正交电桥的短波双极性电调衰减器的设计

张嘉毫，李毅，唐健，何方敏等



正交电桥的短波双极性电调衰减器的设计

张嘉毫，李毅，唐健，何方敏等

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033）

设计了一种基于正交电桥的短波双极性电调衰减器，并在此基础上提出了基于单个正交电桥实现矢量调制器的方法。首先理论分析了基于正交电桥实现双极性衰减器的原理。其次设计了该衰减器中的正交电桥、基于PIN二极管的可调射频电阻以及线性控制电路。最后分析了基于单个正交电桥实现矢量调制器的原理。结果表明，该双极性电调衰减器在短波频段内动态范围可达30 dB，基本实现线性控制。

双极性衰减器 正交电桥 PIN二极管 矢量调制器

0 引言

舰船上的大功率发射机和宽带接收机同时工作时，由于空间距离近，会产生干扰问题。特别是大功率发射机、阻塞式干扰机工作时，己方接收机受干扰尤为严重。为解决有限空间内同平台天线间干扰问题，提高频谱资源利用率，提出了自适应辐射干扰对消技术。自适应辐射干扰对消技术的基本原理就是将提取的参考信号做与干扰信号的等幅反相处理后，再与干扰信号相加，从而对消干扰信号[1-4]。自适应干扰对消系统的功能框图如图1。由图1可知，双极性电调衰减器是干扰对消系统中的关键器件之一。一般要求其能够承受较大功率、电压传输系数与控制电压基本呈线性关系、衰减动态范围大等。

图1 自适应干扰对消系统功能框图

1 基于正交电桥的双极性电调衰减器的原理

双极性电调衰减器一般利用FET或PIN二极管的射频电阻随电压或电流的变化特性来实现对衰减量的控制。目前，主要存在：1）基于π型结构的电调衰减器，如文献[5]中讨论的衰减器，这种衰减器的前置功分器将导致3 dB的插入损耗，单级很难实现大的动态衰减范围，控制特性非线性。2）基于桥型结构的电调衰减器，桥型结构的电调衰减器具有插入损耗小，能够实现线性控制等特点。文献[6]中的电调衰减器最大衰减35 dB。文献[7]中的电调衰减器最大衰减能够达到65 dB，且频带内衰减平坦，但是结构复杂。

图2 电调衰减器结构图

如图2所示，正交电桥由一个功分器和差相移移相网络组成，差相移移相网络相对相移为90°。1、2端为功分器同相、反相合成端，3、4为功分器分离端，3、4端与移相网络相接。当信号从1端输入时，在5、6端成90°分离输出，当相位差为90°的两路同频等幅信号从5、6端输入时，在2端合成输出。将差相移正交电桥分离端5、6端分别接上可调射频电阻Z，通过控制使5、6两端可调电阻始终相等.若1、2输入、输出端特性阻抗为Z，则5、6端反射系数为：

2 基于正交电桥的双极性电调衰减器设计

2.1 正交电桥设计

图3 正交电桥设计原理图

2.2 可调射频电阻的设计

2.3 线性控制电路的设计

其中，L由公式(3)确定。

得到控制电压与电流的关系：

上述控制电流与控制电压的关系用集成电路容易实现。

3 实际研制的衰减器的实验结果

根据以上分析，研制了短波波段的双极性电调衰减器。可调射频电阻用两个PIN二极管串联，内部特性阻抗为50 Ω。图4至图7给出了衰减器主要性能指标。

图4是衰减器最小衰减和最大衰减曲线，图中曲线为衰减器的21曲线。当控制电压为0 V时，衰减器达到最大衰减；当控制电压为+5 V或-5 V时，衰减器达到最小衰减。

图5、图6是衰减器输入端1端和输出端2端电压驻波比曲线，在6 MHz至30MHz频率范围内驻波比小于1.7，表明衰减器匹配良好。

图5 输入端驻波比

图6 输出端驻波比

图7是控制电压与射频电压传输系数关系曲线，基本呈线性关系。

图7 控制电压与传输系数关系曲线

4 总结与展望

按照本文设计思路研发的短波双极性电调衰减器有较大的动态范围，且控制特性和电路结构简单。与桥式双极性电调衰减器相比，本衰减器的可调电阻只需两路，可以减少PIN的数量，从而降低了成本。

同时以本文设计的基于正交电桥的双极性电调衰减器为基础，通过将可调电阻变为可调阻抗，可用一个衰减器实现矢量调制器。图1虚线框内所示部分为一般的矢量调制器，它由两个双极性电调衰减器、一个正交功分器和一个合成器组成，其功能是调节信号的幅度与相位。

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Design of a Bipolar Electronic-controlled Attenuator Based on Quadrature Bridge in Short-wave Band

Zhang Jiahao, Li Yi, Tang Jian, He Fangmin, et al

(National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM13

A

1003-4862（2014）2-0017-04

2013-07-06

张嘉毫(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：电磁兼容。

李毅(1977-)，男，博士，副研究员。研究方向：射频电路，电磁兼容与计算电磁学。

国家自然科学基金资助项目(61201055)