CN204304955U - 应用于x波段频率合成器中的可编程大动态高精度衰减模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种应用于X波段频率合成器中的可编程大动态高精度衰减模块，运用于某型号X波段雷达模拟器系统频率合成器中实现信号功率动态范围控制。随着通信技术的发展，对于功率控制的要求越来越高，既要求较大的功率控制动态范围，又需要较高的控制精度，同时又需要较低的成本。本实用新型采用多衰减器单片级联，腔体结构上合理分布各级电路，同时利用FPGA逻辑器件来补偿单级衰减芯片在较高衰减量的精度误差，很好的解决了该频率合成器功率动态范围90dB，衰减步进2dB，衰减精度±1dB的要求，满足了系统指标要求。本实用新型的最大衰减动态可以达到93.5dB，衰减精度±1dB，可以广泛应用雷达通信系统。

Description

应用于X波段频率合成器中的可编程大动态高精度衰减模块

技术领域

本实用新型涉及X波段及以上频率合成器中信号功率大动态高精度衰减模块，属于射频电路控制领域。

背景技术

目前在雷达通信领域实现功率动态控制主要靠衰减器来配合功率放大器实现功率调节。随着数字集成电路的快速发展，国内外一些公司设计出一系列的数控衰减器集成电路，使得电路设计更加容易实现，因此运用也越来越广泛。作为散射通信系统，信号的衰落比较大，为追求通道间信号平衡性，利用衰减器来实现两端发射功率有效快速调节。

在一些应用场合，频率合成器要求对信号功率实现最大衰减90dB，信号衰减精度要求小于±1dB，也就是说信号衰减后幅度只有原来的信号幅度的十亿分之一。此频段一般要求动态均在80dB。目前多数采用的实现方式是：电路上采用多级衰减器级联的方式，结构上在腔体一面上各级衰减器电路单独分腔配合隔离墙的处理方式，通过多道隔离墙来对电磁场中的高次模分量进行抑制后送入下级衰减器，来保证足够弱的衰减信号可以继续衰减。但是随着频率的升高，电路板安装以及腔体加工精度的局限，实际测试未必能达到仿真或理想的结果。产品实测后，衰减动态最大可以达到85dB，衰减精度误差较大，无法满足指标要求。

实用新型内容

针对上述问题，申请人通过对现有设计做进一步的完善及修正，提供一种可以实现系统指标要求的应用于X波段频率合成器中的可编程大动态高精度衰减模块。

本实用新型的技术方案如下：

一种应用于X波段频率合成器中的可编程大动态高精度衰减模块，包括放大器、前隔离器、第一级数控衰减器、第二级数控衰减器、第三级数控衰减器、后隔离器、调制器、电源及数字控制电路；第一级数控衰减器、第二级数控衰减器、第三级数控衰减器级联，前隔离器、后隔离器分别连接在级联电路的前、后两端；放大器连接频率合成器前级电路的输入信号，并输出信号至前隔离器的输入端；后隔离器的输出端经调制器后输出信号至频率合成器后级电路；电源及数字控制电路的输入端连接外部TTL控制电平输入，输出端连接第一级数控衰减器、第二级数控衰减器、第三级数控衰减器的各六个控制位。

其进一步的技术方案为：包括一个由正面和背面的多个分腔所组成的腔体，所述放大器、前隔离器、第一级数控衰减器、第三级数控衰减器、后隔离器及调制器安装在腔体的正面，所述电源及数字控制电路及第二级数控衰减器安装在腔体的背面；其中，放大器和前隔离器安装在第一正面分腔中，第一级数控衰减器安装在第二正面分腔中，第三级数控衰减器安装在第三正面分腔中，后隔离器和调制器安装在第四正面分腔中，电源及数字控制电路安装在第一背面分腔中，第二级数控衰减器安装在第二背面分腔中。

以及，其进一步的技术方案为：所述腔体的两端分别开设有直径为2.5mm的通孔，所述正面和背面各分腔的两端也分别开设有直径为2.5mm的通孔，且所述第二正面分腔和第三正面分腔之间的通孔处于第二背面分腔内。

