微波大功率超高动态范围高精度数控衰减器

技术领域

本发明涉及衰减器领域，具体设计微波大功率超高动态范围高精度数控衰减器。

背景技术

数控衰减器是用于控制射频信号幅度的控制器件，主要用于具有增益设定和控制功能要求的微波通信系统中，负责均衡不同信道的增益，尤其是多信道系统中不可或缺的一部分。在“智能”天线，电子对抗系统，智能武器系统，宽带通信、军用雷达以及GSM(GlobalSystem for Mobile Communications，全球移动通信系统)，PCS(Process ControlSystem，过程控制系统)等不同的无线应用系统等应用领域，有着广泛的应用。

国内已有的数控衰减器分别涉及了衰减范围0-127dB，50dB等，响应时间分别有1ms，10ms等相关报道。当数控衰减器的衰减动态越大，微波信号的串扰和辐射就越大，但是目前国内尚未出现同时具有衰减动态达到127dB以上，响应速度≤100ns的高精度大动态数控衰减器的报道，且目前数控衰减器采用多级数控衰减器级联的方式，以产生宽的输出功率变化范围，但数控衰减器的增益控制误差较大，多级级联控制误差将会累积，影响到输出功率的精准度。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前衰减器精度较差、衰减范围较窄的问题，本发明提供一种微波大功率超高动态范围高精度数控衰减器，能够产生宽功率变化范围的微波信号，且微波输出功率分辨率与控制精度高。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

微波大功率超高动态范围高精度数控衰减器，所述数控衰减器模块包括晶体管模块1、2、3和4，电阻R1、R2和R3，其中所述晶体管模块1和2串联后与晶体管模块3和4串联后并联，所述晶体管模块1和2一端与信号输入端相连，另一端与信号输出端相连，电阻R1一端与信号输入端相连，另一端与信号输出端相连，晶体管模块3和电阻R2一端与信号输入端相连，另一端与电阻R1一端相连，晶体管模块4和电阻R3一端与信号输出端相连，另一端与电阻R1一端相连，R2、R3的另一端都有接地处理，晶体管模块1和2的另一端与控制端A连接，晶体管模块3和4的另一端与控制端B连接，晶体管模块4还与连接点Q相连，所述连接点Q处在数控衰减器的输入端与输出端之间，且连接精度调节电路模块，所述精度调节电路的一端连接在所述数控衰减器的连接点Q处，另一端接地处理，其根据所述数控衰减器输入信号的频段高低和不同频段上的衰减精度要求，对数控衰减器的衰减精度进行调节优化。

在进一步的实现方式中，所述4个晶体管模块每一个都包括一个高电子迁移率晶体管M和一个保护电阻R。

在进一步的实现方式中，所述晶体管M1的源极与信号输入端相连、漏极与所述晶体管M2的源极相连、栅极与保护电阻R4相连，所述晶体管M2的漏极与信号输出端相连，栅极与保护电阻R5相连，保护电阻R4和R5分别与控制端A相连，所述晶体管M3的漏极与信号输入端相连、源极与电阻R1相连、栅极与保护电阻R6相连，所述晶体管M4的漏极与R1相连、源极与信号输出端相连、栅极与保护电阻R7相连，保护电阻R6和R7分别与控制端B相连。

在进一步的实现方式中，所述精度调节模块包括高电子迁移率晶体管以及串联的电容和电感。

在进一步的实现方式中，所述电感与所述电感串联后，其第一端接地，另一端连接所述晶体管的漏极，晶体管的源极通过连接点Q连接数控衰减器模块，栅极通过保护电阻输入控制对应精度调节支路接入数控衰减器的信号。

在进一步的实现方式中，所述电容和电感可以对所述接入数控衰减器的阻抗大小进行调整。

在进一步的实现方式中，所述精度调节模块电路包括多个精度调节支路，针对选定频段，其衰减精度要求越高，所述精度调节电路接入至所述数控衰减器的支路越多，阻抗越大。

在进一步的实现方式中，所述数控衰减器控制端进入晶体管信号和所述每一条精度调节支路控制端进入晶体管接入所述数控衰减器的信号，都是通过保护电阻输入。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明通过根据微波大功率超高动态范围高精度数控衰减器输入信号的频段高低和不同频段上的衰减精度要求，利用多个精度调节支路中的电容和/或电感向数控衰减器接入所需对应大小的阻抗，可以对数控衰减器输入信号对应频段的衰减精度进行调节；此外，由于精度调节电路一端接地，也就是不处于数控衰减器的输入输出信号通路之间，所以对数控衰减器模块输入/输出阻抗特性影响较小，即对数控衰减器模块的电特性影响较小，避免了影响插入损耗、输入1dB压缩点、输入电压驻波系数、输出电压驻波系数等数据问题；另外本发明通过增大接入数控衰减器的阻抗，可以提高选定频段的衰减精度要求，并且可以通过电容加电感的形式对阻抗大小进行进一步的调节，得到更细致的数控衰减器衰减准确度。

