CN106100600A - 一种微波连续波大功率限幅器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的微波连续波大功率限幅器，包括微波功率耦合器、微波功率检测器、检测信号放大器、门限比较器、PIN开关驱动器、微波大功率PIN开关和PIN脉冲限幅器，所述微波功率耦合器输出端分别连接至所述微波大功率PIN开关输入端和微波功率检测器输入端，所述微波功率检测器依次通过所述检测信号放大器、所述迟滞门限比较器、所述PIN开关驱动器、所述微波大功率PIN开关连接至所述PIN脉冲限幅器输入端；降低了连续波大功率PIN脉冲限幅的设计要求，提升了微波接收系统对微波连续波或宽脉宽大功率信号的功率承受能力，解决了传统微波连续波大功率限幅器承受功率较低的问题，增加了微波接收系统可靠性。

Description

一种微波连续波大功率限幅器

技术领域

本发明属于微波连续波大功率限幅技术领域，具体是涉及一种微波连续波大功率限幅器。

背景技术

在无线通信、雷达、电子对抗等系统中，发射机发射无线电信号，接收机接收无线电信号。一般地，通信、探测距离要远，发射机发射功率越大越好；而接收机前端则要求灵敏度越高越好，因此接收机前端能够承受的功率很小，为了防止可能的大功率信号进入接收机前端烧毁接收机，一般在接收机前端电路中需要设计限幅器保护小信号接收机电路，特别是在雷达、电子对抗接收机中，发射机的功率泄露，大面积反射物的信号反射，对方雷达发射机的近距离大功率照射等等情况，都会在接收机前端电路造成大功率信号输入，因此微波限幅器是保护接收机前端必不可少的器件，常用的微波限幅器采用PIN限幅二极管设计。

微波大功率信号有脉冲波和连续波两种，微波大功率信号对PIN脉冲限幅器的破坏作用主要是大功率击穿和发热效应累积的热烧毁，持续的大功率微波信号是造成PIN限幅管发热烧毁的主要原因，因此大功率脉冲波和连续波对限幅器的要求是不一样的，同等功率幅度下，连续波对限幅器的要求是苛刻的。大功率脉冲波对限幅器的要求需要看脉冲波的脉冲宽度、占空比和脉冲重频频率等参数，其中脉冲波的脉冲宽度对限幅器的影响最大，当脉冲波的脉冲宽度足够窄，占空比足够小的情况下，脉冲微波能量在限幅器上的发热效应不能累积，那么限幅器承受微波脉冲大功率的能力就可以提高，当脉冲波的脉冲宽度足够宽形成宽脉宽脉冲波时，其实就可以近似看作是连续波作用，传统微波连续波大功率限幅器承受功率低，会存在大功率信号进入接收机前端烧毁接收机的问题。

因此，需要提出一种新型的微波连续波大功率限幅器。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种新型的微波连续波大功率限幅器，降低了对大功率PIN限幅管的连续波耐功率设计要求，提升了微波接收系统对微波连续波或宽脉宽大功率信号的功率承受能力，解决了传统微波连续波大功率限幅器承受功率较低的问题，增加了微波接收系统可靠性。

为了达到以上目的，本发明提供如下技术方案：包括微波功率耦合器、微波功率检测器、检测信号放大器、门限比较器、PIN开关驱动器、微波大功率PIN开关和PIN脉冲限幅器，所述微波功率耦合器输出端分别连接至所述微波大功率PIN开关输入端和微波功率检测器输入端，所述微波功率检测器输出端连接至所述检测信号放大器输入端，所述检测信号放大器输出端连接至所述迟滞门限比较器输入端，所述迟滞门限比较器输出端连接至所述PIN开关驱动器输入端，所述PIN开关驱动器输出端连接至所述微波大功率PIN开关输入端，所述微波大功率PIN开关输出端连接至所述PIN脉冲限幅器输入端。

进一步地，所述PIN脉冲限幅器包括耦合器CR、隔直电容C、PIN开关管PIN1、PIN限幅管PIN2和微带线，所述耦合器连接所述PIN开关管PIN1，所述隔直电容C通过微带线连接至所述PIN开关管PIN1和PIN限幅管PIN2之间。