以及，其进一步的技术方案为：所述第一级数控衰减器、第二级数控衰减器、第三级数控衰减器均采用HITTITE公司的数控衰减器HMC424LP3E，每级数控衰减器实现衰减量分别为0.5dB，1dB，2dB，4dB，8dB，16dB的6个衰减单元的衰减，构成步进为0.5dB，动态范围为31.5dB的衰减量，三个数控衰减器级联的衰减量达到93.5dB。

本实用新型的有益技术效果是：

本实用新型充分利用衰减芯片自身最大衰减动态范围，利用最少的器件实现系统要求最大衰减动态范围。采用对各级衰减器电路分腔布局，合理设计独立腔体的尺寸，模块电路在腔体内正反穿插布局，增加射频链路上信号的隔离度，保证射频链路上的电磁兼容性。通过FPGA逻辑控制器件对离散的衰减量通过实测后组合，从而对各态衰减量进行衰减补偿，对衰减器进行控制，保证各状态衰减量的衰减精度，同时可实现衰减器衰减步进可调。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理框图。

图2为本实用新型的腔体正面布局示意图。

图3为本实用新型的腔体背面布局示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，本实用新型在电路上，包括放大器、两个隔离器、三级数控衰减器、调制器、电源及数字控制电路。三级数控衰减器级联，两个隔离器分别连接在级联电路的前、后两端。放大器连接频率合成器前级电路的输入信号fin，并输出信号至前隔离器的输入端。后隔离器的输出端经调制器后输出信号至频率合成器后级电路。电源及数字控制电路的输入端连接外部TTL控制电平输入，输出端分别连接三级数控衰减器的各六个控制位A0至A5、B0至B5、C0至C5。

如图2和图3所示，本实用新型在结构上，包括一个正面和背面均具有多个分腔的腔体，上述放大器、前隔离器、第一级数控衰减器、第三级数控衰减器、后隔离器及调制器安装在腔体的正面，电源及数字控制电路及第二级数控衰减器安装在腔体的背面。其中，放大器和前隔离器安装在正面分腔1中，第一级数控衰减器安装在正面分腔2中，第三级数控衰减器安装在正面分腔3中，后隔离器和调制器安装在正面分腔4中，电源及数字控制电路安装在背面分腔1中，第二级数控衰减器安装在背面分腔2中。

以下详述本实用新型的原理：

本实用新型利用三片X波段数控衰减器级联，并在级前后加入隔离器来匹配级联电路间的驻波改善信号反射，采用衰减电路正反分腔处理来增强芯片间的隔离度，使信号在衰减足够弱的时候实现继续衰减，最终实现模块对微波信号的大动态、高精度衰减。

本实用新型的腔体分为正面、背面两个腔，正面腔体主要为包括放大器、前隔离器、第一级和第三级数控衰减器、后隔离器、调制器在内的微波信号传输电路，背面腔体主要为电源及数字控制电路及第二级数控衰减器的微波电路。实施例中，腔体结构材料主要为6061防锈铝，整个衰减模块通过螺钉固定。正面、背面腔体表面均为光滑表面，在腔体两端各开有一个直径为2.5mm的通孔，用来安装射频输入输出插座。正面、背面腔体被隔离出若干个小腔，各个小腔通过独立盖板，自成一个完全封闭的腔体。正面独立腔体内两端各自开有一个直径为2.5mm的通孔，相邻两个腔体的通孔又刚好处于背面安装第二级数控衰减器的独立腔体内，即实现了第一级与第二级、第二级与第三级数控衰减器的微波信号传输。各数控衰减器所在的独立腔体的长宽高通过HFSS软件仿真或公式计算得到，使得输出信号频段与腔体谐振频率错开，同时兼顾器件外围电路大小，确定腔体尺寸为30mm×25mm×12mm，确保传输信号能够完全束缚在传输线表面传播，避免信号在腔体内反射。

正面、背面腔内电路(即第一级与第二级、第二级与第三级数控衰减器的微波信号传输)通过在通孔内粘接微波绝缘子来实现微波电路的互连，进一步增加链路间的隔离效果，从而保证了模块的大动态衰减范围。各数控衰减器的衰减控制线则通过在正面、背面腔体的夹层上打螺纹孔安装穿芯电容实现，穿芯电容的容值为5.6pF，该值既可以保证控制信号的顺利通过，又可以对控制线上串扰的高频信号起到滤波的作用，同时增加正面、背面腔体间的信号屏蔽作用。腔体具体布局图请参阅图2和图3。