附图说明：

图1为微波大功率超高动态范围高精度数控衰减器的基础结构示意图；

图2为晶体管模块的结构示意图；

图3为精度调节模块的具体结构示意图；

图4为微波大功率超高动态范围高精度数控衰减器的具体结构示意图；

图5为微波大功率超高动态范围高精度数控衰减器的衰减示意图。

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，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对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部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，这类术语仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一：参见图1所示，为本发明微波大功率超高动态范围高精度数控衰减器的一个基础模块电路方框图。本实施例中，微波大功率超高动态范围高精度数控衰减器中的该数控衰减器200可以包括晶体管模块1、2、3和4，电阻R1、R2和R3，其中所述晶体管模块1和2串联后与晶体管模块3和4串联后并联，所述晶体管模块1和2一端与信号输入端相连，另一端与信号输出端相连，电阻R1一端与信号输入端相连，另一端与信号输出端相连，晶体管模块3和电阻R2一端与信号输入端相连，另一端与电阻R1一端相连，晶体管模块4和电阻R3一端与信号输出端相连，另一端与电阻R1一端相连，R2、R3的另一端都有接地处理，晶体管模块1和2的另一端与控制端A连接，晶体管模块3和4的另一端与控制端B连接，晶体管模块4还与连接点Q相连，所述连接点Q处在数控衰减器200的输入端与输出端之间，且连接精度调节电路300，所述精度调节电路300的一端连接在所述数控衰减器的连接点Q处，另一端接地处理，其根据所述数控衰减器200输入信号的频段高低和不同频段上的衰减精度要求，对数控衰减器的衰减精度进行调节优化。

参见图2所示的晶体管结构示意图，4个晶体管模块每一个都包括一个高电子迁移率晶体管M和一个保护电阻R。

经申请人研究发现，针对选定频段，随着精度调节电路300接入至数控衰减器200的支路越多，阻抗的增大，其衰减精度越高。在对精度调节电路300接入数控衰减器200的阻抗大小进行调节时，电容、电感可以对阻抗大小进行细致调节。

由上述实施例可见，本发明通过根据数控衰减器200输入信号的频段高低和不同频段上的衰减精度要求，利用精度调节电路300中的电容和/或电感向数控衰减器200接入对应大小的阻抗，对数控衰减器200输入信号对应频段的衰减精度进行调节；此外，由于精度调节电路300的一端接地，不处于数控衰减器200的输入输出信号通路之间，所以精度调节电路300对数控衰减器200的输入/输出阻抗特性影响较小，即对数控衰减器200的电特性影响较小，避免了影响插入损耗、输入1dB压缩点、输入电压驻波系数、输出电压驻波系等数据问题。

参见图3，为本发明精度调节电路300的一个实施例电路图。该精度调节电路300可以包括多个精度调节支路，每个精度调节支路都可以包括第一晶体管M以及串联的电容C和电感L，其中晶体管M的控制端用于输入控制精度调节支路接入数控衰减器200的信号，一端连接数控衰减器200的输入端与输出端之间的连接处Q，串联的电容C和电感L的一端连接晶体管M，另一端接地。

该精度调节电路300可以包括多个精度调节支路，每个精度调节支路都可以包括电感、电容、晶体管和保护电阻，电感与电感串联后，其一端接地，另一端连接晶体管的漏极，晶体管的源极连接数控衰减器200的连接点Q，栅极通过保护电阻输入控制对应精度调节支路接入数控衰减器200的信号。其中，第一个精度调节支路包括电感L1、电容C1、晶体管M5和保护电阻R8，第二个精度调节支路包括电感L2、电容C2、晶体管M6和保护电阻R9，第N个精度调节支路包括电感Ln、电容Cn、晶体管M4+n和保护电阻R7+n，其中，电感L1的一端与地相连，电感L1的另一端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端与晶体管M5的漏极相连，晶体管M5的源极与连接点Q相连，保护电阻R8的一端与晶体管M5栅极相连，保护电阻R8的另一端与控制端C连接。电感L2的一端与地相连，电感L2的另一端与电容C2一端相连，电容C2另一端与晶体管M6的漏极相连，晶体管M6的源极与连接点Q相连，保护电阻R9的一端与晶体管M6栅极相连，保护电阻R9的另一端与控制端连接。电感Ln的一端与地相连，电感Ln的另一端与电容Cn一端相连，电容Cn另一端与晶体管Mn的漏极相连，晶体管M4+n的源极与连接点Q相连，保护电阻R7+n的一端与晶体管M4+n栅极相连，保护电阻R7+n的另一端与控制端N连接。回路的个数N，根据电路设计指标确定。本发明通过在每个精度调节支路中晶体管与控制对应精度调节支路的控制端之间设置保护电阻，可以为晶体管和信号端之间提供足够的隔离保护，维持电路稳定。