进一步地，所述PIN开关管PIN1采用MA4P504开关管，所述PIN限幅管PIN2采用CLA4603限幅管。

进一步地，所述门限比较器采用迟滞门限比较器。

进一步地，所述微波大功率PIN开关采用宽带单刀单掷PIN开关。

本发明与现有技术比较，具有的优点是：通过在无线通信、雷达、电子对抗等接收系统中增加对输入大功率微波信号的检测和比较，系统能够自动控制大功率PIN开关的开通和关断状态，使输入的微波连续波或宽脉宽大功率信号转变为窄脉冲大功率泄露信号，降低了对大功率PIN限幅管的连续波耐功率设计要求，提升了微波接收系统对微波连续波或宽脉宽大功率信号的功率承受能力，解决了传统微波连续波大功率限幅器承受功率较低的问题，增加了微波接收系统可靠性。

附图说明

图1是本发明提出的微波连续波大功率限幅器原理示意图。

图2是本发明提出的微波连续波大功率限幅器中PIN脉冲限幅器微波电路示意图。

图3是微波大功率输入A点信号幅度波形图。

图4是经过本专利方法中大功率PIN开关控制后输出给PIN脉冲限幅器C点信号幅度波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

参照图1，一种微波连续波大功率限幅器，包括微波功率耦合器、微波功率检测器、检测信号放大器、门限比较器、PIN开关驱动器、微波大功率PIN开关和PIN脉冲限幅器，上述门限比较器采用迟滞门限比较器，其中所述微波功率耦合器输入端输入微波连续波或宽脉宽脉冲信号，所述微波功率耦合器输出端分别连接至所述微波大功率PIN开关输入端和微波功率检测器输入端，所以微波连续波或宽脉宽脉冲信号进入到微波大功率PIN开关内和微波功率检测器中，当微波连续波或宽脉宽脉冲信号进入到微波功率检测器中时，所述微波功率检测器检测到该微波连续波或宽脉宽脉冲的功率，所述微波功率检测器输出端连接至所述检测信号放大器输入端，所述检测信号放大器输出端连接至所述迟滞门限比较器输入端，微波功率检测器将检测到的功率信号幅度电平传送给检测信号放大器，检测信号放大器将微波功率检测器输出的功率信号幅度电平进行放大后将放大后的功率信号幅度电平发送到迟滞门限比较器中，迟滞门限比较器将放大后的功率信号幅度电平与设定的功率门限电平进行比较，当输入微波信号功率超过设定的相应功率门限电平时，输出控制信号给后续电路，所述迟滞门限比较器输出端连接至所述PIN开关驱动器输入端，所述PIN开关驱动器输出端连接至所述微波大功率PIN开关输入端，所述微波大功率PIN开关输出端连接至所述PIN脉冲限幅器输入端，当输入微波信号功率超过设定的相应功率门限电平时，迟滞门限比较器输出控制信号给PIN开关驱动器来关断微波大功率PIN开关；所述微波功率耦合器输入端输入微波连续波或宽脉宽脉冲信号，所述微波功率耦合器输出端分别连接至所述微波大功率PIN开关输入端和微波功率检测器输入端，所以微波连续波或宽脉宽脉冲信号进入到微波大功率PIN开关内和微波功率检测器中，这样在微波大功率PIN开关被关断之前，只有很短时间的大功率微波信号会泄露到后级的微波大功率PIN脉冲限幅器上，当没有大功率微波信号时，微波大功率PIN开关是一直处于开通状态，处于对微波信号低插损的状态，不影响微波信号的接收；

上述门限比较器采用迟滞门限比较器，是为了避免当输入微波信号功率幅度正好处于门限比较器的判决门限电平时，门限比较器输出会产生振荡，使微波大功率PIN开关处于频繁开通和关断的不稳定状态，门限比较器控制门限电平的设置，要根据微波PIN脉冲限幅器对连续波的功率承受能力来确定，上述微波大功率PIN开关采用宽带单刀单掷PIN开关。