衰减电路主要采用三个HITTITE公司的数控衰减器HMC424LP3E级联而成。每级衰减器可实现6个衰减单元的衰减，衰减量分别为0.5dB，1dB，2dB，4dB，8dB，16dB，组合起来可以构成一个步进为0.5dB，动态范围为31.5dB的衰减量，三个数控衰减器级联后的衰减量可以达到93.5dB，可以实现指标要求的90dB动态范围。基本原理框图请参阅图1。

控制电路主要通过FPGA逻辑控制电路对三级数控衰减器的各六个控制位单独实现控制。通过调试工装在调试过程中，分别对信号实现0-90dB动态范围测试，在测试过程中，利用小步进衰减位的衰减量对大动态衰减时的偏差进行补偿，同时记录要求的各衰减态的控制码表，整理为一一对应的二进制数据。然后将模块外部要求的衰减量对应二进制码作为地址码，之前记录的衰减量二进制码作为数据同时写入存储器内。当外部控制发所需的衰减控制码时，可以直接找到对应的衰减码，实现对信号功率的精准衰减。总结来说，衰减精度主要通过选用小步进的数控衰减器，对各级衰减器的衰减控制位通过FPGA逻辑控制电路单独控制，通过测试工装精确测试出指标要求的每一位衰减的衰减量对应的二进制编码，通过编程软件QUARST II将二进制数写入FPGA芯片内，从而对衰减器进行精准衰减控制，弥补单级芯片自身的全动态衰减时的误差及器件级联时匹配的影响。

结论：本实用新型的设计最终既实现了系统的指标的动态范围90dB衰减要求，同时也满足衰减精度满足±1dB的要求。这种设计可以保证较大动态衰减范围，同时也可以很好的控制其衰减精度，必要时也可以对衰减器高低温实现衰减量补偿，只需测出高低温下衰减值，按同样的方法修正，并在控制器件FPGA内部做判断来实现全温补偿。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种应用于X波段频率合成器中的可编程大动态高精度衰减模块，其特征在于：包括放大器、前隔离器、第一级数控衰减器、第二级数控衰减器、第三级数控衰减器、后隔离器、调制器、电源及数字控制电路；第一级数控衰减器、第二级数控衰减器、第三级数控衰减器级联，前隔离器、后隔离器分别连接在级联电路的前、后两端；放大器连接频率合成器前级电路的输入信号，并输出信号至前隔离器的输入端；后隔离器的输出端经调制器后输出信号至频率合成器后级电路；电源及数字控制电路的输入端连接外部TTL控制电平输入，输出端连接第一级数控衰减器、第二级数控衰减器、第三级数控衰减器的各六个控制位。

2.根据权利要求1所述的应用于X波段频率合成器中的可编程大动态高精度衰减模块，其特征在于：包括一个由正面和背面的多个分腔所组成的腔体，所述放大器、前隔离器、第一级数控衰减器、第三级数控衰减器、后隔离器及调制器安装在腔体的正面，所述电源及数字控制电路及第二级数控衰减器安装在腔体的背面；其中，放大器和前隔离器安装在第一正面分腔中，第一级数控衰减器安装在第二正面分腔中，第三级数控衰减器安装在第三正面分腔中，后隔离器和调制器安装在第四正面分腔中，电源及数字控制电路安装在第一背面分腔中，第二级数控衰减器安装在第二背面分腔中。

3.根据权利要求2所述的应用于X波段频率合成器中的可编程大动态高精度衰减模块，其特征在于：所述腔体的两端分别开设有直径为2.5mm的通孔，所述正面和背面各分腔的两端也分别开设有直径为2.5mm的通孔，且所述第二正面分腔和第三正面分腔之间的通孔处于第二背面分腔内。

4.根据权利要求1所述的应用于X波段频率合成器中的可编程大动态高精度衰减模块，其特征在于：所述第一级数控衰减器、第二级数控衰减器、第三级数控衰减器均采用HITTITE公司的数控衰减器HMC424LP3E，每级数控衰减器实现衰减量分别为0.5dB，1dB，2dB，4dB，8dB，16dB的6个衰减单元的衰减，构成步进为0.5dB，动态范围为31.5dB的衰减量，三个数控衰减器级联的衰减量达到93.5dB。