管级联的脉冲调制器，其特征在于，所述肖特基二极管为MA4E1317肖特基二极管。
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