工作原理：

当微波连续波或宽脉宽脉冲大功率信号输入到微波功率耦合器输入端时，微波功率耦合器耦合出一小部分微波功率，由微波功率检测器检测出输入微波信号功率的幅度，后经过检测信号放大器将该微波信号功率的幅度放大，因为微波功率耦合器只耦合出一小部分微波功率，检测输出的微波信号功率幅度电平比较小，直接输入到门限比较器中进行比较效果不清晰，因此需要经过检测信号放大器将该微波信号功率的检测信号幅度放大，放大后的检测信号通过迟滞门限比较器与门限电平进行比较，当输入微波信号功率超过设定的相应功率门限电平时，门限比较器输出控制信号给PIN开关驱动器来关断微波大功率PIN开关，这样在大功率PIN开关关断之前，只有很短时间的大功率微波信号泄露到后级的微波PIN脉冲限幅器上，当没有大功率微波信号时，微波大功率信号PIN开关一直保持开通状态，处于对微波信号低插损的状态，不影响微波信号的接收，这样通过增加输入大功率微波信号的检测和比较，系统能够自动控制大功率PIN开关的开通和关断状态，使输入的微波连续波或宽脉宽大功率信号转变为窄脉冲大功率泄露信号；

本专利提出的微波连续波大功率限幅器中PIN脉冲限幅器微波电路如图2所示，所述PIN脉冲限幅器微波电路包括耦合器CR、隔直电容C、PIN开关管PIN1、PIN限幅管PIN2和微带线，所述耦合器连接所述PIN开关管PIN1，所述隔直电容C通过微带线连接至所述PIN开关管PIN1和PIN限幅管PIN2之间；

参照图3和图4，图3和图4是使用本专利提出的微波连续波大功率限幅器实现微波连续波或宽脉宽大功率信号限幅原理进行的说明：

参照图3，假设是微波接收机A点接收到的微波信号幅度波形，图中虚线是指迟滞门限比较器设定的两个功率门限电平对应信号幅度比较门限A1和A2，T1、T2、T3分别是三个微波信号出现的时刻，信号1是微波大功率连续波信号，信号2是微波小功率连续信号，信号3是宽脉宽微波大功率信号；图4是经过微波大功率PIN开关对大功率输入信号幅度控制后，输出C点的微波信号幅度波形，由于信号1和信号3的幅度大于开关控制比较门限，当接收信号1和信号3时，门限比较器输出控制信号给PIN开关驱动器关断微波信号大功率PIN开关，由于从微波大功率信号耦合、微波功率检测器检测、检测信号放大器放大、到门限比较器输出控制信号给PIN开关驱动器关断，这是需要一个控制时间，在这一段很短的控制时间内，大功率微波信号会泄露到后级，因此在图4中在T1和T3时刻看到的信号1和信号3的泄露窄脉冲波形，窄脉冲宽度t ， t 一般在lus数量级，这个泄露脉冲宽度越窄越好，微波信号2的幅度没有超过门限比较器的比较门限电平，因此微波大功率PIN开关不会被控制关断；

微波PIN脉冲限幅器采用PIN限幅管设计，微波PIN开关采用PIN开关管设计，对应微波接收系统来说，接收灵敏度是关键指标，因此除了承受功率指标，PIN脉冲限幅器和开关电路设计所关注的微波电性能是插入损耗，影响PIN脉冲限幅器和开关插入损耗指标的电参数是结电容Cj，因此表1选取了在相应电路应用中结电容Cj相同的限幅管和开关管，限幅管以SKYWORKS公司PIN限幅管CLA46系列中的CLA4607为例，开关管以M/A-COM公司MA4P系列中MA4P504为例进行对比分析和试验，表1显示结电容Cj相同的情况下PIN限幅管和开关管参数比较：