参见图4，数控衰减器200中晶体管M1的源极与信号输入端相连、漏极与所述晶体管M2的源极相连、栅极与保护电阻R4相连，所述晶体管M2的漏极与信号输出端相连，栅极与保护电阻R5相连，保护电阻R4和R5分别与控制端A相连，所述晶体管M3的漏极与信号输入端相连、源极与电阻R1相连、栅极与保护电阻R6相连，所述晶体管M4的漏极与R1相连、源极与信号输出端相连、栅极与保护电阻R7相连，保护电阻R6和R7分别与控制端B相连。

本实施例的工作原理如下：通过控制端A和B控制数控衰减器200的工作状态，当晶体管M1、晶体管M2为导通状态，晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5直至晶体管Mn为关断状态时，数控衰减器工作状态为参考态，信号通过端口进入数控衰减器200后，由于晶体管M1为导通态，源漏极之间表现为低阻抗，阻抗值远低于其它支路，所以信号依次通过晶体管M1和M2的源极和漏极后从端口输出。

当晶体管M1、晶体管M2为关断状态，晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5直至晶体管Mn为导通状态时，数控衰减器200工作状态为衰减态。如图5所示，为此时微波大功率超高动态范围高精度数控衰减器的衰减示意图，电阻R2和电阻R3阻值一般为相同值，设其阻抗为Z0，则电路的阻抗参量可以表示为：

再设精度调节电路300中第一个精度调节支路阻抗为Z51，第二个精度调节支路阻抗为Z52，第N个精度调节支路阻抗为Z5N，则Z5为电阻R2、R3与Z51、Z52直至Z5N并联所形成的阻抗。

在式(2)至(4)中，w表示数控衰减器200输入信号的角速度。

将(1)式中的阻抗Z参数转换成导纳S参数，则：

将(5)式带入(1)后，从(7)式S参数中可以得出，由于有精度调节支路的接入，Z5随着频率的变化而变化：在电路工作中，Z5阻抗值变大，使得S21变小。由于晶体管的频率特性，数控衰减器的插入损耗(参考态)随着频率的增加而增大，S21的变小，即对衰减精度进行精确。

电阻R1、R2、R3为金属氧化膜小电阻，阻值一般为10～500Ω，电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8直至电阻R7+n为多晶硅大电阻，阻值一般为4～7KΩ，分别与晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5直至晶体管M4+n的栅极相连，采用大电阻为晶体管的栅极和信号控制端之间提供足够的隔离保护，维持电路稳定。电容C1、电阻C2直至Cn为电容，电容L1、电阻L2直至Ln为电感，电容值不足时，常采用多个小电容并联的方式替代，电感值很小的时候，可以用微带线代替电感，根据需要对数控衰减器200的衰减精度进行调节。当数控衰减器200为参考态时，射频信号从输出端口输出信号幅度与从输入端口输出信号幅度的比值，为数控衰减器200的插入损耗；当数控衰减器为衰减态时，由输入端口输出信号幅度与通过输出端口输入输出信号幅度的比值，为数控衰减器200的衰减值；数控衰减器200的衰减量即为衰减值与插入损耗之差，而衰减量的准确度即为衰减精度。

由上述实施例可见，所述微波大功率超高动态范围高精度数控衰减器在数控衰减器200的基础上增加了多个精度调节支路，第1个调节支路由电感L1、电容C1、晶体管M5和保护电阻R8，第2个调节支路由电感L2、电容C2、晶体管M6和保护电阻R9，直至第n个调节支路由电感Ln、电容Cn、晶体管M4+n和保护电阻R7+n，共同组成精度调节电路300。当晶体管M5导通时，电感L1和电容C1组成的第一个精度调节支路接入数控衰减器200，对衰减精度进行优化，当晶体管M5关断时，第一个精度调节支路与数控衰减器200断开，也不会影响数控衰减器200原本的衰减精度。与上述一样，当晶体管M6导通时，电感L2和电容C2组成的第二个精度调节支路接入数控衰减器200，对衰减精度进行优化，当晶体管M6关断时，第二个精度调节支路与数控衰减器200断开；当晶体管M4+n导通时，电感Ln和电容Cn组成的第N个精度调节回路接入基本数控衰减单元，对衰减精度进行优化，当晶体管M4+n关断时，第N个精度调节回路与数控衰减器200断开。

因为精度调节支路中电感Ln值和电容Cn值的大小决定了衰减器衰减精度的优化频率和优化量的大小，所以通过在各精度调节支路中，合理设置电感Ln值和电容Cn值，通过控制晶体管的导通关闭，控制接入数控衰减器200的精度调节支路数，从而可以有针对性的对数控衰减器的衰减精度进行优化，使用这种结构可以获得比传统数控衰减器高的衰减精度，扩大了数控衰减器频率的使用范围，提高了数控衰减器的使用精度。另外由于精度调节回路不处于信号通路，且对数控衰减器输入/输出阻抗特性影响较小，因此对数控衰减器的电特性影响较小，避免了插入损耗、输入1dB压缩点、输入电压驻波系数、输出电压驻波系数等数据问题。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。