表1

从表1中可以看出PIN限幅管和开关管结电容在相应电路应用中大小一致，但是其他电参数相差很大，虽然厂家没有给出开关管MA4P504耐脉冲承受功率和连续波承受功率参考数值，不过从反向耐压、串联电阻Rs、热阻指标对比来看，显而易见开关管MA4P504比限幅管CLA4607的连续波承受功率能力要大很多；

表2给出了同系列PIN限幅管参数比较：

表2

表2中CLA46系列中两款PIN限幅管，一般传统限幅器中，输入微波大功率信号被级联限幅电路逐级限幅，因此级联采用的限幅管承受功率也是逐级降低的，按传统限幅器设计，通常第一级采用CLA4607限幅管，第二级采用CLA4603限幅管，这样微波连续波承受功率可以达到6W以上；

而在本专利实施例中，如图2所示， PIN脉冲限幅器微波电路包括耦合器CR、隔直电容C、PIN开关管PIN1、PIN限幅管PIN2和微带线，所述耦合器连接所述PIN开关管PIN1，所述隔直电容C通过微带线连接至所述PIN开关管PIN1和PIN限幅管PIN2之间，隔直电容C的作用是对PIN开关的控制信号起到隔离的作用，采用本专利微波连续波大功率限幅方法设计的X波段限幅器微波电路，第一级采用MA4P504开关管实现的微波大功率PIN开关，实际试验中微波连续波承受功率大于50W，第二级采用CLA4603限幅管作为微波脉冲限幅器，参考表2数据，CLA4603限幅管对于脉宽1us微波脉冲承受功率大于100W，连续波承受功率大于2W。采用微波功率耦合器CR耦合度设计为23dB，在2W连续波输入下，耦合输出10mW，采用检测信号放大器和门限比较器，微波大功率PIN开关关断对应的功率门限设置为2W，微波大功率PIN开关的关断时间是800 ns，加上检波比较延时，微波大功率信号泄露脉冲宽度t小于1us，在图4中可以看出，幅度还是50W，泄露的连续波信号最大为2W，均在第二级限幅管CLA4603承受功率范围内，对比传统微波连续波限幅器，采用本专利方法设计的微波连续波限幅器的承受功率能力显著提高；此外，PIN脉冲限幅器微波电路不限定于上述实施例中只包括一个PIN开关管和一个PIN限幅管，还可以设计成包括多个PIN开关管和多个PIN限幅管，当包括多个PIN开关管和多个PIN限幅管时，耦合器和隔直电容通过微带线与多个PIN开关管、多个PIN限幅管连接，最终微波连续波限幅器承受功率能力进一步得到提高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种微波连续波大功率限幅器，其特征在于：包括微波功率耦合器、微波功率检测器、检测信号放大器、门限比较器、PIN开关驱动器、微波大功率PIN开关和PIN脉冲限幅器，所述微波功率耦合器输出端分别连接至所述微波大功率PIN开关输入端和微波功率检测器输入端，所述微波功率检测器输出端连接至所述检测信号放大器输入端，所述检测信号放大器输出端连接至所述迟滞门限比较器输入端，所述迟滞门限比较器输出端连接至所述PIN开关驱动器输入端，所述PIN开关驱动器输出端连接至所述微波大功率PIN开关输入端，所述微波大功率PIN开关输出端连接至所述PIN脉冲限幅器输入端。

2.根据权利要求1所述的微波连续波大功率限幅器，其特征在于：所述PIN脉冲限幅器包括耦合器CR、隔直电容C、PIN开关管PIN1、PIN限幅管PIN2和微带线，所述耦合器连接所述PIN开关管PIN1，所述隔直电容C通过微带线连接至所述PIN开关管PIN1和PIN限幅管PIN2之间。

3.根据权利要求2所述的微波连续波大功率限幅器，其特征在于：所述PIN开关管PIN1采用MA4P504开关管，所述PIN限幅管PIN2采用CLA4603限幅管。

4.根据权利要求1所述的微波连续波大功率限幅器，其特征在于：所述门限比较器采用迟滞门限比较器。

5.根据权利要求1所述的微波连续波大功率限幅器，其特征在于：所述微波大功率PIN开关采用宽带单刀单掷PIN开关。